Введение к работе
Актуальность проблемы. Хирономиды - всесветно распространенное семейство длинноусых двукрылых насекомых (Chironomidae, Nematocera, Diptera), включающее около 5000 видов, относимых к 11 подсемействам (Макарченко, Макарченко, 1999; Saether et al., 2000; Макарченко, 2006), наиболее крупными из которых являются Orthocladiinae (270 видов) и Chironominae (230 видов). Личинки многих видов хирономид обитают в бентосе, но еще большее число видов заселяют приподнятые над дном субстраты и относятся к зооперифитону. Несмотря на присутствие в бентосе и зооперифитоне ряда общих эвритопных видов (в том числе и хирономид), эти эволюционно близкие группировки гидробионтов по многим характеристикам экологически независимы друг от друга (Баканов и др., 2003; Протасов, 2005; Скальская и др., 2006а,б). В современных условиях хирономиды все чаще используются как модельный объект при анализе уровня антропогенного загрязнения вод и донных отложений (Извекова др., 1996; Зинченко, 2002; Мисейко, 2003; Lobinske & АН, 2006), при этом исследования базируются, как правило, на оценке бентосных видов. Изучение видового состава и биотопической приуроченности перифитонных хирономид может внести существенный вклад в экологический мониторинг пресноводных водоемов.
Точная видовая идентификация хирономид возможна только при условии, когда наряду со сравнительным морфологическим анализом учитываются экологические, молекулярные и цитогенетические сведения (Шилова, 19766; Carew et al, 2003). Например, давно и хорошо известно, что только особенности политенных хромосом позволяют дифференцировать виды-двойники, морфологически не отличимые друг от друга. В настоящее время методы кариосистематики занимают важное место в таксономических исследованиях разных групп насекомых (Angus, 1982; Кузнецова, 1985; Филиппенко и др., 2000; Гохман, 2006; Чубарева, Петрова, 2008; Maryanska-Nadachowska et al, 2008; Kuznetsova et al., 2009, 2010; Лухтанов, Кузнецова, 2009) и, несомненно, актуальны для семейства Chironomidae (Bauer, 1945; Keyl, 1962; Steffan, 1966; Hoffrichter, 1971; Wulker, 1980, 1991; Белянина, 1983; Петрова, 1986, 1989, 1993; Кикнадзе и др., 1991а,б, 1996; Шобанов, 1994а,б,в; 2002а,б; Белянина, Дурнова, 1998, 2005; Shobanov et al, 1999; Полуконова, 2005; Кикнадзе, 2008). В настоящее время накоплены подробные цитогенетические сведения только для 8-10% видов хирономид (Кикнадзе и др., 1996); личинки большинства этих видов ведут бентосный образ жизни - представители родов Chironomus, Camptochironomus, Sergentia и др. Уровень изученности других родов хирономид, особенно включающих фитофильные виды, остается сравнительно низким.
Значимость кариологических исследований заключается не только в точном определении видовой принадлежности отдельных особей, но и в возможности оценки цитогенетическои структуры популяций, и в выявлении уровня межвидовой и межпопуляционной дивергенции, что в настоящее время успешно продемонстрировано на примере рода Chironomus (Гундерина, 1986, 2001; Голыгина, 1999; Butler et al, 1999; Гундерина, Кикнадзе, 2000; Кикнадзе и др., 2007; Кикнадзе, 2008). Существующие филогенетические построения у хирономид также касаются, в основном, представителей рода Chironomus (Шобанов, Зотов, 2001; Шобанов, 2002а,б, 2005; Гурьев, 2002; Кикнадзе и др., 2004; Полуконова, 2005; Демин, Полуконова, 2008). Изучение межвидовой и внутривидовой дивергенции у других видов хирономид не проводилось, филогенетические связи перифитонных видов установлены не были.
Современные исследования показывают существенную роль гибридизации (симгенеза) в эволюции разных групп живых организмов (Боркин, Даревский, 1980; Ляпунова, Якименко, 1983; Панов, 1986; Якименко, 2003). Наличие у хирономид политенных хромосом позволяет определить «видовую принадлежность» определенной хромосомной последовательности и проследить, в результате каких скрещиваний могли возникнуть генотипические сочетания последовательностей у гибридных форм (Michailova, 1989a,b, 1996a,b; Полуконова, Белянина, 2002). Однако изучение гибридогенеза у хирономид находится на самых начальных этапах, поэтому актуальным является вопрос о роли гибридизации в процессе видообразования в этой группе насекомых.
Комплексный морфологический, кариологический, экологический и молекулярно-генетический анализ хирономид перифитона необходим для осуществления точной видовой диагностики морфологически сходных видов и подвидов; анализа адаптивного хромосомного полиморфизма и внутривидовой хромосомной дивергенции; выявления изменений генотипической структуры популяций под влиянием экологических факторов, а также для установления родственных отношений хирономид разного таксономического уровня.
