close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Реконструкция филогении по молекулярно-генетическим данным для таксонов Onuphidae (Annelida) Nannopus и Portunoidea (Crustacea)

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ЩЕПЕТОВ Дмитрий Михайлович
РЕКОНСТРУКЦИЯ ФИЛОГЕНИИ ПО МОЛЕКУЛЯРНОГЕНЕТИЧЕСКИМ ДАННЫМ ДЛЯ ТАКСОНОВ ONUPHIDAE
(ANNELIDA), NANNOPUS И PORTUNOIDEA (CRUSTACEA)
03.02.07 – генетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата биологических наук
Москва
2017
Работа выполнена в лаборатории эволюционной биологии развития
федерального государственного бюджетного учреждения науки
Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН
Научный руководитель:
кандидат биологических наук
МЮГЕ Николай Сергеевич
Официальные
оппоненты:
доктор биологических наук
ВЕДЕНИНА Варвара Юрьевна
и.о. заведующего лабораторией обработки
сенсорной информации федерального
государственного бюджетного учреждения науки
Института проблем передачи информации РАН
им. А.А. Харкевича
кандидат биологических наук
БЕККЕР Евгения Игоревна
научный сотрудник лаборатории экологии водных
сообществ и инвазий федерального
государственного бюджетного учреждения науки
Института проблем экологии и эволюции
им. А.Н. Северцова Российской академии наук
Ведущая организация:
Южный научный центр Российской академии наук
Защита состоится «___» ____________ 2018 г. в ___ часов на заседании
диссертационного совета Д 002.238.01 в Институте биологии развития им. Н.К.
Кольцова РАН по адресу: 119334, Москва, ул. Вавилова, д. 26.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института
биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН: http://idbras.ru/.
Автореферат разослан «___» ____________ 2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат биологических наук
О.В. Бойко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Для современной биологии переосмысление системы органического мира
в свете филогенетической систематики является задачей, важность которой
сложно переоценить. Проблема делимитации таксономических единиц и
аргументированного выбора между существующими гипотезами филогенеза
групп организмов не теряет своей значимости в течение многих десятилетий.
Методология решения возникающих при этом противоречий крайне важна как
при проведении таксономических ревизий, так и в ходе опирающихся на них
исследований разного профиля.
Внедрение
новейших
методов
исследования
последовательностей
нуклеиновых кислот (как фрагментов отдельных генов, так и полных геномов) в
совокупности с передовыми достижениями микроскопии, применёнными к
исследованию морфологии, приводит к стремительному накоплению данных и
гипотез, их объясняющих, которые требуют корректного сравнительного
анализа.
В
большинстве
случаев
филогенетические
реконструкции,
основывающиеся на данных о последовательностях ДНК, позволяют разрешить
многие существующие таксономические вопросы, давая возможность выбрать
из существующих гипотез более вероятную, что, в свою очередь, завершает
дискуссии, длящиеся, в отдельных случаях, многие годы (Aleshin et al., 2009).
Тем не менее, постоянно появляются новые случаи, показывающие, что
реконструкции, опирающиеся на данные по структуре и изменчивости
последовательностей различной локализации, могут быть не конгруэнтны. Это,
в свою очередь, может быть обусловлено неравномерностью перестроек в
различных филогенетических линиях и клеточных компартментах (ядро,
митохондрии, пластиды) (Farré et al., 2015).
Часто скорости накопления изменений в маркерах разного уровня
различаются в соответствии с их структурной сложностью и адаптивностью.
3
Закономерности
закрепления
мутаций,
в
свою
очередь,
определяются
различными типами наследования. Однако в части случаев несоответствия
могут быть вызваны и методологическими ошибками исследования.
Таким образом, во многих случаях важна оценка возможной степени
внутренней противоречивости полученных реконструкций филогении, а также
её возможных несоответствий существующей таксономии. Использование
признаков, проявления которых изменяются с разной скоростью, значительно
усложняет реконструкцию филогенетических отношений и таксономическую
интерпретацию результатов. Одна из интересных задач эволюционной биологии
- выявление и анализ такого рода противоречий.
Для современной биологии необходима разработка протоколов работы с
молекулярно-генетическими
данными,
которые
позволяют
получать
непротиворечивые результаты, легко сравнимые между собой и удобные для
сведения воедино из различных независимых исследований. Без этого
применение современных и вновь возникающих методов приведёт к
накоплению трудно сопоставимых данных, корректный комбинированный
анализ которых будет чрезмерно труден или вовсе невозможен.
Цели и задачи
Целью настоящего исследования является уточнение филогенетических
связей при таксономической ревизии ряда групп филогенетически далёких
животных,
на
основе
анализа
изменчивости
генетических
маркеров
(фрагментов нуклеотидных последовательностей митохондриальной и ядерной
ДНК) в соотнесении с особенностями их морфологии.
Для этого поставлены следующие задачи:
1. Получить набор молекулярно-генетических данных, необходимых для
анализа скрытого разнообразия и филогенетических отношений в
таксонах Onuphidae Kinberg, 1865 (Eunicida, Annelida), Nannopus Brady,
1880 (Harpacticoida, Arthropoda) и Portunoidea Rafinesque, 1815 (Decapoda,
Arthropoda).
4
2. Провести оценку соответствия уровней таксономических рангов для
подтаксонов Onuphidae и Portunoidea на основе полученных молекулярногенетических данных.
3. Провести анализ и обосновать необходимость ревизии таксономии
Onuphidae, Nannopus и Portunoidea в соответствии с реконструированной
филогенией.
