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 23-74-01098
НазваниеМикроэволюционные процессы и генетические механизмы адаптаций белозубок рода Crocidura Восточной Африки на выраженном градиенте природных условий.
РуководительЗемлемерова Елена Дмитриевна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2023 - 06.2025 |
Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-101 - Зоология
Ключевые словаМлекопитающие, белозубки, интрогрессия, адаптация, видообразование, биоразнообразие, митохондриальный геном, геометрическая морфометрия, окислительное фосфорилирование, геномные методы, ddRadSeq
Код ГРНТИ34.33.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы биологии, связанной с изучением механизмов молекулярной адаптации и эволюции у млекопитающих. Предполагается проведение комплексного сравнительного анализа с использованием современных молекулярно-генетических и геномных методов и методов многомерной геометрической морфометрии разных видов белозубок рода Crocidura Восточной Африки с целью выявления и изучения факторов, определяющих их разнообразие и особенности приспособления к разным условиям обитания. Применение технологии высокопроизводительного секвенирования позволило изменить прежний подход, основанный на данных анализа немногочисленных локусов и эмпирически проверить ряд гипотез на полногеномных данных. Адаптации к резко различающимся экологическим условиям, в той или иной степени требуют перестройки энергетического метаболизма, а аминокислотные замены в активных участках белков, являющихся компонентами дыхательной цепи, потенциально могут иметь функциональное значение, обеспечивая их носителям селективное преимущество. Исследования микроэволюционных процессов на выраженном градиенте природных условий способствует лучшему пониманию потенциальных возможностей адаптации животных, особенно в условиях антропогенной трансформации окружающей среды и изменения климата.
Представители рода Crocidura являются идеальным модельным объектом для данного проекта, как в рамках исследования молекулярных механизмов адаптаций, так и для тестирования различных гипотез видообразования, поскольку отдельные виды данного рода распределены по градиенту высот, а их экологические ниши характеризуются резко различающимися характеристиками температурного режима и парциального давления кислорода, что предполагает разные потребности в энергии и, соответственно, разные метаболические особенности. Выбор территории исследования также неслучаен. Эфиопское нагорье - уникальное место для тестирования альтернативных гипотез видообразования, поскольку представляет собой обширный комплекс горных местообитаний Восточной Африки с широким спектром замещающих друг друга высотных поясов и устойчивыми годовыми климатическими условиями. Тестирование альтернативных гипотез видообразования имеет особое значение при исследовании процессов, создающих и поддерживающих биоразнообразие, понимание которых играет особую роль в разработке природоохранных стратегий.
Особую роль в данном проекте играет секвенирование музейной ДНК, что дополнит наше представление о понимании механизмов адаптивной изменчивости белозубок рода Crocidura, увеличит информативность в отношении филогенетического положения и популяционной генетики как вымерших, так и современных видов и будет актуальным в рамках разработки стратегий сохранения редких и находящихся под угрозой исчезновения видов.
Научная новизна проекта определяется оригинальной постановкой задач и уникальностью выбранного модельного объекта. Впервые в сравнительном аспекте будет проведено целостное, разностороннее исследование митохондриальных геномов белозубок рода Crocidura Восточной Африки, населяющих различные экологические ниши, и на его основании будет проанализировано влияние выраженного высотного градиента на микроэволюцию и формообразование белозубок. Исследование будет выполнено на разных молекулярно-генетических уровнях: от анализа отдельных филогенетических маркеров до трехмерной структуры белков. Впервые по ddRADseq данным будет проведена оценка следов межвидовой интрогрессии в отдельных модельных группах. Наш проект расширяет исследования по тестированию альтернативных гипотез видообразования в таком уникальном очаге эндемизма еще на одну группу млекопитающих – землероек. В рамках данной работы впервые будет осуществлена верификация градиентной модели видообразования сразу для трех близких видов млекопитающих, населяющих три смежных высотных пояса единого горного массива с использованием митогеномов и фрагментов генов ядерной ДНК музейных образцов.
Ожидаемые результаты
В ходе реализации данного проекта планируется получить следующие конкретные результаты:
- на основе последовательностей 13 белок-кодирующих митохондриальных генов будет проведен анализ сил положительного отбора в популяциях Crocidura, населяющих резко различающихся местообитаниях;
- будут выявлены конкретные радикальные нуклеотидные замены, кардинально изменяющие аминокислотный состав в последовательностях белок-кодирующих митохондриальных генов, потенциально имеющие функциональное значение для адаптации к обитанию в различных условиях;
- посредством моделирования трехмерных моделей белковых структур будет выполнена оценка функциональной значимости обнаруженных мутаций в последовательностях белок-кодирующих генов митохондриальной ДНК;
- будет проведен поиск параллелизмов в эволюции молекулярных структур в модельной группе близких форм, сходным образом распространенных на одном и том же высотном градиенте природных условий;
- будет проведена оценка полученных данных ddRADseq на предмет наличия следов межвидовой интрогрессии; определение ее направления и масштаба;
- будет проведен молекулярно-генетический анализ данных типовых образцов из музейных коллекций;
- будет определен уровень морфологической дивергенции у близких форм видов избранных модельных групп, населяющих смежные высотные пояса;
- на основе комплексного подхода методами молекулярной филогении и многомерной морфометрии для сестринских видов, занимающих соседние, но сильно отличающиеся местообитания, будет проведена проверка верификации экологической (“градиентной”) модели видо- и формообразования;
- помимо предполагаемой эволюционной и адаптивной изменчивости, итогом работы должны явиться новые представления о таксономии и филогении изученных групп;
- в результате выполнения проекта планируется публикация трех статей в международных журналах достаточно высокого статуса, индексируемых в WOS и Scopus.
Научная значимость ожидаемых результатов заключается в эмпирической проверке ряда положений, имеющих фундаментальное значение для эволюционной биологии. Поиск мутаций в белок-кодирующих митохондриальных генах, кардинально изменяющих аминокислотный состав, картирование их на филогенетическом дереве и локализация на трехмерной структуре белков позволят оценить возможную адаптивность наблюдаемых изменений, происходящих на молекулярном уровне в резко различающихся условиях обитания. Важным направлением работы является оценка влияния отбора в ходе адаптации, следы которого можно увидеть в полногеномных данных. Будет оценена роль интрогрессивной гибридизации в качестве источника генетического разнообразия и фактора формообразования. По результатам настоящего исследования впервые (по крайней мере, для млекопитающих) будет осуществлена верификация “градиентной” модели видообразования сразу для трех близких видов, населяющих три смежных высотных пояса единого горного массива. Секвенирование ДНК музейных образцов открывает новые возможности для использования музейных коллекций в современных исследованиях и решении таксономических проблем. Полученные результаты будут иметь особое значение для понимания общих закономерностей формирования и поддержания современного биологического разнообразия, большая часть которого сконцентрирована в тропической зоне. Прикладная значимость ожидаемых результатов определяется вкладом в развитие некоторых направлений природоохранной биологии и лучшего понимания потенциальных возможностей адаптации популяций и видов животных в условиях антропогенной трансформации окружающей среды и быстрого изменения климата. Стоит обратить внимание, что экологическая составляющая, наряду с экономической и социальной, является одной из ведущих в рамках концепции устойчивого развития. Полученные дополнительные знания о понимание процессов адаптаций крайне важны для человека в условиях мобильности современного мира (возможность переезда из одной точки в другую), смены обстановки и необходимости адаптации к новым условиям обитания. Социальная адаптация, по сути, является таким же ответом организма на изменения окружающей среды, поэтому полученные данные, в некоторой степени, могут помочь понять схожесть процессов экологической и социальной адаптаций.
Род Crocidura в настоящее время изучается многими группами ученых (Konečný et al., 2020; Bannikova et al., 2021; Li et al., 2021; Hinckley et al., 2022; Dianat et al., 2023), однако применение технологии NGS только внедряется в практику зоологических исследований данной группы. Выбранная модельная группа, исследуемые виды которой распределены по разным экологическим нишам на выраженном градиенте природных условий, предоставляет широкие возможности для изучения механизмов молекулярной адаптации и эволюции. Данный проект будет выполнен на базе научно-исследовательского института ИПЭЭ РАН, который обладает всей необходимой современной материально-технической базой. Таким образом, наше исследование не будет уступать мировым стандартам в данной области исследования ни в плане выбора исследуемой группы, ни в плане методологических подходов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Эфиопское нагорье – уникальная территория для тестирования альтернативных гипотез видообразования, представляющая собой обширный комплекс горных местообитаний Восточной Африки с широким спектром замещающих друг друга высотных поясов, климатические различия между которыми устойчивы в течение всего года. В данном исследовании впервые была осуществлена верификация градиентной (экологической) модели видообразования для трех видов белозубок (C. thalia, C. glassi и C. afeworkbekelei), замещающих друг друга в смежных высотных поясах горного массива Бале. На основе данных, собранных на протяжении всего южного склона гор Бале, мы реконструировали филогенетические отношения между этими видами, используя митохондриальные и ядерные маркеры. Кроме того, для оценки изменчивости формы и размера черепа и нижней челюсти был проведен анализ геометрической морфометрии. Молекулярные данные показали сходство трех видов и отсутствие реципрокной монофилии. Были показаны различия, как в размере, так и в форме черепа и нижней челюсти между лесными и высокогорными формами, хотя и без выраженного морфологического хиатуса. Были выявлены наиболее изменчивые участки черепа и нижней челюсти, что указывает на адаптацию к различным типам пищи. Из-за отсутствия морфологического хиатуса между исследуемыми видами и реципрокной монофилии каждого вида, мы не можем подтвердить их видовой статус, и полагаем, что C. afeworkbekelei и C. thalia следует рассматривать как разные экотипы, и их видовые названия должны быть сведены к младшим синонимам C. glassi.
Тем не менее, результаты настоящего исследования позволяют предполагать интенсивные процессы адаптации к разным условиям обитания вдоль значительного высотного градиента. Полученные результаты демонстрируют соответствие паттернов генетической и морфологической изменчивости предсказаниям модели градиентного видообразования. Это первый случай, подтверждающий градиентную модель видообразования сразу для трех форм млекопитающих, населяющих три смежных высотных пояса единого горного массива. Три экотипа Crocidura, по-видимому, находятся на начальной стадии этого процесса, которая характеризуется отсутствием выраженного морфологического хиатуса и генетической дифференциации между дивергирующими формами.
Адаптации к обитанию в резко различающихся условиях, в той или иной степени могут требовать перестройки энергетического метаболизма, а аминокислотные замены в активных участках белков, являющихся компонентами дыхательной цепи, потенциально могут иметь функциональное значение, обеспечивая их носителям селективное преимущество. Для исследования тенденций в эволюции митохондриального генома были получены последовательности полных митохондриальных геномов от трех видов белозубок (C. thalia, C. glassi и C. afeworkbekelei). Для последовательностей 13 белок-кодирующих митохондриальных генов, извлеченных из полученных митогеномов, был применен ряд современных методов для выявления давления положительного отбора как на молекулярном уровне в отдельных кодон-позициях или ветвях филогенетических деревьев (MEME, FEL, FUBAR, aBSREL и CodeML), так и на уровне белка (TreeSAAP). Кроме того, на основе нуклеотидных последовательностей соответствующих генов были реконструированы модели трехмерных белковых структур.
Анализ поиска следов эпизодического положительного отбора методами MEME, FEL, aBSREL и CodeML не выявили каких-либо следов, свидетельствующих о наличии положительного отбора в пользу определенных митохондриальных линий. Методами FEL и FUBAR было выявлено определенное количество сайтов, находящихся под очищающим типом отбора. Анализ TreeSAAP выявил 5 значимых радикальных аминокислотных замен, ведущих к изменению физико-химических свойств в данной аминокислотной позиции в структуре белка, в четырех митохондриальных генах, однако они были выявлены только у отдельных особей и не обнаружены у других, заселяющих те же местообитания. Можно предположить, что митохондриальный геном исследуемых форм находится под действием исключительно очищающего отбора. По всей видимости, адаптивная радиация и специализация трех исследуемых экотипов к обитанию в условиях различающихся высотных поясов не сопровождались значительными модификациями белок-кодирующих последовательностей митохондриального генома, а адаптации к обитанию в резко различающихся условиях не требовали перестройки энергетического метаболизма, вызванной непосредственно аминокислотными заменами в активных участках белковых комплексов, являющихся компонентами дыхательной цепи. Возможно, что адаптации данных форм выражены на других структурных уровнях организма.
Для группы видов C. turba/C. similiturba все проведенные анализы, в частности, филогенетический анализ на основе 13 белок-кодирующих митохондриальных генов, филогенетический анализ конкатенированных SNPs данных, полученных методом ddRad, оценка коанцестральной матрицы, а также анализ sNMF показали четкую структуру с разбиением на две основные филогенетические линии: C. similiturba и C. turba из Замбии, Маливии, Танзании и Республики Конго.
В журнал Mammalian Biology подана статья “The usage of historical DNA and geometric morphometric approach for detecting the ecological diversification along a remarkable altitudinal gradient”.
Публикации