Цель настоящей работы - выявление на основе морфологических, цитогенетических, молекулярно-генетических и экологических особенностей преобладающих тенденций микро- и макроэволюционной дифференциации и установление родственных отношений хирономид трибы Chironomini (Chironomidae, Diptera), обитающих в зоне прибрежных макрофитов водоемов Саратовской области.
Для достижения цели исследования необходимо было решить следующие задачи:
1. Установить видовой состав хирономид трибы Chironomini
прибрежных зарослей водоемов Саратовской области и сопряженных
территорий и проанализировать приуроченность личинок этой группы
хирономид к различным погруженным субстратам.
-
Провести морфологический анализ хирономид зоны прибрежных зарослей, выявить морфологические признаки, имеющие наибольшее значение для видовой диагностики и выявления степени морфологической дивергенции популяций, подвидов и видов; сравнить морфологические особенности личинок видов-обрастателей, видов-минеров и личинок бентосных видов.
-
Изучить структуру политенных хромосом личинок видов родов Glyptotendipes, Endochironomus, Synendotendipes, Polypedilum, Kiefferulus, Phaenopsectra, Demeijerea, Xenochironomus, Stenochironomus, Parachironomus и Microtendipes и составить цитофотокарты политенных хромосом из слюнных желез личинок.
-
Проанализировать внутри- и межпопуляционный хромосомный полиморфизм массовых видов хирономид зоны прибрежных зарослей и составить кадастры хромосомных последовательностей для каждого изученного вида.
-
Провести морфологический и кариологический анализ известных и впервые выявленных межвидовых гибридов и гибридов между подвидами (цитотипами) в родах Endochironomus и Glyptotendipes.
-
Провести молекулярно-генетический анализ (по фрагменту гена мтДНК цитохром С оксидазы I (СОТ) протяженностью 535 нп) представителей родов Glyptotendipes, Endochironomus, Synendotendipes, Dicrotendipes, Polypedilum, Stenochironomus, Xenochironomus, Cricotopus; установить время и последовательность возникновения видов фитофильных хирономид из разных родов.
-
Установить родственные отношения родов хирономид на основе морфологических, кариологических и молекулярно-генетических данных.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование морфологии, кариотипов, молекулярно-генетических и экологических особенностей хирономид, заселяющих погруженные субстраты в зоне прибрежных зарослей макрофитов пресноводных водоемов Саратовской области и соседних территорий (27 видов из 13 родов). Впервые проанализирована биотопическая приуроченность хирономид прибрежных зарослей. На основе рисунка дисков политенных хромосом выявлено 6 новых для науки видов: Synendotendipes kaluginae, Durnova, 2010, Glyptotendipes minutus sp. п., Xenochironomus sp. п., Endochironomus sp. п., Polypedilum sp. п., Phaenopsectra sp. п. (описания видов отправлены в печать или подготовлены к печати). Впервые описаны кариотипы 4-х видов (Glyptotendipes imbecillis,
Xenochironomus xenolabis, Stenochironomus gibbus, Phaenopsectra flavipes) и составлены подробные цитофокарты для 15-ти видов из родов Glyptotendipes, Endochironomus, Synendotendipes, Polypedilum). На основе цитофотокарт впервые проведено картирование инверсионных последовательностей у всех изученных видов; подробно исследован хромосомный полиморфизм и цитогенетическая структура популяций 13 видов. Впервые установлена зависимость спектра и частоты хромосомных перестроек у личинок от типа заселяемого ими субстрата. Проанализированы особенности пространственной организации хромосом в интерфазных ядрах в связи со специфическими условиями существования видов. Впервые рассчитаны цитогенетические расстояния между межпопуляционными и внутрипопуляционными группировками двух модельных видов (Glyptotendipes glaucus и G pollens), и на этой основе установлен уровень цитогенетической дивергенции. На примере рода Glyptotendipes проведен сравнительный анализ морфологии и кариотипов бентосных и перифитонных видов. На основании сравнительного морфологического анализа личинок 41-го вида впервые проанализированы филогенетические отношения 24-х родов из подсемейств Chironominae и Orthocladiinae. Впервые установлена нуклеотидная последовательность фрагмента гена мтДНК цитохром оксидазы I (СОР) протяженностью 535 нп у 10-ти видов: Endochironomus albipennis, Е. tendens, Glyptotendipes barbipes, G gripekoveni, G imbecillis, G mancunianus, Polypedilum sordens, Stenochironomus gibbus, Synendotendipes kaluginae, Xenochironomus sp. п. На основе этих данных установлено время дивергенции изученных таксонов и время возникновения минирования и обрастания субстратов как двух прогрессивных эволюционных стратегий в семействе Chironomidae.
