Войти | Регистрация

Авторизация пользователя

Филогеографическая история популяций снежных баранов Восточной Сибири

Арсен В. Доцев
Филогеографическая история популяций снежных баранов Восточной Сибири
Филогеографическая история популяций снежных баранов Восточной Сибири Филогеографическая история популяций снежных баранов Восточной Сибири

Настоящий материал подготовлен на основе статьи «SNP-анализ генома раскрывает генетическую структуру и филогеографическую историю популяций снежных баранов (Ovis nivicola), населяющих Верхоянские горы и Момский хребет (северо-восточная Сибирь)», опубликованной в Ecology and Evolution (8/2018).

Авторы: Арсен В. Доцев, Татьяна Е. Денискова, Иннокентий М. Охлопков, Gabor M Sz Ros, Иоганн Силькер, Генри Рейер, Клаус Виммерс, Готфрид Брем, Наталья М. Зиновьева.

Снежный баран, или Сибирский толсторог (Ovis nivicola Eschscholtz, 1829) занимает самый северный ареал среди всех видов азиатских баранов: от плато Путорана на западе до полуострова Чукотка на востоке и от берега Охотского моря на юге до берега Северного Ледовитого океана на севере. Будучи единственным крупным растительноядным млекопитающим в горных районах северо-востока России, снежные бараны играют важную роль в экосистемах региона, основными особенностями которых являются слабая устойчивость, уязвимость и низкая способность к восстановлению окружающей среды. Обитают снежные бараны в нескольких природных зонах с различными типами климата и природной среды. Несмотря на то, что снежный баран обладает высокой устойчивостью к различным климатическим условиям, он не смог пережить изменений окружающей среды, вызванных антропогенными факторами. Почти во всех горных системах снежный баран был вытеснен деятельностью человека, такой как добыча полезных ископаемых, прокладка дорог, развитие промышленных районов и интенсивное оленеводство. Причиной того, что многие подвиды снежных баранов встречаются преимущественно в высокогорных районах, стало длительное давление со стороны человека. Это подтверждается данными о том, что ряда популяций, которые несколько десятков лет назад обитали в низинах, прибрежных районах и горах средней высоты, в настоящее время не существует. Следовательно, распространение снежных баранов сейчас прерывисто, они обитают на фрагментированных территориях в различных горных системах.

По данным Министерства природных ресурсов и экологии РФ, в 2016 году общее количество снежных баранов составило 78 тысяч особей. Крупнейшие группы населяют Якутию, Камчатку и Охотское морское побережье. Несколько лет назад Путоранский и Чукотский подвиды получили особый природоохранный статус – они занесены в Красную книгу РФ.

Чтобы охарактеризовать важность отдельных популяций для выживания и приспособляемости видов, а также выработать меры по их сохранению, необходимо изучить их генетическое разнообразие, что позволяет сделать анализ ДНК.

ДНК, как известно, главная молекула мельчайшей единицы живого организма и представляет собой «двойную спираль», то есть две сложные биохимические молекулы, закрученные спирально одна вокруг другой. Каждая из спиралей состоит из определенной последовательности более мелких биологических молекул – нуклеотидов. Каждый нуклеотид одной спирали надежно связан химическими связями не только с предшествующим и последующим нуклеотидами, но и с одним из нуклеотидов второй спирали. Грубо говоря, ДНК образует как бы веревочную лесенку, скрученную спирально по продольной оси.

Тридцать пять лет назад английский генетик Алек Джеффрис обнаружил, что цепочки ДНК разных индивидуумов имеют уникальные последовательности нуклеотидов, то есть не повторяются у разных особей. С тех пор появился метод ДНК-анализа, который со временем был серьезно усовершенствован и стал активно использоваться для выявления малейших различий в составе образцов ДНК, полученных от разных организмов, с целью выявления степени их родства.

Большая часть последовательностей ДНК разных животных совпадают по составу, однако встречаются повторяющиеся элементы (тандемные повторы), количество которых варьирует от особи к особи. Чем больше участков генома (или локусов) анализируется при составлении ДНК-профиля, тем выше точность исследования.

Несмотря на научный прогресс, ДНК-анализ остается технологически сложной процедурой, поскольку речь идет об исследовании микроскопических структур, состоящих из миллионов «букв», последовательность которых следует установить. Для того чтобы «прочитать» молекулу, ее для начала нужно выделить, затем многократно скопировать (амплифицировать), а после секвенировать – «нарезать» на небольшие кусочки, удобные для последующего анализа.

Наиболее перспективным методом исследования генетического разнообразия и структуры популяции является анализ однонуклеотидных полиморфизмов (SNP). А для их выявления широко используются специальные ДНК-микрочипы.

