The History of Manayunkia [Polychaeta: Sedentaria: Sabellidae] propagation in North Eastern Asia

Full Text

Многощетинковые черви (полихеты) рода Manayunkia (Leidy, 1859) [Sedentaria, Sabellidae], населяющие пресноводные водоемы Северной Азии, до сих пор остаются мало изученной группой беспозвоночных животных. Длительное время считалось, что один вид, описанный из Байкала - M. baicalensis (Nusbaum, 1901), обитает на обширной территории: в бассейнах рек Витима, Чары, Амура, Зеи (Томилов, 1954; Кожов, 1962, 1972; Клишко, 1994, 1996), на Таймыре (Сластников, 1940), на Колыме (Ситникова, 2001). При этом популяцию, населяющую бассейн Гыды (Таймыр), на основании внешней морфологии, Сластников (1940) предложил выделить в особый подвид M. baicalensis hydani. Согласно О. К. Клишко (1996), манаюнкии из популяций водоемов бассейнов рек Лена и Амур, а также оз. Леприндо существенно отличаются от особей, населяющих Байкал по своей морфологии. В настоящее время на основании морфологических различий и экологических особенностей в оз. Байкал констатировано обитание 3 видов - M. baicalensis, M. godlewskii Nusbaum (1901) и M. zenkewitschii Sitnikova (1997), различающиеся размерами тела половозрелых особей и количеством щупалец (Ситникова с соавт., 1997). Генетическая разобщенность видов также была подтверждена анализом нуклеотидных последовательностей гена, кодирующего 18S rRNA (Ситникова с соавт., 1995), но подробные результаты исследований остались неопубликованными. Три байкальских вида полихет обитают в трубочках, которые строят из того субстрата, на котором они живут; при сосуществовании в одном географическом районе озера они занимают различные экологические ниши: M. baicalensis обитает преимущественно на песчаных типах грунтов, M. godlewskii - на илистых и M. zenkewitschii - на каменистых и скальных грунтах, поросших губками родов Lubomirskia и Baicalospongia, водорослями рода Cladophora, а также в пустых домиках ручейников (Ситникова с соавт., 1997). В Байкале манаюнкии найдены в литорали (от 3 до 20 м) по всему периметру озера, а также в глубоководной зоне, где имеют пятнистое распространение (Тахтеев с соавт., 1993), и везде образуют небольшие по площади колонии (собств. данные). По типу питания манаюнкии - сестонофаги, питаются в основном планктонными диатомовыми водорослями, бактериями и детритом. Развитие манаюнкий прямое (отсутствует свободноплавающая личинка), оплодотворение перекрестное, мужские половые продукты выбрасываются в придонную воду, поэтому, как правило, полихеты живут колониями, в которых самки соседствуют с самцами (Ситникова, 2001). Прикрепленный (или сидячий) образ жизни позволяет предполагать, что между колониями как одного вида, так и разными, населяющими один и тот же район или удаленные районы (до более сотен километров в пределах Байкала), вероятность обмена генетической информацией низка. Настоящее исследование направлено на выяснение 1) процессов дивергенции трех байкальских видов - происходило ли обособление экологических форм в одном районе озера и затем распространившееся по всему озеру, или произошло независимо в различных районах Байкала; 2) к какому из 3 видов байкальских полихет близкородственны полихеты, обитающие в оз. Баунт, принадлежащему к Байкальской рифтовой зоне. Для решения этих задач были использованы нуклеотидные последовательности, фолмеровского фрагмента гена 1 субъединицы цитохром-с-оксидазы (CO1), который является одним из достаточно быстро эволюционирующих генов, что позволяет использовать его при изучении генетического полиморфизма организмов, а также в датировке молекулярно-филогенетических событий (Folmer et. al., 1994). Цитохром-с-оксидаза широко используется для интерпретаций филогенетических событий как мировой фауны полихет (напр. Canales-Aguirre et al., 2011), так и байкальских беспозвоночных животных - моллюсков (Перетолчина с соавт., 2006), олигохет (Kaygorodova et al., 2007), амфипод (Гоманенко с соавт., 2005). Также для одного из видов байкальских полихет Manayunkia godlewski (Bukin et al., 2007), была выполнена работа по изучению генетического дрейфа с помощью Fst-критерия, рассчитываемого по нуклеотидным последовательностям ДНК. Было показано, что Fst-критерий изменяется не прямо пропорционально удаленности популяций, а дискретно. Материалы и методы Материал Сбор полихет проводили с 2000 по 2010 г. с помощью водолазов и с использованием драги (места отбора проб в оз. Байкал показаны на рисунке 1 и в таблице 1). Кроме того, в анализе использовались полихеты, собранные в бассейне реки Колымы - Сердяхские озера и озеро Намаканское, и полихеты из Баунтовских озер (рис. 1, табл. 1). Полихет или сразу после отбора фиксировали 70%-м этанолом, или доставляли в лабораторию Лимнологического института живыми. Видовое определение проводили, сравнивая особей с типовыми экземплярами, хранящимися в коллекции ЛИН. Выделение ДНК, амплификация и секвенирование Суммарную ДНК выделяли из целых червей с использованием CTAB-содержащего буфера по модифицированному методу Дойла-Диксон (Doyle et al., 1987). Амплификацию фрагментов ДНК проводили с помощью набора Амплисенс-200-1 (ПЦР-тест-системы ЦНИИ Эпидемиологии РФ). Для амплификации фрагмента гена COI мы использовали универсальные для беспозвоночных праймеры L1490 5'-ggtcaacaaatcataaagatattgg-3' и H2198 5'-taaacttcagggtgaccaaaaaatca-3' (Folmer, et. al., 1994). Все праймеры были синтезированы ЗАО «Синтол». Программа для амплификации фрагмента гена СО1 состояла из преденатурации (95 °C/2 мин) и 35 циклов. Температурный режим каждого цикла: денатурация - 94 °C/40 с, отжиг - 45 °C/40 с и элогнация - 72 °C/1,2 мин. В последнем цикле элогнация продлена на 2 минуты. Результаты реакции проверяли в 1%-м агарозном геле, окрашенном бромистым этидием, в трис- ЭДTA-боратном буфере (Maniatis et al., 1982). Очистку ампликонов проводили методом вымораживания из агарозы (Л. А. Остерман, 1981). Секвенирование двухцепоцечных продуктов амплификации выполняли в Новосибирске в Межинститутском Центре Секвенирования ДНК (http://sequest.niboch.nsc.ru). Все последовательности задепонированы в GenBank под номерами AJ428405, AJ428406 и KF289840 - KF289900. Филогенетический анализ Филогенетическое древо, укорененное по средней точке и представленное на рисунке 2, было построено с помощью программы MrBayes ver 3.2.1 байесовским методом (Ronquist et. al., 2012). Модель нуклеотидных замен - GTR+I+Г - была выбрана программой jModelTest Vers. 0.1 (Posada, 2008), однако коэффициенты модели оценивали с помощью MrBayes, nsteps = 1 000 000, nruns = 8, nchains = 4, с помощью определения максимума распределение функции правдоподобия оценивали алогритмом ss (stepping-stone) (Xie et al., 2011) (50 проб). Гипотезу строгих молекулярных часов оценивали, сравнивая распределения значений функции правдоподобия, полученные в предположении молекулярных часов и без этого предположения. В качестве исходной приблизительной калибровки молекулярных часов использовали значение 1,7 % замен за миллион лет (Wilke at al., 2009), которую затем корректировали с помощью известных датировок геологических событий (см. «Результаты и обсуждение»). В этой работе Вильке подробно рассматриваются молекулярные часы, проблемы, связанные с их калибровкой, а также приводятся скорректированные скорости молекулярных часов для различных групп беспозвоночных животных (в том числе и для аннелид) при разных моделях замен. Тест на монофилетичность Статистическую оценку гипотез о монофилетичности соответствующих видов клад на филогенетическом дереве тестировали, определяя соотношение функций правдоподобия для сравниваемых гипотез (монофилетичности и полифилетичности) (табл. 3) с помощью программы mrBayes версии 3.2.1 (Ronquist et al. 2012). Для этой цели в процессе поиска наилучшего дерева использовали два типа ограничений на топологию: в одном случае программа строила только те деревья, на которых испытуемая группа была представлена единственной кладой, в другом - только деревья, где представители этой группы входили в несколько отдельных ветвей. Образцы из цепей симуляций отбирали с помощью ss (stepping-stone) метода, разницу показателей функции правдоподобия сравнивали с таблицей 3 для определения степени предпочтения одной из гипотез. Нуклеотидное разнообразие, гаплотипы и критерий Таджимы были посчитаны с помощью программы R (http://www.R-project.org/), для подсчета остальных параметров использовали программу MEGA 5.1 (Tamura et al., 2011) (табл. 2). Результаты и обсуждение Сравнение 62 нуклеотидных последовательностей фрагмента гена СО1 длиной 519 п. н., определенных для полихет, принадлежащих 3 байкальским видам - Manayunkia godlewskii (MG, 20 последовательностей), M. zenkewitschii (MZ, 21 последовательность) и M. baicalensis (MB, 7 последовательностей), а также для полихет из бассейна р. Колымы - M. sp (MK, 6 последовательностей) и полихет из Баунтовских озер (MBt, 8 последовательностей) (рис. 1) показало, что степень изменчивости этого фрагмента вполне достаточна для высоко разрешающего филогенетического анализа как в целом, так и на внутригрупповом уровне. Значения критерия Таджимы D (Tajima, F., 1989) (табл. 