Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Работа, опубликованная в журнале "Journal of Systematic Palaeontology" (https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/14772019.2019.1655496), стала синтезом палеонтологии, филогенетики и молекулярного датирования. Данная методология позволила точно рассчитать скорость фенотипической эволюции в группе почвенных клещей, и таким образом сравнить её со скоростью эволюции других организмов. Оказалось, что эволюция "среднего" клеща проходила в 626 раза медленнее, чем у терoподовых динозавров. Иными словами, каждая ветвь филогенетического дерева клещей имела только одно изменение за 46.0 миллионов лет. Эта статья приводит уникальный пример ультра-медленной эволюции организмов, живущих в консервативных биотопах. Она была широко освещена в СМИ, например, в "Russia Today" https://russian.rt.com/science/article/675744-nekotorye-vidy-kleschei-ostayutsya-neizmennymi-milliony-let, а также на сайте РНФ (http://www.rscf.ru/ru/node/nepodvlastnye-vremeni). Нами применена молекулярная филогенетика и методы расчетов абсолютного времени с помощью молекулярных часов для изучения биогеографии океана в статье, опубликованной в журнале "Ecology and Evolution" (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ece3.5791). Эта методология применена для точного установлена границы между субтропической и тропической фаунами в юго-западной Атлантике, а также оценки времени существования этой границы. Была использована древняя группа морских организмов, обитающих на дне океана. Эти животные - Halacaridae, или морские клещи - произошли 321,5 млн лет назад (или 100 млн лет ранее происхождения динозавров). Возраст клещей-галакарид дал им достаточно времени, чтобы распространиться во всех биогеографических регионах и разойтись в разных местах обитания, включая черные курильщики и глубокие океанические впадины. Отсутствие планктонной стадии делает этих клещей ценными объектами для изучения биогеографии, поскольку их миграция в океане ограничена. Отсутствие чрезмерной миграции помогает установить нахождение биогеографических границ с высокой разрешающей способностью. В частности, мы проверили традиционную границу между субтропической и тропической морскими фаунами, предложенную в семидесятых годах прошлого века и с тех пор широко используемую в различных биогеографических работах. Эта линия была помещена в Кабу-Фриу (Cabo Frio), регионе Бразилии недалеко от Рио-де-Жанейро, основываясь только на изотермических данных океана (23C). Мы изучили данные о последовательности ДНК из образцов, собранных вдоль всего побережья Бразилии. Два независимых видовых комплекса были проанализированы, чтобы дать ответ на вопрос, была ли их общая биогеографическая структура распределения конгруэнтной. Из этих данных мы обнаружили, что изотермическая граница между фаунами не подтвердилась. Наши данные однозначно указывают на то, что граница между тропиками и субтропиками расположена к северу от области Кабо-Фриу, на так называемом плато Аброльос. Это интересный регион, где встречаются два биогеографически значимых фактора: (а) изменения в направлениях океанических течений (которые ограничивают миграцию) и (б) резкие изменения параметров окружающей среды, связанные с апвеллингом в центрально-южных водах Южной Атлантики (таким образом, создавая уникальную экологическую нишу в области апвеллинга по сравнению с другими областями, где апвеллинг отсутствует). Примечательно, что барьер на плато Аброльос был ранее отмечен в опубликованных работах, но эти данные, как правило, оставались без внимания, поскольку они не соответствовали ортодоксальной изотермической границе. Примерами могут служить различные животные: моллюски, асцидии и рифовые рыбы. Наличие барьера на плато Аброльос, о чем свидетельствуют галакаридные клещи и многие другие организмы, говорит о том, что в этом регионе есть общая биогеографическая картина, и таким образом граница между тропической и субтропической фаунами в Юго-Западной Атлантике должна быть пересмотрена. Описан новый вид клеща из Западной Сибири, Naiadacarus sidorchukae (Klimov et al., 2019b). Вид относится к роду, включающему как наземные, так и пресноводные виды, поэтому является важным для понимания наземных-пресноводных экологических переходов. Мы применяли молекулярную филогенетику и CO1-баркодирование для решения вопросов систематики современных групп клещей (Chetverikov et al., 2019; Mironov et al., 2019). Мы также использовали геномное секвенирование и масс-спектрометрию для изучения протеинов клещей. Этот результат может оказать влияние на филогенетику, поскольку открывает доступ к геномным данным (филогеномика) (Erban et al., 2019). Всего мы получили 973 ДНК сиквенсов для 6 генов (18S, 28S, EF1-α, SRP54, HSP70, CO1) у 167 видов клещей. Из них, 477 сиквенсов уже помещены в GenBank и использовались в наших публикациях. Осуществлена экспедиция в Австралию, в результате которой собран род Peza (семейство Pezidae). Это таксон, обитающий только в Австралии, интересен тем, что его положение на филогенетическом дереве может повлиять на реконструкцию наземных - морских - пресноводных экологических переходов. Если Pezа -- сестринская группа к морским клещам Halacaridae (как считается в настоящее время), то один из наиболее древних переходов мог осуществляться в следующей последовательности: наземные - пресноводные - морские. Но если Pezа -- сестринская группа к пресноводным Halacaridae (наша альтернативная гипотеза), то переход мог осуществляться в последовательности: наземные - морские - пресноводные. Окончательное решение этого вопроса будет сделано после секвенирования Pezа в 2020 г. Также во время Австралийской экспедиции были собраны многие другие виды морских акариформных клещей, обитающие в Тихом и Индийском океанах, и клещей из пресноводных водоемов и наземных биотопов. Проведено документирование и изучение типов девонских клещей из сланцев Райни с помощью светового и конфокального микроскопов в Британском музее в Лондоне. Всего сделано 3128 снимков для 6 образцов, из которых 1 ранее был неизвестен. Предварительное изучение показало, что все виды относятся к древней группе Endeostigmata. Это важный результат для калибровки молекулярных часов, поскольку ранее считалось, что один из девонских видов относится к более эволюционно продвинутому семейству Tydeidae.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Молекулярная филогения акариформых клещей и переходы из сред обитания На основании предварительной молекулярной филогении акариформых клещей (6 генов, 300 таксонов), мы обнаружили, что в эволюции этих клещей, наиболее часто происходили следующие переходы: суша->пресноводные водоемы, пресноводные водоемы->море, море-> пресноводные водоемы. Переходы с суши в море происходили у многих акариформых клещей, например семейство Pontarachnidae, Ameronothroidea, и Hyadesiidae. Также обнаружены пресноводные линии, произошедшие от наземных предков, например Homocaligus (Trombidiformes), Algophagidae, некоторые Histiostomatidae (Sarcoptiformes: Astigmata), Hydrozetes, Limnozetes и др. (Sarcoptiformes: Oribatida). Однако, эти линии не достигли эволюционного успеха — наиболее многочисленные из них, Ameronothroidea и Hyadesiidae, имеют всего 77 и 48 видов, соответственно. Среди всех акариформых клещей, надсемейство Halacaroidea является центральным для задач нашего исследования, как с точки зрения разнообразия (1150+ видов), древности происхождения (Каменноугольный период, 320 млн. лет назад), и также количества и направлением переходов из различных сред обитания. Наиболее интересные данные мы получили для корневой части дерева галакароидых клещей. Загадочное австралийское пресноводное семейство, Pezidae, которое имеет дивергентную морфологию (аутапоморфии), но имеет некоторые апоморфные признаки, совпадающие с таковыми более продвинутых пресноводных клещей из семейства Halacaridae. Из последних, наиболее выделяющимся является забота о потомстве самкой (ношения яиц на задних ногах), что может говорить о филогенетической близости двух клад. Ввиду относительной сложности этого поведения, трудно допустить возможность параллельной эволюции этого признака. Однако, наша филогения показала, что Pezidae и Halacaridae являются сестринскими таксонами, что в свою очередь указывает на возможность перехода суша -> море галакарид не напрямую (как считалось ранее), а через пресноводного предка. Кроме того, мы обнаружили древний переход (198 млн. лет назад) из моря в пресные воды одной монофилетической клады галакарид, объединяющей роды Limnohalacarus и Porohalacarus (и, соответственно, подсемейства Limnohalacarinae и Porohalacarinae). Ранее монофилия этой клады ставилась под сомнение. Основываясь на нашей предварительной датировке, этот переход произошел во время существования суперконтинента Пангеи. Пангея начала раскалываться примерно 175 млн лет назад — процесс, в результате которого образовались все современные континенты. Таким образом, всесветное распространение пресноводной галакаридной клады Limnohalacarinae+Porohalacarinae на всех современных континентах объясняется их происхождением и диверсификацией на суперконтиненте Пангея с последующей дивергенцией после раскола Пангеи. Мы также обнаружили 2 независимых и сравнительно недавних переходов (10-20 млн. лет назад) из моря в пресные водоемы (Copidognathus из Азербайджана и Halacarellus hyrcanus). Эти переходы находятся в соответствии с морфологической близостью этих видов с морскими представителями родов Copidognathus и Halacarellus. Ключевые ископаемые и калибровка молекулярных часов До нашего исследования, датировка филогении акарифорных клещей с помощью ископаемых и молекулярных часов сталкивалась с непреодолимым препятствием. Было не ясно даже, к какой из двух основных линий акариформных клещей отнести древнейшие известные находки из Райни (Девонский период), к Endeostigmata (базальная линия) или Prostigmata (продвинутая линия)? Несмотря на эту глубочайшую неточность, ископаемые из Райни регулярно используют для калибровки молекулярных филогений, но точность таких калибровок остается под вопросом. Древнейшие ископаемые клещи с территории Российской Федерации - юрские орибатиды из бассейна р. Буреи - также описаны неполно, так что определение семейственной и даже гипотрядной принадлежности некоторых из них спорно. Мы заново изучили эти находки и получили, таким образом, твёрдые опорные точки в древнейшей части ископаемой летописи Acariformes. Все известные находки из Райни Девонского периода относятся к Endeostigmata. Также один из ископаемых юрских родов клещей-орибатид (Palaeochthonius) из бассейна р. Буреи на самом деле относится к современному роду Neoliodes. Таким образом, наши палеонтологические данные позволяют более точную калибровку молекулярных часов, особенно, в наиболее важной, корневой части дерева. Их можно будет использовать и для калибровки молекулярных филогений и для дальнейших эволюционных построений в отношении не только клещей, но и членистоногих животных в целом. Также нами опубликована палеонтологическая работа по другим группам клещей, имеющих значение для точной калибровки молекулярных часов – Tarsocheylidae, Dolichocybidae and Acarophenacidae (Khaustov at al., 2021). COX1-баркодирование водяных клещей – биоиндикаторов качества воды Одной из задач, которую мы поставили – это COX1-баркодирование водяных клещей Hydrachnidia, Oribatida и Halacaridae из Сибири. Hydrachnidia является биоиндикаторной группой, широко применяемой в экологических исследованиях и исследованиях по оценке загрязнения окружающей среды. В связи с чем, мы создали инфраструктуру для молекулярного определения водяных клещей в виде COX1-библиотеки. Определение на основании COX1 возможно без таксономического знания группы и может, таким образом, широко применятся в экологических исследованиях. Баркоды определенных видов будут помещены в свободном доступе в базе GenBank. Мы уже сделали баркодинг дла 122 образцов, принадлежавших к 90 видам (см. дополнительный материал). С учетом успеха этого проекта, который также стал формой обучения молекулярных методов для студентов, в следующем году мы предлагаем самплинг и секвенирование еще 200 образцов, для создания полной библиотеки баркодов. Часть этих видов будет использована для нашей глобальной филогении акариформных клещей. Филогенетика, микробиомы и экология Поскольку построение филогении акариформых клещей включает не только водные группы, мы использовали наш филогенетический метод для эриофиоидных клещей: Eriophyoidea – базальная группа акариформых клещей, произошедшая из Endeostigmata (Chetverikov at al., 2020) и Astigmata (Mironov at al., 2020; Klimov at al. 2020б). Ряд работ посвящён интересной теме микробома клещей (Erban at al., 2020; Hubert at al., 2020; Molva at al., 2021). Мои располагаем геномными и метагеномными данными клещей галакарид и в будущем планируем провести сравнение микробиомов морских и наземных клещей. Особенно интересной является гипотеза об изолированной коэволюции микробиомов клещей, перешедших к морскому образу жизни. Например, (i) внутренние симбионты (Wolbachia, Cardinium) остались в этих клещах с момента их перехода в воду; (ii) либо микробиом морских клещей формировался за счет бактерий связанных с другими морскими организмами (например, ракообразные, используемые как добыча некоторыми галакаридами). Мы также описали партеногенетический вид из рода Thyreophagus (Klimov at al. 2020а) и провели анализ и синтез данных об партеногенетических Astigmata, среди которых много пресноводных видов (Schwiebea), так как переход к жизни в воде может быть фактором, влияющим на происхождение партеногенеза у данных групп.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Нами была построена глобальная филогения для акариформных клещей с использованием молекулярных часов и калибрации по ископаемым. Всего был использован 371 вид акариформных клещей и 5 генов (18S, 28S, HSP70, SRP54, COX1; 7,741 нт). Мы оценили время дивергенции для каждого узла на дереве, что позволило ответить на фундаментальный вопрос о частоте макроэкологических переходов (суша, пресная вода, море) у акариформных клещей. Обнаружены следующие, однозначно поддерживаемые данными, (переходы: (i) Два от наземных к морским местообитаниям (происхождение Hyadesiidae и двух семейств Ameronothoidea). Т->S=2; (ii) Три от наземных к пресноводным (Hydrozetes, Naiadacarus, Fusoherica). Т->F=3; (iii) Один от пресноводных к морским (происхождение Pontarachnidae среди гидрахнидий). F->S=1; (iv) Три от морских к пресноводным (роды Halacarellus и Copidognathus и древняя клада, включающая Limnohalacarus, Soldanellonyx, Porohalacarus и Porolohmannella). S->F=3; (v) Ноль от морских к наземным. S->T=0; (vi) Ноль от пресноводных к наземным. F->T=0. Экологические сценарии были неоднозначны для группы, в которую входят Halacaroidea и Parasitengona. Bнутренние отношения между основными группами Parasitengona (наземные и пресноводные) имеют небольшие поддержки, хотя во всех филогенетических анализах пресноводное семейство Stygothrombidiidae было найдена как базальная дивергенция Parasitengona. Это указывает, что общий предок Halacaroidea и Parasitengona был вероятно пресноводным, и крупное морское семейство Halacaridae также имело пресноводного предка. Таким образом, наше исследование обнаружило важный макроэволюционный паттерн: переходы из наземной среды в водные среды (5 переходов) происходили почти так же часто как переходы от пресноводных к морским местообитаниям и обратно (4 перехода), тогда как переходы из воды на сушу либо не происходили вообще (0) либо были очень редки (1). Последнее зависит от интерпретации корня филогенетического дерева у Parasitengona+Halacaridae. Древний переход из моря в пресноводную среду (линия, включающая Limnohalacarus, Soldanellonyx, Porohalacarus и Porolohmannella) произошел в триасовый период 238.94 млн лет [95% HDP интервал: 210.38–272.28 млн лет]; затем эта линия диверсифицировалась 207.33 млн лет [95% HDP 175.09-243.01]. Все эти события произошли до распада Пангеи (то есть до отделения всех современных континентов). Более поздние переходы из моря в пресные воды произошли у Copidognathus 45,46 млн лет [95% HDP 25.46-65.23], что, вероятно, произошло в океане Паратетис. Переход Halacarellus из морской в пресноводную среду был нами датирован возрастом 33.22 млн лет [95% HDP 15,83-52,29]. Гипотеза Бартш объясняла наличие сходных видов/родов пресноводных клещей галакарид на современных континентах древней викариацией (связанной с разделением Пангеи на континенты) с последующим морфологическим стазисом клещей. Однако наш проект показал, что пресноводные клещи из двух отдаленных мест (Выборг, Ленинградская область, Россия и Брисбен, Австралия) имеют незначительные генетические расстояния и разное время своих дивергенций. Например, COХI секвенсы Hydrozetes отличаются только на 3.12%, а у Porohalacarus alpinus - на 12.82%. Время дивергенции, оцененное для этих двух пар видов, составило 2.61 млн лет [95% доверительный интервал: 0.58–5.55] и 3.17 млн лет [95% доверительный интервал: 0.85–6.26], соответственно. Таким образом, в этой системе, распространение пресноводных клещей на различных континентах объясняется не древней викариацией (гипотеза Бартш), а недавними миграциями. Мы провели COX1-баркодирование водяных клещей Сибири (220 образцов 157 видов), и сфотографировали ваучеры всех собранных видов. Из них 12 предполагаемых видов имели большое сходство последовательностей с известными видами, что указывает на то, что они на самом деле являются криптическими видами (Hydrodroma aff. pilosa, Sperchonopsis aff. verrucosa, Torrenticola aff. amplexa, Piona aff. conglobata, Ljania aff. bipapillata). В частности, большое криптическое разнообразие было обнаружено в роде Lebertia (7 видов: Lebertia aff. fimbriata sp. 1, sp. 2, sp. 3, Lebertia aff. inaequalis sp. 1, sp. 2, Lebertia aff. porosa sp. 1, sp. 2). В нескольких случаях, мы расширили известные географические ареалы видов водяных клещей, сравнив наши последовательности с идентифицированными последовательностями из GenBank. Примечательно, что с использованием обширных данных о клещах в водах Канады (Young et al., 2019) было обнаружено, что три вида являются голарктическими, а не палеарктическими, как считалось ранее (Limnesia undulatoides, Oxus nodigerus и Arrenurus papillator). Hygrobates limnocrenicus и Unionicola parvipora впервые отмечены в фауне России, 13 видов впервые отмечены на Среднем Урале и в Западной Сибири. Из всех наших видов 26 имели совпадения в GenBank (GenBank, ≤6%), в то время как 69 из наших видов не имели совпадений в GenBank. В трех случаях мы обнаружили неправильную идентификацию GenBank секвенсов, включая секвенсы клещей, ошибочно идентифицированную как ручейник в GenBank. Для сравнения, другие исследования по штрих-кодированию ДНК водных клещей выявили следующее количество видов: 65 (Европа, 2008–2018 гг., клещи из родников) (Blattner, 2019); 614 (Канада) (Young et al., 2019). Последний результат, вероятно, является переоценкой, потому что классификатор видов BOLD использует только 1% -ный порог K2P COX1 для присвоения неизвестной последовательности виду и 3%-ный порог для классификации последовательности к роду. Напротив, наши и литературные данные предполагают, что порог определения границ видов у водяных клещей на самом деле намного больше: 5.6-6.0% (COX1 K2P). Нами было описано новое семейство базальных Astigmata, Levantoglyphidae, проливающее свет на эволюцию метаморфоза в этой группе (Klimov et al., 2021) и также важного для калибровки молекулярных часов. Это исследование было освещено в новостях, таких как РИА Новости и РНФ: https://ria.ru/20211028/tyumgu-1756474074.html, https://rscf.ru/news/biology/drevnie-kleshchi/. Нами опубликованы палеонтологические работы по другим группам клещей, имеющих значение для точной калибровки молекулярных часов – Tarsocheylidae, Dolichocybidae, Acarophenacidae (Khaustov at al., 2021а) и Barbutiidae (Khaustov at al., 2021б). Описан новый вид клеща из Западной Сибири, Naiadacarus sidorchukae (Klimov et al., 2019b). Вид относится к роду, включающему как наземные, так и пресноводные виды, поэтому является важным для понимания наземных-пресноводных экологических переходов. Также мы описали новый род и вид водяных клещей, Eupanisellus kazakhstanicus (Tuzovskij, Stolbov, 2021).