ДНК-микрочипы представляют собой множество небольших одноцепочечных молекул (зондов), которые ковалентно пришиты к твердому основанию. Каждый такой зонд имеет строго определенную последовательность нуклеотидов и место на микрочипе. Фрагменты исследуемой ДНК метят различными флуоресцентными метками (для последующего обнаружения) и наносят на микрочип. В процессе инкубации под действием фермента полимеразы происходит гибридизация комплементарных одноцепочечных молекул. При последующей промывке чипа все некомплементарные части ДНК удаляются. После этого производят сканирование микрочипа при помощи лазера, который вызывает флуоресценцию меченных молекул образца. Подключенный к компьютеру микроскоп оценивает флуоресценцию каждого сайта ДНК-микрочипа, и, соответственно, выявляет последовательности нуклеотидов в ДНК исследуемого образца.

Создание базы SNP диких животных было бы важным шагом для лучшего понимания их филогенетических связей и генетики в целом и могло бы использоваться в «дактилоскопировании» диких животных. Но проблема состоит в том, что отсутствуют эталонные геномы.

Нами было сделано предположение, что межвидовое применение коммерчески доступных чипов SNP, предназначенных для домашних животных, будет полезным и при исследованиях их близкородственных диких сородичей.

Известно, что в 2009 г. была оценена популяционная структура европейского бизона с помощью чипа BovineSNP50 BeadChip, созданного для крупного рогатого скота. С помощью того же чипа в 2012 г. дифференцировали местные виды оленей в Северной Америке, в том числе оленей-мулов, чернохвостых оленей и белохвостых оленей. Российские исследователи в 2015 г. показали применимость BovineSNP50 BeadChip для изучения полного генома северных оленей. А в 2011 г. с использованием «овечьего» чипа OvineSNP50 BeadChip было выполнено SNP-генотипирование двух диких видов Ovis – снежного барана и тонкорога Далла.

Целью нашего исследования было изучение генетического разнообразия и структуры популяции снежных баранов (O. nivicola) северо-востока России и получение информации, которую можно было бы использовать при разработке стратегий сохранения и в качестве первого шага в понимании таксономии и эволюции снежных баранов, основанной на генотипах.

Исследование

Образцы мышечной ткани снежного барана собирались по разрешениям, выданным Департаментом охоты Республики Саха (Якутия) в ходе научных и охотничьих экспедиций. Некоторые образцы были представлены представителями коренных народов, имеющих лицензию на охоту на снежных баранов для личного потребления, в соответствии с ФЗ РФ.

Места отбора проб отдельных снежных баранов представлены на рисунке 2а. Образцы, отобранные для анализа (n = 80), были добыты в разных частях Республики Саха (Якутия), на территории между 63 и 71 градусом северной широты и между 128 и 146 градусами восточной долготы в течение 2011–2016 гг. Они были разделены на пять групп в соответствии с их географическим положением. Четыре популяции представляли цепь Верхоянской горной системы, включая Хараулахский хребет в районе бухты Тикси (TIK, n = 22), хребет Орулган (ORU, n = 22), центральную часть Верхоянского хребта (VER, n = 15) и хребет Сунтар-Хаята (SKH, n = 13). Пятая популяция включала баранов, населяющих хребет Момский (MOM, n = 8).

Выделение, обработку ДНК и анализ однонуклеотидных полиморфизмов проводили в соответствии с принятыми методиками с использованием чипа BeadChip Illumina OvineSNP50. Статистический анализ и математическая обработка результатов проводились с использованием соответствующего программного обеспечения.

Было исследовано в общей сложности 80 образцов от разных животных с не менее 90% генотипированных SNP.

Было показано, что MOM, SKH, VER и ORU все связаны друг с другом, TIK была изолированной группой, связанной только с ORU, то есть хребет Орулган является территорией, где произошло смешение двух групп.

Мы обнаружили, что уровни гетерозиготности в популяциях снежных баранов увеличились на юг; минимальные значения наблюдались в самой северной популяции – TIK, а максимальные значения – в самой южной популяции – SKH.

Обсуждение

Снежный баран (Ovis nivicola Eschscholtz, 1829) является наименее генетически изученным видом в пределах подрода Pachyceros, который также включает баранов Далла и Стоуна (Ovis dalli), толсторога Скалистых гор и пустынного толсторога (Ovis canadensis), населяющих Северную Америку. Из-за труднодоступности среды обитания снежных баранов сбор образцов проблематичен, и такие исследования ограничены. На сегодняшний день Банч с соавторами (2006) провели филогенетический анализ четырех особей снежных баранов Магаданской области. Данилкин (2005) проанализировал митохондриальные ДНК 40 образцов, полученных с Камчатского полуострова, Корякских гор, Чукотского автономного округа, Плато Путорана, Верхоянского хребта и хребта Кодар. Денискова с соавторами (2016) продемонстрировали успешное использование при оценке снежных баранов чипа BeadChip OvineSNP50, предназначенного для домашних баранов.

С использованием чипа BeadChip Illumina OvineSNP50, разработанного для домашних баранов, нами проведен анализ 80 образцов снежных баранов, добытых в различных хребтах Якутии, а именно в Хараулахском и Орулганском хребтах, центральной части Верхоянского хребта, хребта Сунтар-Хаята и хребта Момского. Численность снежных баранов, населяющих эти территории, составляет около 40 тысяч особей, что превышает половину численности видов.

Для анализа были отобраны 1121 полиморфных SNP, распределенных по всем аутосомам. Многомерное масштабирование (MDS) показало, что все образцы в нашем исследовании были сгруппированы в соответствии с их географическим местоположением (рис. 2).

Затем была проведена оценка индивидуального происхождения для выявления уровня примеси между популяциями.

Полученные данные позволили предположить, что TIK и MOM имеют либо различное наследственное происхождение, либо долгосрочную изоляцию, а три оставшиеся популяции характеризуются различными уровнями примеси между ними. TIK (99,4%) и MOM (100%) не показали никаких следов примеси с другими популяциями. В TIK был обнаружен только незначительный компонент ORU (0,6%). ORU (84,3%) был значительно смешан с TIK (10,5%) и VER (5,1%). Более высокий уровень примеси с TIK наблюдался для самых северных образцов ORU. В VER (94,9%) и SKH (96,6%) были обнаружены только незначительные компоненты других популяций. Такие результаты показывают низкий уровень потока генов между популяциями снежных баранов. Это может быть объяснено тем фактом, что снежные бараны являются немигрирующими животными.

Это было подтверждено и другими методами.

Когда говорят, что данный организм гетерозиготен, это означает, что копии генов (или данного гена) в каждой из гомологичных хромосом несколько отличаются друг от друга, то есть у них есть небольшие отличия между собой.

Анализ SNP показал, что гетерозиготность в популяциях снежных баранов увеличились на юг. Это можно объяснить тем фактом, что на эти параметры влияют скорости потока генов и генетический дрейф. TIK, который характеризуется самыми низкими значениями гетерозиготности, находится на северной границе распространения вида. Для этой популяции возможен только перенос генов с помощью ORU, а уменьшение разнообразия, вероятно, произошло из-за потери редких аллелей (гетерозиготный организм содержит две разные формы – аллели – одного и того же гена, расположенные в одинаковых локусах гомологичных хромосом). Наибольший уровень гетерозиготности был обнаружен в СХ, который расположен на пересечении различных хребтов, включая Центральный Верхоянск, Черский и Сетте-Даббан, и животные из различных популяций могут смешиваться на этой территории. Такая примесь позволяет поддерживать параметры генетического разнообразия на более высоком уровне.

Было обнаружено, что происхождение TIK отличается от MOM, SKH и VER. ОРУ был охарактеризован как смешанная популяция. Скорее всего, ТIК была изолированной популяцией от других групп снежных баранов в период позднеплейстоценового оледенения Верхоянского хребта. Ледники в этом регионе достигли максимальной степени около 140 тысяч лет назад, а дальнейшие серии оледенений продолжались до 50 тысяч лет назад. Ледяные массы, как правило, были сосредоточены в горах и не простирались более чем на 270 км за пределы хребтов. Видимо, невысокие Хараулахские горы играли роль ледникового убежища для популяции снежных баранов. Когда последнее таяние ледников произошло в Верхоянском хребте примерно 50 тысяч лет назад, его территория была заселена животными, населявшими свободные от ледников территории на юге и юго-востоке, а также животными Хараулахских гор. После нескольких тысяч лет в изоляции, группы снежных баранов встретились в хребте Орулган и породили смешанную популяцию – ОРУ. Эти результаты демонстрируют основную роль событий оледенения в генетическом разнообразии и распределении субарктических видов, таких как снежные бараны, и согласуются с исследованиями по выживанию группы тонкорогов (Ovis dalli) в малом рефугиуме (Sim , Hall, Jex, Hegel & Coltman, 2016).

ВЫВОДЫ

Наши исследования показали, что изученные популяции снежных баранов генетически структурированы в соответствии с географической структурой. Параметры генетического разнообразия (наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность и аллельное разнообразие) увеличивались к югу с минимальными значениями в самой северной популяции – TIK и максимальными значениями в самой южной популяции – SKH. Было установлено, что снежные бараны, обитающие на территориях Верхоянского хребта и Момского хребта, происходят из двух разных популяций предков, хотя их обычно считают одним подвидом, известным как якутские снежные бараны (Ovis nivicola lydekkeri). Исследуемая популяция из Хараулахского хребта (TIK) представляет потомков группы, которая долгое время была изолирована от других групп снежных баранов, скорее всего, во время оледенения северо-восточной Сибири. Смесь между этой популяцией и мигрантами из других изученных групп произошла в хребте Орулган. Поскольку численность снежных баранов Хараулах довольно мала, и они населяют ограниченную территорию, расположенную в низкогорной местности, что делает их легкой добычей для браконьеров, мы предлагаем, чтобы к этой группе обращались с особой осторожностью. В качестве одного из решений мы предлагаем классифицировать эту группу как отдельный подвид.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда с проектом № 14-36-00039. Мы благодарны Эдуарду В. Бендерскому и Клубу Горных Охотников (http://kgo-club.ru) за предоставление образцов. Мы благодарим анонимных рецензентов за их внимательное прочтение нашей рукописи, комментарии и предложения.


Поделиться: