Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Изучение генетической структуры и механизмов формирования биологического разнообразия имеет принципиальное значение как для понимания закономерностей биологической эволюции, так и для охраны окружающей среды. В 2017 году наши исследования на эту тему развивались по шести направлениям. (1) Секвенирование и анализ полных геномов у бабочек-голубянок рода Polyommatus для изучения гибридного видообразования С использованием этого подхода мы занимались изучением роли межвидовой гибридизации в формировании новых видов. Хотя ученые давно предполагали, что межвидовая гибридизация может играть роль в эволюции живых организмов, доказать это было трудно в силу сложности проблемы и ограниченности имевшихся методических средств. В нашем исследовании мы показываем, что с использованием анализа полных геномов можно не только выявлять факты межвидовой гибридизации, но и с высокой точностью количественно определять вклад каждого из родительских видов в гибридный геном. (2) Изучение закономерностей эволюции хромосомных наборов и их роли в видообразовании Хромосомные перестройки - изменения числа и структуры хромосом - находятся в центре внимания медиков, поскольку они являются одной из причин возникновения рака, а также ряда неонкологических заболеваний. Хромосомными перестройками также интересуются биологи, поскольку они могут запускать возникновение новых видов. Несмотря на это, закономерности и механизмы хромосомной эволюции пока изучены недостаточно. В нашем исследовании на примере бабочек-голубянок (Lepidoptera, Lycaenidae) мы провели изучение так называемой взрывной хромосомной эволюции - феномена, который регулярно встречается в разных группах растений и животных и приводит к появлению близких видов, резко различающихся по числу хромосом. Для этой группы насекомых опровергнута модель хромосомной мегаэволюции, которая предлагает, что множественные хромосомные перестройки независимо накапливаются в каждом из близких видов. Показано, что числа хромосом меняются в эволюции скорее вследствие влияния стохастических факторов, нежели естественного отбора; причем эти изменения происходят градуально. Таким образом, хромосомные перестройки, приводящие к кардинальному изменению всего хромосомного набора, не возникают одновременно или в какие-то относительно короткие промежутки времени, а накапливаются постепенно, в соответствии с дарвиновским принципом постепенной эволюции, хотя эта «постепенность» очень быстрая в терминах геологического времени. Результаты исследования говорят о том, что широко распространенные представления об обязательном негативном влиянии хромосомных перестроек на организм сильно преувеличены, а для объяснения взрывных изменений кариотипа нет необходимости искать какие-то специальные, основанные на сальтациях механизмы. (3) Разработка и тестирование нового подхода к анализу филогенетических реконструкций Серьезной проблемой в изучении биологического разнообразия с использованием молекулярных маркеров является то обстоятельство, что имеющиеся в распоряжении исследователя молекулярные данные являются крайне неоднородными. Для части видов имеются данные по многим генам (мультилокусные данные). Однако для подавляющего большинства таксонов молекулярные данные, если вообще имеются, ограничены одним единственным локусом, так называемым ДНК-штрихкодом. Очевидно, что несмотря приближение полногеномной эры в изучении биологического разнообразия, короткие ДНК-штрихкоды еще долго будут оставаться единственной молекулярной информацией для гигантского числа видов. Можно ли и как правильно комбинировать моно- и мультилокусные данные при построении филогенетических деревьев и выявлении структуры биологического разнообразия? Для решения этого вопроса мы разработали оригинальный подход: построение дерева видовых митохондриальных ДНК-баркодов на каркасе родовой филогении, созданной с учетом множественных ядерных генов. (4) Экспериментальная работа по анализу гибридов между хромосомными расами Leptidea sinapis Мейоз, один из типов клеточного деления, является ключевым событием в размножении и эволюции всех эукариотических организмов. Широко распространено мнение, что этот процесс очень консервативен у растений и животных. В нашем исследовании получены доказательства существования у гибридов бабочек-белянок Leptidea sinapis инвертированного мейоза. Обнаружение инвертированного мейоза – явления, в котором перевернут порядок основных процессов (процессов разделения гомологов и сестринских хроматид) - само по себе является интересным результатом. Этот феномен плохо исследован, особенно для представителей животного царства, и сам факт его существования до сих пор являлся предметом дискуссии. Но на наш взгляд еще более важным является обнаруженное вероятное эволюционное значение инвертированного мейоза, которое состоит в том, что инвертированный мейоз, уменьшая долю неполноценных гамет, спасает плодовитость гибридов, несущих множественные хромосомные мультиваленты и увеличивает вероятность возникновения новых хромосомных рас. Таким образом, инвертированный мейоз может увеличивать вероятность хромосомного видообразования и быть факторов формирования таксономического разнообразия. (5) Изучение эволюционного потенциала однополого размножения (партеногенеза) Большинство видов животных и многие растения являются бисексуальными (т.е. раздельнополыми). Считается, что бисексуальность повышает возможности организмов приспосабливаться к изменениям среды (т.е. она адаптивна). Однако в некоторых условиях бисексуальные виды могут переходить к однополому размножению (партеногенезу), когда в популяциях существуют одни самки. Такой способ размножения адаптивен в условиях низкой численности. Известны многочисленные случаи переходов насекомых от бисексуального размножения к партеногенезу, что показывает сделанный нами анализ массива данных по всем насекомым. Гораздо меньше известно о возможности обратного процесса. В рамках проекта нами изучена роль партеногенез в эволюции и диверсификации насекомых-листоблошек рода Cacopsylla и выявлен возможный случай реверсии от партеногенеза к бисексульности, что предполагается детальнее исследовать в 2018 году. Поскольку каждый из способов репродукции (бисексуальность и партеногенез) имеет свои уникальные преимущества и недостатки, то их чередование может увеличивать шансы на выживание и диверсификацию организмов. (6) Изучение биологического разнообразия конкретных групп насекомых С использованием разработанных оригинальных подходов к изучению видов мы изучили структуру скрытого (криптичеcкого) биологического разнообразия в нескольких группах насекомых. Итогом исследования явились не только таксономичеcкие ревизии изученных групп, но и обнаружение и описание новых, ранее неизвестных для науки видов. Новые виды, в частности, были найдены в такой хорошо изученной группе организмов, как дневные бабочки, из таких хорошо изученных регионов, как Европейская Россия и Израиль, где, как казалось бы, нахождение новых видов невозможно. Эти работы вызвали шквал откликов в средствах массовой информации России и многих стран мира. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту https://ria.ru/science/20170815/1500189391.html https://news.rambler.ru/science/37650352-babochki-pomogut-raskryt-sekret-poyavleniya-lishnih-hromosom/ http://spbu.ru/news-spsu/29408-babochki-pomogli-issledovatelyam-spbgu-ponyat-mekhanizmy-khromosomnoj-evolyutsii.html http://www.rscf.ru/ru/node/2461 http://www.rscf.ru/ru/node/2419 https://chrdk.ru/news/perestroiki-dnk-udalos-obyasnit-blagodarya-babochkam https://www.gazeta.ru/science/news/2017/07/14/n_10304204.shtml https://chrdk.ru/news/severokavkazskie-babochki-po-chislu-khromosom-okazalis-ravnymi-lyudyam https://news.rambler.ru/scitech/38545645-severokavkazskie-babochki-po-chislu-hromosom-okazalis-ravnymi-lyudyam/ https://www.sciencedaily.com/releases/2017/11/171127105922.htm (см. также результаты поиска в Google в разделе Новости на ключевое слово Vladimir Lukhtanov)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Изучение генетической структуры и механизмов формирования биологического разнообразия имеет принципиальное значение как для понимания закономерностей биологической эволюции, так и для охраны окружающей среды. В 2018 году нами в рамках этой темы были завершены исследования и подведены итоги по следующим пяти направлениям. (1) Анализ полногеномных данных для изучения видообразования и структуры биологического разнообразия Были получены новые полногеномные данные для 31 особи бабочек, представителей группы видов, близких к P. antidolus. Для одной особи P. peilei сборка генома была произведена de novo с использованием результатов полногеномного секвенирования на основе 10x Genomics библиотек (10X Genomics Chromium genome sequencing library) с использованием эмульсионной ПЦР, что позволило эффективно собирать участки, содержащие протяжённые повторы. Для остальных особей геномы были собраны с использованием метода ресеквенирования. В геномах P. peilei, P. karindus и P. morgani были найдены нуклеотидные последовательности, которые по своей структуре близки к генам, которые у чешуекрылых отвечают за окраску и рисунок крыльев (и скорее всего являются их ортологами): yellow, bilin, cinnabar, doublesex, ebony, engrailed, kynurenine, tan, wingless. В то же время мы не обнаружили между видами существенных различий в первичной структуре этих генов (за исключением крайне немногочисленных однонуклеотидных замен), несмотря на то, что эти виды имеют контрастные различия в окраске крыльев.Сделан вывод, что, скорее всего, различия в окраске вызываются изменениями в уровне экспрессии генов, а не разницей в их первичной структуре. Филогенетический мультигенный анализ выравнивания видов группы P. antidolus, показал, что каждый вид является обособленной единицей, в то время как ранее эти виды были дифференцированы только на основании хромосомных данных, а филогенетический анализ, основанный на единичных ядерных и/или митохондриальных генах, был неинформативен из-за слабой дифференциации по большинству ядерных генов и идентичности/близости митохондриальных генов вследствие множественных митохондриальных интрогрессий. (2) Разработка методов изучения структуры биологического разнообразия Серьезной проблемой в изучении биологического разнообразия с использованием молекулярных маркеров является то обстоятельство, что имеющиеся в распоряжении исследователя молекулярные данные являются крайне неоднородными. Для части видов имеются данные по многим генам (мультилокусные данные). Однако для подавляющего большинства таксонов молекулярные данные, если вообще имеются, ограничены одним единственным локусом, так называемым ДНК-штрихкодом. Очевидно, что несмотря приближение полногеномной эры в изучении биологического разнообразия, короткие ДНК-штрихкоды еще долго будут оставаться единственной молекулярной информацией для гигантского числа видов. Можно ли и как правильно комбинировать моно- и мультилокусные данные при построении филогенетических деревьев и выявлении структуры биологического разнообразия? Для решения этого вопроса мы разработали оригинальный подход: построение дерева видовых митохондриальных ДНК-баркодов на каркасе родовой филогении, созданной с учетом множественных ядерных генов. Исследования реальных матриц признаков и компьютерные симуляции показали, что филогенетические реконструкции, основанные на митохондриальных баркодах для всех видов и ядерных генах для 5% “опорных” видов имеют разрешение, сравнимое с таковым для матриц, в которых ядерные гены имеются для всех 100% видов. Разработанный подход позволяет включить в полноценный филогенетический и таксономический анализ большое число видов, для которых получение мультилокусных данных проблематично. Работа опубликована в виде краткого сообщения в журнале Genome; кроме того подготовлена развернутая версия этой работы, которая будет послана в 2019 году в журнал Systematic Biology. Проведен сравнительный анализ эффективности морфологических признаков, множественных ядерных генов и митохондриальных ДНК-баркодов для видовой делимитации на примере бабочек родов Brenthis, Hyponephele, Pseudopholotes и Polyommatus. Для рода Brenthis gоказана высокая надежность признаков морфологии и ядерных генов, в то время как ДНК-баркодинг часто приводит к выдвижению таксономических гипотез, которые не подтверждаются другими, независимыми наборами маркеров (Pazhenkova, Lukhtanov, 2018, опубликовано в Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research). (3) Экспериментальная работа по получению и анализу гибридов между хромосомными расами Leptidea sinapis, анализ эволюционной роли инвертированного мейоза В лаборатории воспроизведены первые этапы гомоплоидного гибридного видообразования на основании скрещивания двух рас белянки Leptidea sinapis (низкохромосомной, n=28, Швеция и высокохромосомной, n=53, Испания), показавшие возможность этого процесса и высокую фертильность гетерозигот по множественным хромосомным перестройкам. Показано, что гибриды белянок, полученные от родителей с разным числом хромосом, демонстрируют в третьей и четвертой генерациях (F3 и F4) высокий (также, как и в F1 и F2), хотя и сниженный по сравнению с контролем, уровень выживаемости и фертильности. Проведены дополнительные исследования, подтверждающие обнаруженный в прошлом году феномен инвертированного мейоза у хромосомных гибридов Leptidea. Показано, что наличие канонического или инвертированного мейоза является следствием того, что у организмов с голоцентрическими хромосомами (к которым в частности относятся бабочки и клопы) биваленты в первой метафазе мейоза могут иметь два альтернативных типа ориентации на веретене деления. В этом отношении голоцентрические организмы имеют принципиальные отличия от организмов с моноцентрическими хромосомами, у которых в первой метафазе мейоза сформировавшиеся биваленты могут иметь только один тип пространственной ориентации, при котором центромеры гомологов направлены к разным полюсам. Сделан вывод о том, что инвертированный мейоз способствует правильной сегрегации хромосом у хромосомных гибридов, поддерживая их фертильность, позволяя гетерозиготам по хромосомным перестройкам сохраняться в популяции и создавая тем самым предпосылки для гомоплоидного гибридогенного видообразования. (4) Изучение популяций псиллид рода Cacopsylla и анализ роли партеногенеза в диверсификации Хромосомный анализ показал, что изученные популяции C. myrtilli и C. ledi состоят преимущественно из партеногенетических триплоидных самок (3X = 36 + XXX), однако в каждой популяции имеются так называемые "редкие" диплоидные самцы с 2n = 24 + X и диплоидные самки с 2n = 24 + XX; диплоидные особи каждого пола встречаются с равной частотой; их доля в популяциях не превышает 9%. В окрестностях г. Турку (Финляндия) обнаружена популяция C. ledi, в которой доля самцов и самок оказалась равной 34.5 %, то есть много выше, чем во всех изученных до сих пор популяций этого вида (Nokkala, Kuznetsova, Nokkala, 2017). На фоне опубликованных нами ранее и полученных новых данных, эта находка выглядит особенно интересной и может быть ключом к проверке выдвинутой нами ранее гипотезы, согласно которой диплоидные бисексульные линии Cacopsylla могут возникать вследствие эволюционной инверсии - обратного перехода от триплоидного партеногенеза к диплоидной бисекесуальности. (5) Анализ генетической структуры и таксономического разнообразия в отрядах Odonata, Hemiptera, Neuroptera, Lepidoptera и Hymenoptera Проведен хромосомный и молекулярно-цитогенетический анализ 70 видов насекомых, в том числе 16 видов стрекоз (Odonata, подотряд Zygoptera), 9 видов сетчатокрылых (Neuroptera), в том числе 6 видов муравьиных львов (Myrmeleontidae), двух видов аскалафов Ascalaphidae и одного вида нитекрылок (Nemopteridae), 6 видов равнокрылых насекомых подотряда Psyliinea (семейства Psyllidae и Aphalaridae, особено детально изучены виды Cacopsylla mali и C. sorbi), 2 видов перепончатокрылых насекомых (Hymenoptera, Symphyta, Tentredinidae) и 28 видов бабочек (Lepidoptera). В свете полученных данных по дифференциации генетических маркеров обсуждены дискуссионные вопросы систематики и таксономической структуры изученных групп насекомых. Подготовлено несколько таксономических ревизий. По результатам исследования в 2018 году опубликовано 12 статей в журналах Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research, Genetica, Genome, Cytogenetic and Genome Research, BMC Zoology, Comparative Cytogenetics, European Journal of Entomology, Zookeys, Zootaxa и Far Eastern Entomologist. Исследования широко освещались в средствах массовой информации, например: http://rscf.ru/ru/node/kollektiv-uchenykh-pod-rukovodstvom-professora-spbgu-raskryl-zagadku-uspeshnogo-khromosomnogo-monstr https://ria.ru/science/20180929/1529501610.html https://spbu.ru/press-center/press-relizy/kollektiv-uchenyh-pod-rukovodstvom-professora-spbgu-raskryl-zagadku https://www.vesti.ru/doc.html?id=3066136