КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-24-00108

НазваниеГибридные зоны млекопитающих: пространственно-временная динамика, генетическая структура и популяционные механизмы долговременного существования (на примере р. Spermophilus)

РуководительТитов Сергей Витальевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет", Пензенская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-101 - Зоология

Ключевые словаМежвидовая гибридизация, гибридные зоны, гибридные популяции, молекулярно-генетический анализ, популяционно-генетическая структура, гибриды, суслики

Код ГРНТИ34.33.27, 34.35.17

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изучение структуры и популяционно-генетических механизмов формирования и долговременного существования природных гибридных зон, а также их роли в микроэволюционных процессах и видообразовании является одной из важнейших фундаментальных проблем современной биологии и эволюционной теории. Межвидовая гибридизация повышает изменчивость природных популяций и поставляет материал для естественного отбора (Крюков и др., 2001), а гибридные зоны, в этом смысле, могут рассматриваться как «естественные лаборатории для эволюционных исследований» (Hewitt, 1988; Hewitt, 2001) и «окна в процесс эволюции» (Harrison, 1990). Наблюдение за долговременно существующими гибридными зонами позволяет выделить не только цепочку популяционных событий, ведущих к появлению гибридных поселений, но и выявить микроэволюционные новообразования, как на уровне видовой специфичности, так и на уровне структурной организации надорганизменных биологических систем. На сегодняшний день накоплен обширный фактический материал, описывающий пространственную структуру гибридных зон животных и направление и характер интрогрессии генов гибридизующих видов (Jiggins et al., 1996; Serrano et al., 1996; Harrison, Rand, 1989; Jiggins, Mallet, 2000; Good et al., 2003; Miller et al., 2003, 2007 и мн. другие). В тоже время данных о структуре гибридных зон и образующих их популяций, и тем более об их динамике в пространстве и времени, достаточных для понимания особенностей происходящих процессов, в современной научной литературе практически отсутствуют. Поэтому хронологические исследования генетической и популяционной структуры гибридных зон и популяций их образующих, а также влияния на процесс межвидовой гибридизации экологических и социальных факторов, особенностей жизненного цикла и индивидуальных признаков у разных по происхождению особей являются актуальными. Такие исследования необходимы для понимания механизмов и последствий естественной межвидовой гибридизации, как для особи, так и популяции и вида в целом. Использования молекулярно-генетических маркеров как ядерной и митохондриальной ДНК (диагностирующих гибридное происхождение, а также направление и силу интрогрессии генов родительских видов), так и микросателлитной ДНК (выявляющих индивидуальный полиморфизм и родственные линии особей) в исследованиях такого рода поднимают решение указанной фундаментальной проблемы на совершенно новый уровень. Цель проекта - исследование популяционной и генетической структуры гибридных зон млекопитающих (на примере евразийских видов сусликов) и образующих их гибридных поселений в пространственно-временной динамике и под влиянием экологических и социальных факторов. Предполагается изучить основных экологических и социальных факторы и популяционно-генетические механизмы процесса образования и существования гибридных зон и гибридных поселений млекопитающих на примере 2 ныне существующих модельных гибридных зон евразийских видов сусликов рода Spermophilus (major/fulvus и major/suslicus). Планируется проследить многолетнюю динамику их пространственной и генетической структуры гибридных зонах, а также пространственно-генетическую структуру гибридных и видовых популяций их образующих. Будут изучены адаптивные изменения биологического и генетического разнообразия гибридных популяций в результате межвидовой гибридизации как в момент их образования, так и в период их дальнейшего развития и существования и на момент их исчезновения. Для достижения поставленной цели предполагается: 1. Выявить современные границы и многолетнюю динамику модельных гибридных зон и изучить их метапопуляционную структуру на основе подробного генетического и популяционного анализа существовавших ранее и существующих ныне поселений сусликов. 2. Исследовать популяционную структуру, морфологическое и генетическое разнообразие населения гибридных популяций большого и желтого, большого и крапчатого, а также модельных поселений родительских видов в соответствующих гибридных зонах. 3. Изучить многолетнюю динамику популяционной и генетической структуры существующих модельных гибридных и одновидовых поселений сусликов в зависимости от изменений плотности населения, возрастного и полового состава, пространственного распределения индивидов, особенностей жизненного и годового цикла особей. 4. На основе анализа генетической структуры гибридогенных популяций, динамики морфогенетического разнообразия их населения и степени панмиксичности установить механизмы их стабилизации. 5. Оценить репродуктивный успех у гибридов, появившихся в различных вариантах скрещивания родительских видов и/или гибридов, а также степень их включенности в социальные отношения с родительскими видами (репродукция, биоакустика, пространственные отношения). Оценить эволюционные перспективы гибридогенных популяций, выявить факты формообразования и их микроэволюционные последствия. При применении неинвазивных методов популяционных исследований и проведении подробного популяционно-генетического анализа всего населения популяций, как средств достижения цели, ожидаемые результаты соответствует уровню указанной фундаментальной биологической проблемы и современным требованиям к способу ее решения.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта ожидается получить следующие результаты: 1. Будет исследовано современное состояние модельных гибридных зон большого и крапчатого (Ульяновская обл., Чувашия) и большого и желтого сусликов (Саратовская область), в частности будут уточнены локалитеты гибридных и одновидовых поселений, изменения границ зоны контакта видов, соотношение одновидовых и контактных поселений. Планируется пополнить имеющуюся коллекцию биопроб и провести сбор нового материала для генетических исследований, в ходе которых ожидается получить данные по метапопуляционной структуре видовых ареалов и гибридной зоны в целом, а также новые сведения о генетическом разнообразии населения локальных поселений сусликов, как изолирующего или способствующего гибридизации факторе. Кроме того, предполагается пополнить базу данных по морфологическим и биоакустическим признакам, как особей родительских видов, так и гибридных особей различных по своему происхождению. 2. Будет изучены пространственная, демографическая и социальная структура и генетическое разнообразие модельных гибридных популяций большого и желтого (Саратовская обл.) и большого и крапчатого (Ульяновская обл.) сусликов. В частности будут получены новые данные по распределению особей с различным генетическим статусом в границах контактных поселений, степени их пространственной агрегации и причинах пространственной разобщенности; планируется получить новые данные по половому составу гибридных поселений, а также пространственному распределению и концентрации особей принадлежащим к различным демо- и социальным группам. В совокупности с данными уже проведенных 20 лет назад исследований полученная в результате реализации проекта подробная популяционная характеристика гибридных поселений, позволит выделить направление и темпы многолетней динамики их структуры и выявить причины таких изменений. 3. По результатам молекулярно-генетических анализа биоматериала будут получены новые данные по многолетней динамики популяционно-генетической структуры видовых и контактных поселений сусликов в зависимости от изменений плотности населения, возрастного и полового состава, пространственного распределения различных по происхождению категорий особей. Сравнение этих данных с данными полученными в модельных гибридных поселениях в 2000-2020 гг., позволит выявить направление и силу происходящих в них автономных генетических процессов (силу потока генов родительских видов, направление изменений гетерозиготности, качественную (по набору молекулярно-генетических маркеров) характеристику самого гибридного населения). 4. Полученные в ходе реализации проекта результаты анализа родственных отношений в гибридных поселениях, а также анализ репродуктивного успеха самок и самцов родительских видов и их гибридов в условиях алло- и симбиотопии и в зависимости от социо-демографических условий поселений (динамика численности, соотношение родительских видов, влияние родственных связей и степени натальной филопатрии) на основе данных молекулярно-генетического и популяционного анализа позволят выделить линии родственных особей, направления скрещиваний, а также популяционные механизмы поддержания "гибридной" природы поселений. В итоге подобная информация в сочетании с данными по структуре таких гибридных популяций позволит сделать прогноз о дальнейшей их судьбе, рисках вымирания, перерождении в видовые поселения со следами интрогрессии чужеродного генетического материала или шансах на долговременное существование. 5. На основе оценки репродуктивного успеха и систем спаривания, биоакустических и морфологических особенностей и пространственного распределения (анализ гибридов большого и желтого, большого и крапчатого сусликов и их социо-демографического статуса) ожидается получить сведения о степени их включенности в социальные отношения с родительскими видами. Кроме этого, планируемая комплексная оценка признаков гибридных особей в сочетании подробной характеристикой их генетического статуса позволит выявить факты формообразования и оценить микроэволюционные последствия таких вновь приобретенных признаков. Такое изучение гибридных особей поможет провести наиболее объективную оценку эволюционных перспектив изучаемых гибридогенных популяций. 6. Будет уточнена типизация изучаемых гибридных зон сусликов, как видов млекопитающих, имеющих дискретное распространение в ареале (поселения) и ведущих преимущественно оседлый образ жизни проведенной нами в 2010 г., но уже с учетом динамики их развития и изменений в большем пространственно-временном масштабе. Доработанная на основе результатов выполнения проекта модель гибридной популяции колониальных видов млекопитающих (Титов, 2009) позволит прогнозировать ее поведение в зависимости от меняющихся внутренних и внешних условий. В целом, новизну ожидаемых результатов определяется использованием при изучении популяционной структуре гибридных поселений и гибридных зон комплексного подхода в исследованиях и применением оригинальных молекулярно-генетических методов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведены исследования современного состояния (2022) гибридных зон большого (Spermophilus major) – желтого (S. fulvus) и большого – крапчатого (S. suslicus) сусликов. Были осуществлены полевые выезды в Саратовскую, Самарскую и Ульяновскую области. Общая протяженность маршрута составила 8000 км. Общее число обследованных поселений в гибридной зоне «major–fulvus» – 10, в зоне симпатрии и гибридной зоне «major–suslicus» – 24. Всего было отловлено 151 суслик трех видов и гибриды. Было установлено, что гибридная зона «major–fulvus» сузилась в широтном направлении более чем в 2 раза – 20,5 км (2018) –13,7 км (2020) – 8,9 км (2022). Ход деструктивных процессов в зоне симпатрии S. major и S. suslicus на современном этапе прекратился, но ее структура претерпела значительные изменения. Исследования показали, что по состоянию на 2018–2022 год из 72 обнаруженных в ее границах поселений 62 (86%) являются одновидовыми (S. major – 35, 48.5%; S. suslicus – 27, 37.5%) и 10 контактными (14%). В ходе исследования гибридных зон и зоны симпатрии сусликов были проведены полевые мониторинговые исследования модельных контактных поселений. По данным анализа ядерных генов (HOX b5, р53, псевдоген р53) соотношение видоспецифических гаплотипов (m:f, %) в гибридной зоне большого и желтого сусликов уклонилось в сторону S. major – 73:27. Выявленная динамика соотношения генотипов указывает на отсутствие прямых скрещиваний особей родительских видов (F1: 2018 – 1, 2020 – 1, 2022 – 0) и является результатом ассортативности скрещивания гибридов и расщепления в потомстве. Описанные случаи образования новых гибридных поселений за счет миграции особей одного из родительских видов или гибридов показывает возможный механизм структурных перестроек, как во времени, так и в пространстве, узкой бимодальной гибридной зоны с интрогрессивной гибридизацией. Анализ происхождения особей в выборках из 10 современных (2022) контактных поселений большого и крапчатого сусликов показал, что в 6 совместных поселениях были обнаружены только особи контактирующих видов. В отличие от этого в большинстве смешанных колоний были зарегистрированы гибридные особи (от 2 до 43%). Гибридизация большого и крапчатого сусликов является примером случайной интрогрессивной межвидовой гибридизации в широкой зоне симпатрии, а мозаичная гибридная зона является бимодальной экологического типа. Исследования 2022 года материнских (мтДНК, С-регион) и отцовских линий (интрон 8 гена SmcY, Y-хромосома) в этом гибридном поселении большого и желтого сусликов подтвердили выявленную ранее связь изменений генетической структуры популяции и усиления репродукции самок с силой миграционной активности особей. Увеличение доли митотипов большого суслика в поселении происходит через каждые 7-8 лет (2005, 2012 2020) после года роста доли Y-хромосомы S.major (2003, 2006, 2010, 2018). В тоже время вслед за годом высокой доли митотипов большого суслика через 1 или 2 сезона размножения следует год повышенной доли Y-хромосомы (тау корреляции Кендалла -1.0, р<0.05; коэффициент корреляции Фехнера -1.0; р<0.05), что подтверждено данными 2022 года. Выявленные показатели гетерозиготности в гибридной популяции в 2022 году достоверно различаются (Chi-Square=66.69, df=2, p<0.000) и характеризуются перекосом соотношения генотипов в сторону большого суслика и гибридов. Для уточнения сведений о структуре гибридной зоны большого и желтого сусликов была разработана оригинальная методика по выяснению происхождения гаплотипа А мтДНК у гибридных особей. Анализ особей из гибридного поселения большого и желтого сусликов по данным NGS-секвенирования (331 SNPs) подтверждает предположения о широкой интрогрессии генов большого суслика в гибридную популяцию. При этом обнаружение чужеродного генетического материала у «чистых» больших сусликов указывает на ассортативность скрещивания гибридов с особями большого суслика. Приспособленность межвидовых гибридов оценивали по соотношению генетической изменчивости и изменчивости биоакустических и морфологических (размеры, окраска) признаков у гибридов и особей родительских видов. Полученные результаты указывают на полилокусный детерминированный характер наследования гибридами видоспецифических признаков родительских форм. Несколько обособлено следует рассматривать гибридов с комбинированным наследованием генов родительских видов, которые максимально отличаются от особей родительских видов и гибридов с другими генотипами. Возможно, этот феномен можно рассматривать как результата микроэволюционного процесса формообразования.

 

Публикации

1. Дудников А. А., Чернышова О. В., Симаков М. Д., Титов С. В. История изучения распространения и современное состояние популяций сусликов Самарского края Russian Journal of Ecosystem Ecology, Vol. 7 (1) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21685/2500-0578-2022-1-1

2. Титов С. В., Картавов Н. А., Симаков М. Д., Чернышова О. В., Кузьмин А. А. Особенности динамики генетической структуры популяций крапчатого суслика (Spermophilus suslicus Güld.) в правобережном Поволжье Russian Journal of Ecosystem Ecology, Vol. 7 (3) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21685/2500-0578-2022-3-1

3. Титов С. В., Кузьмин А. А., Чернышова О. В., Картавов Н. А., Симаков М. Д. Spatio-Temporal and Genetic Features for a Hybrid Zone Structure Arisen over a Broad Sympatric Zone of Russet (Spermophilus major Pallas, 1778) and Speckled (Spermophilus suslicus Güldenstaedt, 1770) Ground Squirrels Biology Bulletin, 2023, Vol. 50, No. 3, pp. 400–415. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S106235902260324X

4. Титов С. В., Чернышова О. В., Симаков М. Д., Кузьмин А. А. Методика уточненной типизации мтДНК для исследований гибридизации большого (Spermophilus major Pall.) и желтого (S. fulvus Licht.) сусликов Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки., N 3. С. 65–73. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21685/2307-9150-2022-3-6

5. Титов С.В., Симаков М.Д., Чернышова О.В., Кузьмин А.А. Современные данные по гибридизации крапчатого Spermophilus suslicus (Guld.) и большого Spermophilus major (Pall.) сусликов в зоне симпатрии Современные проблемы биологической эволюции: материалы IV Международной конференции к 875‑летию Москвы и 115‑летию со дня основания Государственного Дарвиновского музея. 17–20 октября 2022, г. Москва. М.: ГДМ., С. 175–177. (год публикации - 2022)

6. Титов С.В., Симаков М.Д., Чернышова О.В., Кузьмин А.А. Гибридные зоны млекопитающих: пространственно-временная динамика и популяционно-генетические механизмы долговременного существования (на примере р. Spermophilus) Млекопитающие в меняющемся мире: актуальные проблемы териологии (XI Съезд Териологического общества при РАН). Материалы конференции с международным участием, 14–18 марта 2022 г., г. Москва, ИПЭЭ РАН. М.: Тов-во научных изданий КМК., С. 360. (год публикации - 2022)

7. Чернышова О.В., Дудников А.А., Симаков М.Д., Кузьмин А.А., Титов С.В. Генетические особенности популяций большого суслика (Spermophilus major Pall.) в правобережном Поволжье Млекопитающие в меняющемся мире: актуальные проблемы териологии (XI Съезд Териологического общества при РАН). Материалы конференции с международным участием, 14–18 марта 2022 г., г. Москва, ИПЭЭ РАН. М.: Тов-во научных изданий КМК., С. 400. (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведены исследования современного состояния (2023) гибридных зон большого (Spermophilus major) – желтого (S. fulvus) и большого – крапчатого (S. suslicus) сусликов. Были осуществлены полевые выезды в Саратовскую, Самарскую и Ульяновскую области. Общая протяженность маршрута составила около 6000 км. Обследовано более 50 поселений сусликов. Обнаружено 2 новых контактных поселения – гибридное поселение большого и желтого суслика с полным преобладанием гибридных особей и смешанное поселение большого и крапчатого сусликов со следами спорадической гибридизации. Всего было отловлено 100 сусликов трех видов и гибриды. Современное состояние (2023) гибридной зоны S. major и S. fulvus характеризуется незначительным ее расширением на север до южных окрестностей г. Красный Кут. При этом протяженность зоны увеличилась до 21 км. Исследование зоны симпатрии большого и крапчатого суслика на территории Ульяновской области показало, что по состоянию на 2023 год сохранились только 5 (из 10 в 2019) контактных поселений. Поведены полевые стационарные исследования в модельных гибридных популяциях S. major и S. fulvus и контактных поселениях S. major и S. suslicus. Анализ генетической структуры гибридной зоны S. major и S. fulvus по генотипам трех ядерных маркеров (НОХ b5, р53 и Ψр53) выявил достоверные различия c другими периодами. В 2022–2023 соотношение ядерных генотипов составило 72:23:5 и свидетельствует о стабильном состоянии доли гетерозигот и увеличении гомозигот (на 31%) S. major. Выявленная динамика соотношения генотипов указывает на отсутствие прямых скрещиваний особей родительских видов и является результатом преобладающего скрещивания гибридов и расщепления в потомстве. Результаты исследований состояния зоны симпатрии большого и крапчатого сусликов указывают на значительное изменение ее структуры. По причине продолжающейся депрессии численности сусликов в Поволжье отмечено почти 50% снижение количества контактных поселений. По-видимому, по этой же причине в поселении находящемся под мониторинговым наблюдением в течение 8 лет (2015–2023) в этом году была обнаружена гибридная самка, являющаяся результатом прямого скрещивания самки S. major и самца S. suslicus. Исследования материнских (мтДНК, CR) и отцовских линий (интрон 8 гена SmcY, Y-хромосома) в гибридном поселении большого и жёлтого сусликов “Усатово” выявили связь изменений генетической структуры популяции и усиления репродукции самок и с силой миграционной активности особей. В поселение отмечалось увеличение доли особей, несущих специфические для большого суслика гаплотипы мтДНК (Am, B1, B2, C1), и быстрое накопление Y-хромосомы S. major. Анализ динамики уровня гетерозиготности в этой гибридной популяции выявил сильный дисбаланс соотношения генотипов гибридов и родительских видов с явным преобладанием генотипов S.major. Результаты анализ выборки особей из гибридного поселения “Усатово” (n=17) путем мультиплексированного ISSR-генотипирования (MIG-seq, NGS-секвенированиe). (по 331 SNPs) подтверждают предположения о более широкой интрогрессии генов S. major в гибридную популяцию. При этом обнаруженный чужеродный генетический материал у “чистых” по результату предварительного генотипирования особей S. major указывает на ассортативность скрещивания гибридов с особями S. major. Приспособленность межвидовых гибридов оценивали по соотношению генетической изменчивости и изменчивости биоакустических и морфологических (размеры, окраска) признаков у гибридов и особей родительских видов. Результаты анализа размерных, окрасочных и биоакустических признаков гибридного населения из двух контактных зон сусликов свидетельствуют о довольно специфическом характере наследования признаков родительских видов и о наличии надежной дифференциации гибридов по генетическому статусу. Показан возможный механизм поддержания долговременного существования гибридных популяций, связанный с размыванием дивергентного хиатуса комплекса специфических признаков родительских форм за счет формирования дифференцированного гибридного населения. При элиминации особей родительских видов и по мере накопления в популяции гибридных особей с различным проявлением и сочетанием родительских признаков возникает ситуация, когда в панмиксичной гибридогенной популяции формируются новые специфические признаки, выделяющиеся на фоне размаха изменчивости родительских форм. По данным микросателлитного анализа гибридных популяций S. major и S. fulvus и S. major и S. suslicus были получены различающие их данные об уровне полиморфизма населения и о генетической структуре гибридной субпопуляции. Анализ структуры населения гибридного поселения S. major и S. fulvus выявил выраженную его дифференциацию и устойчивую кластеризацию особей в соответствии с их генетическим статусом. Анализ структуры населения гибридного поселения S. major и S. suslicus не выявил выраженной дифференциации различных по генетическому статусу особей. Гибриды могут попадать в любой из трех кластеров (S. major и S. suslicus), с преобладанием кластеризации в сторону S. major. Результаты микросателлитного анализа иллюстрируют возможную генетическую структуру гибридной популяции возникающей в результате интрогрессивной или поглотительной гибридизации.

 

Публикации

1. Картавов Н.А., Чернышова О.В., Титов С.В. Неравновесная динамика популяций как фактор межвидовых отношений большого (Spermophilus major Pall.) и крапчатого (S. sulicus Güld.) Сусликов в зоне симпатрии Живые системы – 2023: сборник научных статей / под ред. А.С. Пархоменко, О.И. Юдаковой. [Электронное издание сетевого распространения]. – Саратов : СГУ имени Н. Г. Чернышевского, 2023., С. 55-58 (год публикации - 2023)

2. Титов С.В., Кузьмин А.А., Чернышова О.В., Картавов Н.А., Симаков М.Д. Long-Term Dynamics of Spatial and Genetic Structure of a Narrow Hybrid Zone between Russet (Spermophilus major Pallas, 1778) and Yellow (Spermophilusfulvus Lichtenstein, 1823) Ground Squirrels BIOLOGY BULLETIN, - (год публикации - 2023)

3. Титов С.В., Чернышова О.В., Картавов Н.А., Закс С.С., Кузьмин А.А. Новый случай гибридизации крапчатого (Spermophilus suslicus Güld.) и большого (Spermophilus major Pall.) сусликов в зоне симпатрии Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки, - (год публикации - 2023)

4. Титов С.В., Чернышова О.В., Симаков М.Д., Картавов Н.А., Кузьмин А.А. «Наследование признаков родительских видов гибридами большого, желтого и крапчатого сусликов (Rodentia, Sciuridae, Spermophilus)» Зоологический журнал, - (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
не указано