Теоретическая и практическая значимость. Комплекс выявленных морфологических и кариотипических признаков позволяет производить точное определение видов хирономид зоны прибрежных зарослей и проводить их сравнительный морфологический и цитогенетический анализ. Разработанные цитофотокарты политенных хромосом являются необходимым условием для изучения хромосомного полиморфизма массовых видов хирономид, так как на их основе возможно точное картирование для уже зарегистрированных и вновь выявленных хромосомных перестроек. Сведения по видовому составу хирономид прибрежных зарослей макрофитов и накопленные данные по хромосомному полиморфизму массовых видов могут служить основой для экологического мониторинга водоемов Саратовской области. Комплексный анализ цитогенетической и морфологической дифференциации хирономид, заселяющих различные экологические ниши прибрежных зарослей, вносит вклад в изучение эволюционных тенденций у видов, вступающих в
коэволюционные связи с обитающими здесь другими видами животных или растений. Установление времени дивергенции разных таксономических групп хирономид методом молекулярно-генетического анализа может служить основой для более глубокого понимания эволюции семейства Chironomidae.
Апробация результатов. Материалы работы были представлены на X Российском симпозиуме по хирономидам (Борок, ИБВВ РАН, октябрь 1995 г.), III Всероссийской конференции по кариосистематике беспозвоночных животных (Москва, январь 1997 г.), X Всероссийской конференции молодых ученых (Борок, ИБВВ РАН, март 1997 г.), VI Всероссийском диптерологическом симпозиуме (Санкт-Петербург, апрель 1997 г.), XI Съезде Русского энтомологического общества (Санкт-Петербург, сентябрь 1997 г.), Симпозиуме «Современные достижения популяционной, эволюционной и экологической генетики (Владивосток, сентябрь, 2001 г.), XII Съезде Русского энтомологического общества (Санкт-Петербург, август 2002 г.), Юбилейном совещании, посвященном памяти С.С. Хохлова (Саратов, сентябрь 2002 г.), XI Российском симпозиуме по хирономидам (Борок, ИБВВ РАН, октябрь 2002 г.), Международном хирономидологическом симпозиуме (США, Миннесота, август 2003 г.), Международном симпозиуме «Кариосистематика беспозвоночных животных IV» (Санкт-Петербург, август 2006 г.), IX Международной научно-практической конференции «Современные проблемы популяционной экологии» (г. Белгород, октябрь 2006 г.), научно-практической конференции «Экологические проблемы урбанизированных территорий» (Елец, март 2007 г.), XIII съезде Русского энтомологического общества (Краснодар, сентябрь 2007 г.), X Международной научно-практической конференции «Живые объекты в условиях антропогенного пресса» (Белгород, сентябрь 2008 г.), II Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, идентификации и прогнозирования» (Астрахань, август 2009 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экология, эволюция и систематика животных» (Рязань, ноябрь 2009 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, в том числе 10 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ для публикаций материалов докторских диссертаций по биологическим наукам; 6 статей находятся в печати.
Положения, выносимые на защиту.
1. Личинки хирономид зоны прибрежных зарослей пресноводных водоемов характеризуются приуроченностью к определенным субстратам, в основном, к живым и разлагающимся макрофитам; большинство фитофильных видов находится на ранних этапах коэволюционных
взаимодействий с растениями, при этом прочные коэволюционные связи с определенными видами макрофитов у них пока не сформированы. Наиболее узкоспециализированными видами хирономид прибрежной зоны являются минеры древесины и тканей губок.
2. Накопление цитогенетических изменений в процессе внутри- и
межвидовой дифференциации происходит заметно быстрее, чем накопление
морфологических различий.
-
Рисунок дисков политенных хромосом является хорошим маркером для изучения систематики и установления родственных связей таксонов разного ранга в семействе Chironomidae.
-
Сравнительный кариотипический анализ хирономид-обрастателей и хирономид-минеров погруженных субстратов (виды из родов Glyptotendipes, Endochironomus, Synendotendipes, Polypedilum, Dicrotendipes, Xenochironomus, Stenochironomus, Phaenopsectra, Demeijerea, Parachironomus, Kiefferulus) показывает лишь частичную гомологию по рисунку дисков политенных хромосом у близких видов в пределах одного рода и её полное отсутствие у видов разных родов, а в некоторых случаях - и у видов одного рода.
5. Внутрипопуляционный и межпопуляционный хромосомный
полиморфизм является отражением адаптивных процессов у хирономид, в
частности, изменение частот определенных инверсионных
последовательностей дисков политенных хромосом зависит от заселяемого
личинками субстрата.
6. Фитофилия (у хирономид - способность личинок к обрастанию или
минированию растительных субстратов) возникала в эволюции хирономид
неоднократно в разных таксономических группах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов. Текст диссертации изложен на 300 страницах. Приложение включает 43 таблицы и 113 рисунков. Список литературы содержит 598 источников, из которых 190 на иностранном языке.