3) указывают на отсутствие факторов, которые могли бы существенно исказить топологию дерева, а также на очень малую вероятность резких демографических колебаний в истории всех исследованных групп полихет. Филогенетическое древо Филогенетический анализ байесовским методом (см. «Материалы и методы»), где в политомии объединяли узлы с апостериорной вероятностью менее 0,5, позволил получить филогенетическое древо, представленное на рисунке 2. Это древо можно условно подразделить на пять клад. Для того чтобы укоренить дерево, в качестве аутгруппы использовали «колымских» полихет. Они оказываются внешней группой и при укоренении древа «по средней точке» (Rambaut, 2006-2012, http://tree.bio.ed.ac.uk/) во всех случаях, и при использовании гипотезы молекулярных часов, и в отсутствии ее. Необходимо отметить, что разбиение дерева на отдельные клады в тех случаях, когда постериорные вероятности этих клад были относительно невелики, основывается на результатах сравнения гипотез о монофилетичености (Н1) и полифилетичности (Н2) с помощью байесовского отношения шансов (см. ниже). Этот подход представляется наиболее обоснованным, поскольку наиболее полным образом использует всю информацию о молекулярном разнообразии организмов, тем более это важно в случае столь бедных с морфологической точки зрения организмов как манаюнкии. В первую кладу от корня, следовательно, входят последовательности, принадлежащие дальневосточным полихетам из бассейна реки Колымы. Во вторую (первую среди байкальских) - одна последовательность, принадлежащая виду M. baicalensis (точка «Большое Голоустное»). В третью кладу также входят последовательности, принадлежащие виду M. baicalensis, которые распадаются на две клады, соответствующие точкам сбора - «Б. Голоустное» (4 шт.) и «о. Ольхон» (2 шт.). Следовательно, если предполагать, что движущей силой диверсификации Manayunkia в Байкале была их специализация к субстрату, то получается, что наиболее древними являются обитатели песчаного грунта, ставшие предками вначале для населяющих каменистые грунты M. zenkewitschii, от которых, в свою очередь, произошли населяющие илистые грунты M. godlewskii. Клада M. baicalensis дает начало двум крупным кладам, 4 и 5 (рис. 2). Все последовательности в кладе 4 принадлежат виду M. zenkewitschii. В общем, она распадается на четыре клады, объединенные по две. Из всех последовательностей M. zenkewitschii четко группируются по точкам сбора только образцы, собранные в районе «Ушканьи о-ва» и «Мужинай». Образцы из точек «Березовый - Б. Коты» оказались перемешаны между собой и попали в разные, довольно далеко отстоящие друг от друга клады. В кладу 5 также вошли 2 последовательности, принадлежащие виду M. zenkewitschii, собранному на Ушканьих островах, которые на древе оказались ближе к виду M. godlewskii и выглядят сестринской группой по отношению к нему. В данном случае, возможно, что эти полихеты могут принадлежать к ранее неизвестному для науки виду, однако подтверждение предположения о новом виде требует подробного анализа морфологии полихет Ушканьих островов. Последовательности M. godlewskii распадаются на две клады, которые четко группируются по точкам сбора «б. Песчаная», «Ольхон», «Б. Коты» и «Березовый». Таким образом, распределение гаплотипов байкальских манаюнкий соответствует точкам сбора, что объясняется очень маленькой способностью этих полихет к распространению. Интересно, какая-либо зависимость генетического расстояния между особями из разных станций и географическим расстоянием между этими станциями отсутствует. Это обстоятельство, а также существование «составных» групп полихет (Б. Коты-мыс Березовый) позволяет сделать предположение о том, что существование и распространение их в Байкале подчиняется закономерностям метапопуляций, когда каждую из колоний основывает очень маленькая группа особей, и после определенного относительно короткого периода процветания колония исчезает. Полихеты из оз. Баунт, расположенного к северо-востоку от Байкала и в настоящее время никак с ним не связанного, на древе составляют внутреннюю группу по отношению к обитающей на иле M. godlewskii. Такое положение баунтовских полихет может свидетельствовать об их принадлежности к M. godlewskii. Однако, их таксономическое положение нельзя считать определенным, поскольку при их проникновении в баунтовские озера произошла смена субстрата, что, судя по важной роли субстратных предпочтений для видообразования в Байкале, может указывать на аллопатрическое видообразование. Более полный ответ на вопрос о таксономическом статусе баунтовских полихет может быть получен только в результате дополнительных исследований, однако можно считать доказанным их байкальское происхождение. Описанное выше отсутствие чёткой зависимости между географическими дистанциями и генетической близостью образцов из достаточно удаленных байкальских станций можно рассматривать как свидетельство отсутствия следов пространственной изоляции между предками современных байкальских видов. Следовательно, это - аргумент в пользу гипотезы о симпатрическом механизме видообразования полихет в Байкале. Поэтому принципиальную важность приобретает вопрос о монофилетичности байкальских видов. В том случае, если это предположение отвергается, остается предполагать делокализованный район разобщающих процессов, что объяснило бы наличие унаследованного полиморфизма. В качестве критерия монофилетичности образцов, принадлежащих к определенному виду, использовали отношение шансов (логарифмов значений оценок максимального правдоподобия), полученное с помощью программы mrBayes v. 3.2.1 в одном случае - при оценке только деревьев, содержавших испытуемую группу в составе единой клады (эта клада могла содержать и другие элементы), в втором все деревья, которые содержат хотя бы один элемент группы в составе другой клады. Результаты применения этой процедуры суммированы в таблице 3. Значения отношения логарифмов L, превышающие 4, считаются решающей статистической поддержкой той гипотезы, для которой значение L больше (Ronquist F. et al, 2012). В нашем случае это - гипотеза о монофилетичности байкальских видов. Это означает, что наличие унаследованного полиморфизма не подтверждается, наоборот, достоверно более вероятным является предположение об эффекте основателя. Тот факт, что гипотеза молекулярных часов достоверно подтверждается для набора последовательностей СО1, использованного в настоящей работе, позволяет восстановить порядок видообразовательных и/или миграционных событий, сравнив гипотезы о монофилетичности байкальских видов и о порядке их дивергенции с альтернативными гипотезами с помощью байесовского отношения шансов (Ronquist et al., 2012). История расселения манаюнкии М. М. Кожов (Кожов, 1962) приводит несколько мнений о происхождении и расселении рода Manayunkia: 1) по мнению Берга, Manayunkia - древний (третичный) абориген пресных и внутренних солоноватых вод, откуда они могли расселиться в прибрежные части морей; 2) Зенкевич (1935) считал, что род Manayunkia мог сформироваться в центрально-азиатских третичных внутренних морях, откуда он распространился на север и достиг Байкала; 3) Верещагин (1940) также считал, что это древний род, и ранее он был распространен вдоль берегов мирового океана. Manayunkia проникла в Байкал вместе с водами, преемственно связанными с водоемами морского реликтового происхождения. Исходя из полученных данных (рис. 2), наиболее вероятным путем проникновения манаюнкии в Байкал можно считать Лену, потому что, согласно геологическим данным, сток вод Байкала в бассейн Лены через Праманзурку осуществлялся в позднем плиоцене - раннем неоплейстоцене (2-0,5 млн л. н). В среднем-позднем неоплейстоцене (0,5-0,3 млн л. н.), в связи с поднятием западного борта Байкальской впадины (приморская фаза тектогенеза), Ленский канал стока был прерван с образованием нового Култучно-Иркутного стока в систему реки Енисей. Этот канал стока просуществовал недолго и прекратил свое существование во второй половине позднего неоплейстоцена в связи с формированием современного Ангарского стока (40- 60 тыс. л. н.) (Мац, 2001, 2002). Кроме того, по мнению ряда авторов (Кожов, 1962, Ламакин, 1952), в середине четвертичного периода (300-100 т. л. н.) мог существовать предполагаемый сток вод Байкала в северо-восточном направлении в бассейн Витима и Лены через систему впадин - Баргузинскую, Муйскую, Чарскую, что, скорее всего, объясняет проникновение манаюнкии в Баунтовские озера.

About the authors

Tatyana Anatolyevna Pudovkina

Limnological Institute, Siberian Division, Russian Academy of Sciences

Email: tap77@rambler.ru
engineer. Laboratory of Molecular Systematics

Tatyana Yakovlevna Sitnikova

Limnological Institute, Siberian Division, Russian Academy of Sciences

dr., senior researcher. Laboratory of Biology of aquatic invertebrates

Arkadiy Nikolayevich Matveyev

Irkutsk State University

dr., professor. Head of Department of Biology and Soil Sciences

Dmitriy Yuryevich Shcherbakov

Limnological Institute, Siberian Division, Russian Academy of Sciences

Email: sherb@lin.irk.ru
Head of Laboratory of Molecular Systematics

References

Supplementary files