4. Обосновать целесообразность переоценки веса признаков, традиционно
используемых для систематики в таксономических группах Onuphidae,
Nannopus и Portunoidea.
Научная новизна
Проведён анализ соответствия существующей таксономии и системы для
четырёх групп неблизкородственных беспозвоночных животных (Onuphidae,
Nannopus и Portunoidea) реконструкциям их филогении, основанным на
молекулярно-генетических
данных.
Выявлено
скрытое
генетическое
разнообразие, способное служить основанием для выделения ряда новых
таксонов или ревизии уже существующих. Найдены консенсусные решения для
соотнесения
генетических
и
морфологических
данных
для
четырёх
вышеперечисленных групп.
Теоретическая и практическая значимость работы
Показана необходимость разработки методических подходов к анализу
молекулярно-генетических данных, которые позволяют сравнивать данные
разного типа и получать консенсусные решения. Для трёх немодельных групп
животных обоснованы изменения таксономии по сравнению с ранее
существовавшей. Это имеет как фундаментальное значение (расширение
представлений об эволюции и разнообразии органического мира), так и
практическое применение: возможность оценки экологического статуса видов,
мониторинга окружающей среды.
5
Апробация работы
Результаты отдельных исследований, вошедших в состав работы, были
представлены и обсуждены на конференции молодых учёных ИБР РАН
(Москва, 2012) и International Biogeography Society 6th Biennial Meeting (Miami,
USA 2013).
Результаты работы в полном объёме были доложены на заседании
объединённого семинара генетических лабораторий ИБР РАН 29 ноября 2017
года.
Личное участие автора
Непосредственно
осуществлена
автором
получены
биоинформатическая
часть
последовательности
ДНК
работы:
данных,
обработка
и
выравнивание последовательностей, реконструкция филогений и оценка
достоверности полученных реконструкций.
Автор лично участвовал в
планировании и проведении экспериментов, а также подготовке и написании
публикаций на основе результатов описываемых исследований.
Публикации
По
теме
диссертации
опубликовано
3
статьи
в
международных
рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и
методов исследования, результатов, обсуждения
результатов, заключения,
выводов и списка литературы, включающего 143 источника. Работа изложена на
101 странице машинописного текста, содержит 8 рисунков и 10 таблиц.
6
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
В качестве основных групп организмов для проведения данного
исследования были выбраны представители трёх филогенетически удалённых
групп в составе Polychaeta и Crustacea. Такой выбор позволяет охватить
значительную часть известного разнообразия Triploblastica, существующего за
пределами хорошо изученных в этом отношении Deuterostomia.
Исходный материал для исследований взят из музейных или личных
коллекций,
посвящённых
соответствующим
группам
животных.
Ниже
представлена информация об образцах, использованных в дальнейшем
выделении и анализе ДНК.
Кроме оригинальных данных, полученных из материала, собранного для
каждого из исследований, в реконструкциях использованы данные для
соответствующих локусов изученных групп, депонированные в открытых базах
данных
NCBI
GeneBank
и
EMBL
ENA.
Отбор
заимствованных
последовательностей произведён с учётом их аннотации и дополнительной
проверкой на принадлежность депонированной последовательности заявленной
группе организмов и локусу.
Выделение ДНК проводилось из спиртовых проб. Для выделения
использовался фрагмент тканей весом около 10мг или весь образец целиком
(для
мелких
животных),
согласно
протоколу
производителя
набора
(использовались Qiagen DNeasy Blood and Tissue Kit, Diatom™ DNA Prep 100
kit, QIAGEN BioSprint 96) или методике, описанной в соответствующих статьях
(Aljanabi and Martinez, 1997; Schizas et al., 1997).
Для
амплификации
соответствующих
целевых
фрагментов
ДНК
использованы следующие праймеры: 16S arL CGC CTG TTT AAC AAA AAC
AT (Palumbi et al. 1996), 16S-OnuR GTC TGA ACT CAG CTC ACG TAG G
(Оригинальная разработка) Onu_16S_F1_M13 TGT AAA ACG ACG GCC AGT
CTG TTT AMC AAA AAC ATH GCC T (Оригинальная разработка)
Onu_16S_R1_M13 CAG GAA ACA GCT ATG ACG CTT ACG CCG GTC TGA
7
ACT CAG (Оригинальная разработка) 18e CTG GTT GAT CCT GCC AGT (Hillis
and Dixon 1991) 18L GAA TTA CCG CGG CTG CTG GCA CC (Hillis and Dixon
1991) 18F509 CCC CGT AAT TGG AAT GAG TAC A (Struck et al., 2002) 18R
GTC CCC TTC CGT CAA TTY CTT TAA G (Hillis and Dixon 1991) 18F997 TTC
GAA GAC GAT CAG ATA CCG (Struck et al., 2002) 18R1843 GA TCC AAG CTT
GAT CCT TCT GCA GGT TCA CCT AC (Elwood et al., 1985) LCO 1490 GGT
CAA CAA ATC ATA AAG ATA TTG G (Folmer et al., 1994) HCO 2198 TAA ACT
TCA GGG TGA CCA AAA ATC A (Folmer et al., 1994) H3 AF ATG GCT CGT
ACC AAG CAG ACV GC (Colgan et al., 1998) H3 AR ATA TCC TTR GGC ATR
ATR GTG AC (Colgan et al., 1998) 28S D3A GAC CCG TCT TGA AAC ACG GA
(Litvaitis et al., 1994) 28S D3B TCG GAA GGA ACC AGC TAC TA (Litvaitis et
al., 1994) 28S C1 ACC CGC TGA ATT TAA GCA T (Le et al., 1993) 28S C2 TGA
ACT CTC TCT TCA AAG TTC TTT TC (Le et al., 1993) cytb424 GGW TAY GTW
YTW CCW TGR GGW CAR AT (Staton et al., 2005) cytb876 GCR TAW GCR
AAW ARR AAR TAYCAY TCW G (Staton et al., 2005). Амплификация
проводилась по программам, составленным в соответствии с температурами
плавления используемых праймеров и длинны ампликона. Постановка реакций
проводилась в изолированных ПЦР-боксах с помощью дозаторов со сменными
наконечниками, после стерилизации рабочих поверхностей ультрафиолетовым
излучением. Собственно реакции проходили в амплификаторе Veriti® Thermal
Cycler (Applied Biosystems, Perkin–Elmer Corporation, Foster City, CA, USA).
Качество полученных продуктов оценивалось методом гель-электрофореза в
агарозном геле.
Последовательность для обеих цепей считывалась с помощью набора для
определения последовательности Big Dye v3.1 Applied Biosystems по
программе: 1 цикл 94оС/90 секунд; 35 циклов (94оС/10 секунд, 50оС/5 секунд,
72оС/4 минут). Реакции секвенирования очищали спиртовым переосаждением
смесью AcNH4 5M 0.9мкл + H2O 7.7мкл + EtOH 96° 50мкл. Результаты реакции
секвенирования анализировали с помощью капиллярного гель электрофореза на
базе генетического анализатора ABI 3500 (Applied Biosystems).
8
Полученные последовательности выравнивались алгоритмом MUSCLE
(Edgar et al., 2004), в его реализации в программном пакете MEGA5(Tamura et
al., 2011) или UGENE (Okonechnikov et al., 2012). В случаях, когда сильная
дивергенция
последовательностей
рибосомальной
ДНК
препятствовала
получению качественного выравнивания, использовался алгоритм
выявляющий
и
удаляющий
неинформативные
части
Gblocks,
выровненных
последовательностей.
Для реконструкции филогенетических отношений изучаемых образцов
использованы
алгоритмы
максимального
правдоподобия
(Yang,
1996),
реализованный в программе Garli (Zwickl, 2006) с последующей обработкой с
помощью
пакета
DendroPy
(Sukumaran
и
Holder,
2010).
В
качестве
альтернативного метода использовалось построение реконструкции филогении
методом байесовской оценки обратной вероятности, в программе MrBayes
(Ronquist and Huelsenbeck, 2003), с последующей оценкой качества результатов
в программе Tracer (Rambaut and Drummond, 2007).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для настоящей работы основным результатом служат полученные и
депонированные в открытые базы данных (NCBI GenBank) последовательности
ДНК, произведённые с их помощью реконструкции филогенетических
отношений на основе данных генетического анализа, поддерживающие ревизии
таксонов, и следующие из этих ревизий степени изменения таксономии. Таким
образом, имеющаяся в исходных работах фаунистическая и зоологические
части исследований остаются за рамками данной работы и не приводятся как её
результат.
Для реконструкции филогенетических отношений в группе Onuphidae
получены
40
фрагментов
последовательности
митохондриальной
рибосомальной ДНК малой субъединицы митохондриальной рибосомы (16S) и
43 фрагментов последовательности ядерной рибосомальной ДНК малой
субъединицы рибосомы (18S).
Показано, что Onuphidae, скорее всего, являются монофилетическим
9
таксоном и представляют собой сестринскую группу монофилетических
Eunicidae (Рис. 1), с которыми, в свою очередь образуют высокоподдержаную
кладу. Короткие длины ветвей как у Onuphidae, так и у Eunicidae полученные в
наших реконструкциях совпадают с аналогичным результатом полученным
другими авторами ранее (Zanol et al., 2010). Несмотря на то что
филогенетические отношения между другими семействами выходят за рамки
настоящего исследования, наши результаты подтверждают реконструкцию,
построенную ранее на основе анализа нескольких генов (Struck et al., 2006).
Наша филогенетическая реконструкция, основанная на молекулярных данных,
убедительно
поддерживает
систематическую
реорганизацию
Onuphidae,
предложенную (Paxton, 1986Б) на основе морфологических признаков. Два
обозначенных подсемейства, Hyalinoeciinae и Onuphinae, соответствуют
монофилетическим кладам реконструкции. Принадлежность всех родов
Onuphidae к двум подсемействам, предложенным (Paxton, 1986Б), полностью
поддерживается. Ограниченный выбор видов ряда тестируемых родов не
позволяет сделать выводы об их монофилии. Тем не менее, десять из
четырнадцати проанализированных родов образуют компактные группы с
поддержкой высоких узлов, что является убедительным доказательством их
монофилетического статуса.
Рис. 1. Обобщение реконструкции филогении Onuphidae. Заливкой выделены
высоко
поддержанные
клады,
соответствующие
подсемействам;
прямоугольниками отмечены монофилитические группы родов.
10
В рамках исследования скрытой изменчивости вида Nannopus palustris
получен
31
новый
рибосомальной
образец
ДНК
последовательности
большой
фрагмента
фрагмента
ядерной
субъединицы
последовательности
рибосомы
митохондриального
гена,
(28S)
и
24
кодирующего
цитохром Б (cytb).
По результатам проведённых реконструкций (Рис. 2), наши данные
подтверждают значительную генетическую гетерогенность среди различных
популяций Nannopus. Филогенетические деревья, основанные как на данных по
митохондриальной ДНК (cytb), так и на 28S рДНК, ясно указывают на то, что
образцы из WS (NS + BS), а также SC straight и SC notched морфы относятся к
отдельным кладам.
Популяции BS и NS, имеют как генетические различия по обоим
исследованным локусам, такие, как если бы это был единый отдельный
гомогенный вид. Они не проявляют выраженной дивергенции ядерных генов, а
расхождение их последовательностей cytb (20%) довольно высоко, но при этом
находится в диапазоне внутривидового уровня, характерного для копепод. Этот
кластер BS + NS наиболее близко напоминает популяционную группировку
Северной Каролины (SC), особенно ядерными генами; хотя разница между
ними в митохондриальном гене cytb весьма значительна. Таким образом, узел,
разделяющий
кластеры
BS
+
NS
и
SC,
можно
рассматривать
как
соответствующий начальной стадии расхождения этих групп.
Клады WS и Straight SC генетически отдалены, уровни дивергенции
последовательностей среди этих клад довольно большие (в диапазоне 44-78%
для митохондриальных последовательностей и до 4,29% для ядерных). Эти
значения значительно превышают уровни внутривидовых расхождений,
зарегистрированных для копепод и других таксонов беспозвоночных - 17-27%
для митохондрий и 2-4% для ядерных генов (Burton и Lee, 1994; Schizas et al.,
1999; Rocha-Olivares et al., 2001; Derycke et al., 2007).
Показатели
дивергенции,
полученные
для
нуклеотидных
последовательностей гена cytb, оказались неожиданно высоки. Одно из
11
возможных объяснений заключается в том, что некоторые неортологичные
копии генов были амплифицированы вместо мтДНК. Однако существуют
весьма существенные аргументы в пользу того, что в данном случае эта
изменчивость
не
обусловлена
наличием
псевдогена.
Во
всех
последовательностях рамка считывания не нарушена, большинство замен
находится в третьей позиции кодонов, а предсказанные белки имели в своём
составе все характерные мотивы надсемейства cytb (N-конец) / b6 / petB,
расхождения последовательностей для обычно более консервативных 28S также
были довольно высокими, по крайней мере, для кластера WS. Два набора
последовательностей BS, полученные независимо в двух разных лабораториях
из разных образцов, конгруэнтны друг другу (для cytb) или идеально совпадают
(для последовательностей rDNA).
Рис. 2. Обобщение реконструкции филогенетических отношений внутри
Nannopus palustris.
В рамках реконструкции филогенетических отношений в группе крабов
Portunoidea получены 18 новых последовательностей фрагмента ядерного гена,
кодирующего
гистон
3
(H3),
16
12
последовательностей
фрагмента
митохондриального
гена,
кодирующего
первую
субъединицу
цитохром
оксидазы (COI) и 17 фрагментов последовательности ядерной рибосомальной
ДНК большой субъединицы рибосомы (28S).
По результатам проведенных реконструкций, группа Portunoidea включает
морфологически разнообразные таксоны, которые связаны филогенетически, но
отношения между их основными линиями еще не полностью решены.
Рис. 3. Обобщение реконструкции филогении Portunoidea. Заливкой выделены
высоко поддержанная клада, соответствующая семейству Portunidae, пунктиром
прочие Portunoidea, филогенетические отношения которых остаются
неразрешенными.
В отличие от предыдущих исследований, результаты настоящей работы
включают данные по изменчивости гена H3 и более широкий диапазон
таксонов Heterotremata. Тем не менее, существовавшие ранее соображения о
близости отдельных таксонов внутри группы Portunoidea, или всей группы в
целом к тем или иным таксонам, составляющим Heterotremata, не находят
подтверждения в результатах полученной реконструкции. Кроме того, в отличие
13
от ранее полученных результатов (Schubart and Reuschel 2009), наша
реконструкция не оказала необходимой поддержки монофилии Portunoidea
sensu lato, что указывает на наличие нескольких основных линий внутри
таксона, то есть Portunidae sensu stricto, Polybiidae + Thiidae + Carcinidae +
Pirimelidae, Benthochascon + Geryonidae и Ovalipes.
ОБСУЖДЕНИЕ
В ряде групп животных крайне затруднены точное измерение и
характеристика морфологических признаков, что обусловлено небольшим
количеством структур, сохраняющих стабильные размеры при фиксации. Часто
это приводит к невозможности обнаружить скрытое разнообразие методами
традиционной морфологической систематики. В результате признаки, оценка
которых может быть сильно субъективизирована (цвет и тому подобное)
принимаются по умолчанию за зависимые от внешних условий (базы питания)
в рамках внутривидовой нормы реакции. Аналогичная проблема возникает с
организмами
небольшого
размера,
затрудняющего
прямое
изучение
морфологии - микроскопическими нематодами, ракообразными и некоторыми
другими
группами.
Исследования,
основанные
на
данных
о
последовательностях ДНК, не имеют вышеуказанного недостатка и позволяют
выявлять скрытое разнообразие среди изучаемых образцов с высоким уровнем
достоверности.
В исследованиях, являющихся предметом настоящего обсуждения,
показано колоссальное скрытое разнообразие мейобентосных гарпактицид из
рода Nannopus, превышающее первоначальную гипотезу о различии двух
морфологических морф внутри рода и показывающее наличие нескольких
обособленных групп у организмов, исходно отнесённых к одному виду. При
этом популяции BS и NS, по ядерному маркеру идентичны, а по cytb имеют
различия, характерные для внутривидового уровня.
С момента широкого внедрения методов молекулярной филогенетики в
таксономические исследования для многих таксонов различного ранга показана
14
несостоятельность существовавшей ранее таксономии. В этой связи особенно
важны и интересны случаи подтверждения существующей таксономии и
представлений о родстве внутри отдельных групп организмов.
Показано, что Onuphidae является монофилетическим таксоном с
сестринской группой Eunicidae. Наблюдаемые на реконструкции клады
соответствуют подсемействам и родам Onuphidae, предложенным (Paxton,
1986Б), что значимо поддерживается молекулярными данными.
Подсемейство
Hyalinoeciinae соответствует на реконструированной
филогении хорошо отделяемой от остальных Onuphidae кладе и включает
монофилитические клады, соответствующие родам
Nothria, Hyalinoecia и
Leptoecia.
Внутри Onuphinae была обнаружена хорошо поддержанная клада,
состоящая из четырёх родов (Aponuphis, Onuphis, Diopatra, Paradiopatra), что
хорошо соотносится с более ранними исследованиями. Связь между Onuphis,
Diopatra и Paradiopatra также была ранее описана (Zanol et al. 2010).
Базальное положение Mooreonuphis внутри Onuphinae также было
предложено на основе молекулярных данных (Zanol et al., 2010). Однако
исследование Жанол с соавторами было сосредоточено на филогении семейства
Eunicidae и включало в себя только несколько представителей онуфид.
Ограниченная выборка таксонов, возможно, могла привести к низкой
поддержке позиции Mooreonuphis или к его неправильному расположению.
Paxtonia род, исходно описанный как часть комплекса видов Diopatra по
результатам настоящей реконструкции является сестринской группой к кладе
состоящей из Kinbergonuphis и Mooreonuphis. Эти данные подтверждают
справедливость родового статуса для Paxtonia.
В случае Portunoidea показано, что Portunidae sensu stricto в обеих
полученных нами реконструкциях, разрешённая монофилетическая клада с
высокой поддержкой хотя бы по одному из методов.
Монофилии
некоторых
традиционно
выделяемых
подтаксонов
семейства (Podophthalminae, Thalamitinae) и менее часто распознаваемые
15
группы (Lupocyclinae) также поддерживаются молекулярными филогениями,
дающими
клады,
согласующиеся
с
выделенными
ранее
для
них
морфологическими синапоморфиями. Другие таксоны, т. e. Carupinae sensu lato
(включая
Catoptrinae),
Caphyrinae,
Necronectinae,
вероятно,
являются
естественными группами, но их статус и состав нуждаются в повторной оценке,
так же, как и положение Achlousous, Monomia + Cycloachelous и различных
групп Xiphonectes. Уточнение этих конкретных вопросов наряду с общей
проблемой монофилии Portunoidea и статусом их таксонов incertae sedis
является задачей дальнейший исследований по молекулярной филогенетике с
использованием более широкого диапазона генов и видов, которые необходимо
сочетать со сравнительным анализом морфологии взрослых сохранившихся и
ископаемых форм и онтогенетических моделей.
Таксономические ревизии, проведённые различным специалистами,
занимающимися
определённой
группой,
нередко
оказываются
противоречащими друг другу. В этой связи важно подкреплять предлагаемые
изменения данными о филогении группы, так как такой подход исключает
субъективность использованных для разделения таксонов оснований. Также
значимо и эффективно использование максимально объективных и не
зависящих от исследователя критериев делимитации таксонов.
Для Onuphidae отношения родов внутри Hyalinoeciinae не разрешены
достоверно, что свидетельствует о недостаточности имеющегося материала.
Рода Nothria, Hyalinoecia (sensu Paxton, 1986Б) и Leptoecia, при этом
соответствуют высоко поддержанным на реконструкции кладам. Тем не менее,
несмотря на то, что Hyalinoecia и Leptoecia имеют ряд морфологических
признаков, ранее интерпретированных как синапоморфные, гипотеза об их
сестринских отношениях не подтверждена. Для определения взаимоотношений
внутри Hyalinoeciinae требуется дополнительная выборка таксонов и анализ
других генетических маркеров.
Гипотезы о межродовых отношениях внутри Onuphinae, основанные на
морфологических данных, в значительной степени отвергаются или не
16
разрешаются с использованием доступных на настоящее время генетических
данных и требуют пересмотра или дополнительных исследований. Принятое
разделение Onuphinae на группу родов Diopatra и группу родов Onuphis (Paxton,
1986Б) не было поддержано нашими результатами. Onuphis, Kinbergonuphis и
Mooreonuphis традиционно считаются близкородственными родами, исходя из
особенностей их морфологии и сходных крайне небольших размеров тела.
(Fauchald, 1982; Paxton, 1986Б). Пакстон помещала их вместе с Heptaceras в
виде базальных родов в Onuphinae с производной кладой, объединяющей
комплекс родов Australonuphis (включая Australonufhis, Hirsutonuphis и
Hartmanonuphis). Наши результаты опровергли гипотезу о сестринских
отношениях
между
Onuphis
и
кладой,
состоящей
из
Hirsutonuphis,
Kinbergonuphis, Mooreonuphis. Mooreonuphis является родом, сестринским по
отношению к Kinbergonuphis, Paxtonia занимает базальное положение по
отношению к ним.
Монофилия комплекса Australonufhis родов sensu Paxton (1986Б),
состоящий из мелководных морских червей Australonufhis, Hirsutonuphis и
Hartmanonuphis, не подтверждается нашими результатами. Hirsutonuphis
является базальным родом в кладе, включающей помимо него Paxtonia,
Mooreonuphis и Kinbergonuphis, в то время как Australonufhis, Rhamphobrachium
и Americonuphis образуют отдельные хорошо поддержанные клады, не
группирующиеся с другими родами.
Для Nannopus palustris очевидно, что ситуация с этим «известным
космополитическим
видом»
запутана
и
сложна.
Данное
исследование
подтверждает более ранние результаты (Staton et al., 2005) и даёт сильные
генетические свидетельства
(хорошо
согласуемые
с морфологическими
данными), что Nannopus palustris состоит из нескольких видов, которые
обладают значительными, но прежде не принимавшимися во внимание
анатомическими различиями. Отдельные клады на получаемой реконструкции
хорошо разделяются и находятся на расстоянии, соответствующем, как
минимум, видовому уровню. Эти виды (ранее все называемые N. palustris)
17
нуждаются в пересмотре и корректном описании, с выделением новых таксонов
видового, и возможно надвидового уровня, без которых таксономия группы не
будет отражать филогенетические отношения внутри неё.
Для Portunoidea мы можем предварительно заключить, что Portunoidea
демонстрируют
параллельные
эволюционные
тенденции
адаптации
к
активному плаванию в разных линиях (где, однако, присутствуют как
плавающие, так и не плавающие формы или, реже, только неплавающие формы,
то есть Geryonidae). В то время как Pirimelidae (как Pirimelinae) были помещены
в Portunidae, а Geryonidae считались наиболее родственными с Portunidae более
30 лет назад (Manning и Holthuis, 1989), такие группы, как Thiidae, никогда не
считались Portunidae на основе их морфологии в прошлом. Эти линии,
соответствующие Geryonidae, Ovalipidae, Carcinidae + Pirimelidae + Polybiidae +
Thiidae и Portunidae, сами по себе, по-видимому, являются монофилетическими,
но вместе они не образуют доказаную монофилетическую группу. При этом
Portunidae отделяется в обособленную кладу близко основанию дерева, что даёт
серьёзные
аргументы
в
пользу
необходимости
повышения
его
таксономического ранга.
В то же время, несколько крупных родов в Portunidae, то есть Charybdis и
Thalamita, по всей видимости, являются полифилетическими, а Lupocyclus
парафилитичен и включает в себя
Lupocycloporus gracilimanus ранее
называвшиеся Portunus (Lupocycloporus) gracilimanus. Поскольку этот вид
филогенетически удален от Portusus pelagicus, а его младший синоним
Lupocycloporus whitei A. Milne-Edwards, 1861 является типом для видов
Lupocycloporus Alcock, 1899 (Ng et al., 2008), следует пересмотреть таксономию
соответствующим образом. При этом сам род Portunus sensu lato больше не
должен использоваться из-за его доказанного полифилетического состава.
Подроды бывших Portunus sensu lato (Achelous, Cycloachelous + Monomia,
Lupocycloporus, Portunus, Xiphonectes) вложены в разные клады Portunidae, а
некоторые
из
них
(например,
Xiphonectes)
по-видимому,
являются
полифилетическими. По-видимому, Portuninae ограничивается Portunus sensu
18
stricto (с типом рода Cancer pelagicus Linnaeus, 1758), Arenaeus и Callinectes.
При обсуждении филогении крабов следует учитывать, что расхождение
основных групп Heterotremata (предположительно, в середине мелового
периода) может быть геологически коротким событием по сравнению с их
последующей эволюцией и увеличением разнообразия видов и родов до
миоцена (Brösing, 2008). Некоторые исследования предполагают ещё более
раннее расхождение групп крабов (Porter et al., 2005). В этом случае начальные
изменения последовательностей ядерных генов, связанные с основными
диверсификационными событиями, могут быть относительно небольшими по
сравнению с дальнейшей диверсификацией. Вероятно, ещё лучшее разрешение
филогенетический реконструкций может быть достигнуто в ходе дальнейших
исследований с использованием нескольких ядерных генов и сбалансированной
выборки представителей конкретных таксонов.
Традиционные
таксономические
ключи
строятся
на
основе
морфологических признаков, выбираемых согласно превалирующим на момент
составления ключа представлениям о систематике группы. Дальнейшие
исследования часто приводят к тому, что ключи устаревают и требуют
значительной
переработки.
В
ходе
фаунистических
исследований
обнаруживаются новые таксоны, которые по существующим ключам не
определяются корректно. Ревизии и основанные на молекулярных данных
реконструкции филогении часто перестраивают представления о родстве и
меняют таксономические номинации таким образом, что результат определения
по устаревшему ключу для сопоставления с современной системой группы
требует интерпретации специалистом.
Совмещение хорошо статистически подержанных филогенетических
исследований
с
таксономическими
ревизиями
позволяет
выявлять
морфологические признаки, коррелирующие со степенью родства групп.
Дальнейшее использование черт морфологии, валидированных таким образом,
должно позволить строить описания и таксономические ключи так, что при
обнаружении новых групп их будет возможно частично определить по
19
устаревшим ключам, а работа по перестройке ключа с учётом новых таксонов
будет минимальна.
Для Onuphidae результаты прежних морфологических исследований
великолепно соотносятся с полученными по молекулярно-генетическим
данным реконструкциями на уровне семейств и подсемейств. При этом ни одна
из подгрупп внутри Onuphinae, предложенная Пакстон, не поддерживалась по
молекулярным данными, а некоторые группы возможно близки, что не
отмечалось ранее. Наши результаты дают некоторую поддержку сестринских
отношений между Onuphis и Aponuphis, хотя ранее Onuphis и Aponuphis не
рассматривались как близкие роды (Paxton, 1986Б), несмотря на наличие
сходства во внешней морфологии. Это говорит о необходимости возможного
пересмотра таксономического веса объединяющих эти рода черт морфологии.
Тесная связь между Diopatra и Paradiopatra, предположенная вначале
Пакстон, затем Будаевой и Фочайлдом (Budaeva и Fauchald, 2011), не находит
подтверждения по нашим результатам, хотя оба рода имеют ярко выраженное
морфологическое сходство. Не подтверждаются и предположения о том, что
только Rhamphobrachium является сестринской группой для Diopatra и
Paradiopatra. Выделение комплекса родов Australonuphis (Paxton, 1986Б) также
не соответствует наблюдаемым на реконструкции кладам.
Таким образом, некоторые из морфологических признаков (в основном
связанных тем или иным способом с типом питания и локомоцией), ранее
рассматриваемые как исключительные синапоморфии, определяющие группы и
комплексы родов внутри Onuphinae, по-видимому, являются гомоплазичными
или возникли конвергентно, как приспособление к сходному образу жизни.
Таксономический вес соответствующих признаков следует значительно
понизить, ввиду того, что их сходство не объясняется происхождением от
общего предка, а является скорее результатом параллельной эволюции.
Для Nannopus palustris весомые свидетельства в пользу того, что каждая
крупная клада, наблюдаемая на реконструкции может быть выделена и описана
как новый вид, опровергает соображения о нормальности высокого уровня
20
морфологической пластичности Nannopus palustris. Настоящая работа также
продемонстрировала,
что
вес
ранее
использовавшихся
в
систематике
морфологических признаков не связан строго с другими морфологическими
или генетическими различиями и должен быть соответственно пересмотрен.
Большее количество образцов из известных местообитаний N. palustris должно
быть исследовано морфологически и генетически до того, как можно будет
предложить
какой-либо
надёжный
филогенетический
анализ.
Такая
информация имеет решающее значение для любой оценки разнообразия
морских гарпактицид, понимания их биогеографии и эволюции.
Для Portunoidea есть некоторые характерные состояния диагностических
признаков, которые традиционно считаются важными для определения этих
крабов, однако эти характерные состояния имеют несколько свободно
сочетающихся исключений, что делает диагноз крабов Portunoidea (в смысле
Эрнста Майра, см. (Mayr и Bock, 2002)) затруднительным. С учётом этого,
нельзя
не
подчеркнуть,
что
такая
картина
может быть
результатом
параллельной эволюции в разных линиях, которые формируют относительно
недавно разошедшиеся клады, наблюдаемые на реконструкциях филогении,
современных крабов-плавунцов Portunoidea, и настоящее филогенетическое
значение таких морфологических признаков все ещё нуждается в детальном
разъяснении.
Так, удивительным образом, практически все основные клады Portunidae
(кроме Podophthalminae) включают таксоны, ранее считавшиеся Porutus sensu
lato или другие таксоны, считавшиеся близкими к ним по морфологии. Это
может указывать на то, что признаки, по которым исходно выделялись
представители Porutus sensu lato являются плезиоморфным состоянием внутри
Portunidae, и в процессе эволюции происходила параллельная их утрата.
В то же время, морфология личинок традиционно имеет большое
значение
для
характеристики
многих
таксонов
Decapoda.
Существует
множество указаний на то, что Portunoidea (в том числе Portunidae в
традиционном смысле, Pirimelidae, Thiidae и Geryonidae) имеют зоэа, которая
21
может быть диагностирована достаточно точно с использованием набора общих
состояний признаков. Тем не менее, эти признаки частично разделяются с
другими таксонами Brachyura, личинки нескольких родов Portunoidea остаются
неописанными, и подробное сравнение, направленное на поиск важных
личиночных признаков Portunoidea, является приоритетом для будущих
исследований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для
многих
таксономических
и
систематических
исследований
характерна ситуация, при которой использование методов реконструкции
филогенетических отношений организмов носит вспомогательный характер и
не влияет на основную структуру работы. В результате таксономия изучаемой
группы
остается
неизменной
или
претерпевает
лишь
незначительные
изменения, в то время как полученные уже дают однозначные основания для
проведения ревизии.
При этом, как было показано в представленной работе для ряда случаев,
реконструкции филогении на основе молекулярных данных, позволяют
устанавливать близость таксонов и проверять монофилию групп без
использования субъективной трактовки признаков, которая многократно
компрометировала
построение
филогенетических
систем
методами
морфологической кладистики. Анализ реконструкции филогении подтвердил
необходимость ревизии существующей таксономии Onuphidae и Portunidae и
дал
основание
для
формирования
существующих
таксонов.
колоссального
скрытого
Для
новых
Nannopus
разнообразия
и
упразднения
показано
наличие
существование
хорошо
palustris
и
некоторых
дивергировавших филогенетических линий, не объясняемых географической
удалённостью.
Конечной целью корректно организованной таксономической ревизии
должно быть создание таксономии, удовлетворяющей двум требованиям:
система должна базироваться на филогенетических принципах и содержать
только монофилетические таксоны, быть при этом максимально экономной и
22
содержать минимальное число таксонов, позволяющее описать наблюдаемую
картину
родства
между
организмами.
Первое
требование
позволяет
таксономической системе быть стабильной и сохранять свою структуру при
возможном обнаружении и введении в неё новых организмов и групп
организмов.
Второе
требование
делает
удобным
использование
таксономической системы и упрощает запоминание, а также увеличивает
стабильность системы. Стабильность обеспечивается запретом на присвоение
таксономических названий всем поддержанным кладам, что, возможно,
предотвратит потенциальную необходимость их ревизии в будущем. В
обсуждаемых выше случаях для Onuphinae показано неверное формирование
групп родов, и предложено группировать их другим образом, что однако не
означает необходимости немедленного введения таксонов надродового ранга,
ввиду возможного дополнения картины при расширении числа анализируемых
данных. Так и для чётко выраженных независимых филогенетических линий
видового или надвидового ранга в составе Nannopus palustris преждевременно
вводить новые таксоны, до изучения образцов из большего числа точек его
ареала. Кроме того, отношения крупных таксонов внутри Portunoidea остаются
недостаточно разрешёнными, и говорить о изменении статуса большинства из
них преждевременно.
Таким
образом,
при
соблюдении
описанных
выше
принципов,
таксономическая система будет наименее подвержена изменению состава
таксонов
при
сохранении
имени,
или
же,
наоборот,
изменению
таксономического имени при сохранении клады. Более того, при первичном
выделении таксонов на основе молекулярно-генетической реконструкции их
филогенетических отношений, возможно информированное и обоснованное
выделение диагностических признаков, что как итог позволит с большей
вероятностью,
гипотетической
иметь
диагноз
ситуации
таксона,
включения
сохраняющий
новых
валидность
подтаксонов.
в
Анализ
реконструкции филогении подтвердил необходимость ревизии существующей
23
Portunoidea, повышения ранга монофилетического таксона Portunidae и ревизии
таксонов Portunus sensu lato, Charybdis, Thalamita и Lupocyclus.
Во
многих
ситуациях
независимая
интерпретация
только
морфологических данных приводит к противоречивым или даже ложным
результатам. В результате таксоны выделяются и группируются на основе
неточных представлений о филогении группы, а часть имеющих важное
значение узлов настоящей филогении вовсе не находит отражение на
полученной реконструкции. Особенно трудно предложение оснований для
корректной
ревизии
в
таксонах,
богатых
видами
и
родами,
ввиду
дополнительной сложности подбора материала и частоты обнаружения
существующих в текущей таксономии парафилетических и полифилетических
таксонов, а также масштабов необходимых изменений. При этом успешно
проведённое
исследование
такого
рода
должно
позволять
выделять
диагностические признаки, максимально точно отражающие филогению
группы и позволяющие составить, в том числе, стабильные таксономические
ключи, наименее подверженные изменениям при последующих ревизиях. В
изученных
группах
полученные филогенетические реконструкции дали
основание для соответствующей переоценки веса уже используемых признаков
и
поиска
новых,
представляющих
апоморфии
для
найденных
монофилетических клад, что уже нашло или в скором времени найдёт
отражение
в
соответствующих
зоологических
и
таксономических
исследованиях.
Часто
применение
современных
методов
молекулярной
генетики
приводит к радикальной перестройке представлений о филогении изучаемой
группы. Существующая таксономия признается невалидной (иногда ошибочно
при неверном применении методов) при отсутствии вводимой новой
классификации, что во многих случаях вызывает неприятие предлагаемых
нововведений специалистами по биологии группы. В этой связи чрезвычайно
важно, с одной стороны, документировать и публиковать случаи, когда
существующая таксономия показывает своё соответствие филогенетическим
24
реконструкциям, а с другой, в случаях выявления несоответствий, - корректно
предлагать клады, которые могут быть выделены как хорошо диагностируемые
таксоны. Так для Onuphidae (а также Hyalinoeciinae, Onuphinae и составляющих
их родов) и Portunidae полученные в настоящей работе реконструкции
подтвердили
наличие
монофилитичеких
клад,
соответствующих
существующим таксонам.
ВЫВОДЫ
1. Молекулярно-генетическая филогения подтверждает валидность таксонов
Onuphidae (а также внутренних клад Hyalinoeciinae и Onuphinae),
сестринской им Eunicidae, а также Portunidae sensu stricto.
2. В кладе Onuphinae обнаружены две монофилетические группы родов,
отличающиеся по составу от ранее выделявшихся групп родов Onuphis и
Diopatra.
3. Анализ реконструкции филогении подтвердил необходимость ревизии
существующей таксономии Onuphidae и Portunidae.
4. Молекулярно-генетические
реконструкции
филогении
Portunoidea
указывают на необходимость повышения ранга монофилетического
таксона Portunidae.
5. Для таксонов Portunus sensu lato, Charybdis, Thalamita и Lupocyclus,
молекулярно-генетическими методами опровергнута монофилия, что
обосновывает необходимость ревизии.
6. Сравнительный
анализ
филогенетических
реконструкций
по
митохондриальным и ядерным молекулярно-генетическим маркерам и
морфологическим
признакам
показывает,
что
Nannopus
представляет собой группу клад видового или надвидового ранга.
25
palustris
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИИ
Cryptic diversity of the “cosmopolitan” harpacticoid copepod Nannopus
palustris: Genetic and morphological evidence / L. Garlitska, T. Neretina, D.
Schepetov, N. Mugue, M. De Troch, J. G. Baguley, A. Azovsky // Mol. Ecol. –
2012. – Т. 21 – No 21– 5336–5347с.
Morphological characterization and molecular phylogeny of Portunoidea
Rafinesque, 1815 (Crustacea Brachyura): Implications for understanding
evolution of swimming capacity and revision of the family-level classification /
V. A. Spiridonov, T. V. Neretina, D. Schepetov // Zool. Anz. – 2014. – Т. 253 –
No 5– 404–429с.
When molecules support morphology: Phylogenetic reconstruction of the
family Onuphidae (Eunicida, Annelida) based on 16S rDNA and 18S rDNA /
N. Budaeva, D. Schepetov, J. Zanol, T. Neretina, E. Willassen // Mol.
Phylogenet. Evol. – 2016. – Т. 94– 791–801с.
26
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
580 Кб
Теги
молекулярная, crustaceans, annelida, данных, таксонов, генетический, филогении, nannopus, реконструкция, portunoidea, onuphidae
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа