Размер и структура геномов амфипод (Crustacea: Amphipoda) Байкальского региона как ключ к механизмам симпатрического и аллопатрического видообразования в озере Байкал

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 проекта 22-14-00128

НазваниеРазмер и структура геномов амфипод (Crustacea: Amphipoda) Байкальского региона как ключ к механизмам симпатрического и аллопатрического видообразования в озере Байкал

Руководитель Дроздова Полина Борисовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет" , Иркутская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-105 - Эволюционная биология

Ключевые слова Байкал, геномика, амфиподы, эволюция, адаптация, видообразование

Код ГРНТИ34.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Несмотря на сходство ключевых процессов в клетках всех живых организмов, состав и размеры геномов у разных видов сильно варьируют. При этом вопросы, касающиеся причин большой вариабельности этих параметров и роли повторяющихся последовательностей ДНК в процессе видообразования, пока не получили ответов. В случае гидробионтов на размер генома оказывает влияние множество факторов, например, такие как температурный режим и глубина обитания, метаболическая активность вида, выбор экологической стратегии и т.д., но механизмы влияния этих факторов не всегда очевидны. Возможные причинно-следственные связи наиболее эффективно изучать в компактных группах близкородственных видов. Уникальным примером такой группы видов являются эндемичные разноногие раки, или амфиподы (Crustacea: Amphipoda) озера Байкал, представленные более чем 350 видами и подвидами. Байкальские амфиподы существенно различаются по размерам геномов. Так, на примере 36 видов выявлена положительная корреляция этого параметра с длиной взрослых особей вида и глубиной его обитания. При этом установлено, что у 32 видов, ранее изученных в другом исследовании, кариотип идентичен. Стабильность кариотипа исключает один из самых распространённых механизмов формирования больших геномов — полногеномную дупликацию и ставит вопрос о влиянии других механизмов, например, за счёт увеличения количества повторяющихся последовательностей. Ранее в ходе предпринятого нами секвенирования генома байкальского Eulimnogammarus verrucosus была выявлена высокая степень сложности его сборки из-за большого количества повторяющихся последовательностей. В совокупности данные, полученные к настоящему времени, указывают на вероятность существенного вклада повторяющихся последовательностей в определение размера генома байкальских амфипод и в конечном итоге в процесс видообразования. Тем не менее, этот вопрос остаётся практически не раскрытым. В рамках предлагаемого проекта будут исследованы размер и структура геномов ключевых видов амфипод Байкальского региона и ассоциированные с ними возможные репродуктивные барьеры. В частности, будут получены ответы на следующие фундаментальные и методические вопросы: (1) Обладают ли две группы байкальских амфипод (потомки первой и второй волны вселения в оз. Байкал), а также родственный потомкам второй волны вселений голарктический вид Gammarus lacustris, схожим разнообразием и распределением повторяющихся последовательностей по хромосомам или они уникальны для представителей каждого из вселений или даже для отдельных родов? (2) Могли ли изменения в размере и структуре геномов стать причиной разделения эврибатных представителей уникального глубоководного пресноводного рода Ommatogammarus на отдельные виды с пересекающимися глубинами обитания? (3) Существуют ли репродуктивные барьеры между географически разделёнными популяциями внутри некоторых видов литоральных байкальских амфипод и связаны ли они с изменениями в размере и структуре геномов? (4) Может ли гибридная сборка (сборка чтений секвенирования второго и третьего поколений) при использовании небольшого количества длинных чтений существенно улучшить и упростить сборку сложных геномов? Для выполнения проекта будут применены разноплановые методы от классических гидробиологических до современных молекулярно-биологических и биоинформатических подходов. Помимо фундаментальной значимости, проект будет иметь и прикладное значение. Оно будет состоять в подготовке основы для будущих геномных проектов с использованием эндемичных амфипод оз. Байкал (и других организмов). В ходе реализации проекта будет апробирован новый инструмент для сборки сложных геномов. Этот подход может существенно сократить затраты на выполнение геномных проектов и в будущем стать одним из стандартных методов для анализа данных секвенирования геномов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дроздова П.Б., Саранчина А.Е., Мадьярова Е.В., Гурков А.Н., Тимофеев М.А. Experimental Crossing Confirms Reproductive Isolation between Cryptic Species within Eulimnogammarus verrucosus (Crustacea: Amphipoda) from Lake Baikal International Journal of Molecular Sciences, Т. 2022, № 23, номер статьи 10858. (год публикации - 2022)
10.3390/ijms231810858

2. Лубяга Ю.А., Яринич Л.А., Дроздова П.Б., Пиндюрин А.В., Гурков А.Н., Люкенбах Т., Тимофеев М.А. The ABCs of the amphipod P-glycoprotein: Heterologous production of the ABCB1 protein of a model species Eulimnogammarus verrucosus (Amphipoda: Gammaridae) from Lake Baikal Comparative Biochemistry and Physiology, Part C, Т. 271. Номер статьи 109677 (год публикации - 2023)
10.1016/j.cbpc.2023.109677

3. Широкова Ю.А., Саранчина А.Е., Шатилина Ж.М., Кащук Н.Д., Тимофеев М.А. Comparison of Olfactory Sensilla Structure in Littoral and Deep-water Amphipods from the Baikal Region Inland Water Biology, Т. 16, №5, с. 873-883 (год публикации - 2023)
10.1134/S1995082923050140

4. Дроздова П.Б., Шатилина Ж.М., Мутин А.Д., Саранчина А.Е., Гурков А.Н., Тимофеев М.А. The curious case of Eulimnogammarus cyaneus (Dybowsky, 1874): reproductive biology of a widespread endemic littoral amphipod from Lake Baikal Journal of Experimental Zoology Part A (год публикации - 2024)

5. Дроздова П.Б., Мадьярова Е.В., Гурков А.Н., Саранчина А.Е., Романова Е.В., Петунина Ж.В., Перетолчина Т.Е., Щербаков Д.Ю., Тимофеев М.А. Lake Baikal amphipods and their genomes, great and small Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii / Vavilov Journal of Genetics and Breeding, V. 28. - № 3. - P. 317-325. (год публикации - 2024)
10.18699/vjgb-24-36

6. Саранчина А.Е., Мутин А.Д., Говорухина Е.Б., Ржечицкий Я.А., Гурков А.Н., Тимофеев М.А., Дроздова П.Б. Genetic diversity in a Baikal species complex Eulimnogammarus verrucosus (Amphipoda: Gammaroidea) in the Angara River, the only outflow of Lake Baikal Zoologica Scripta, V. 53. P. 867–879. (год публикации - 2024)
10.1111/zsc.12681

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В третий год выполнения проекта было проведено секвенирование в низком покрытии геномов ряда видов: трёх видов глубоководных стервятников рода Ommatogammarus; обитающих в водоёмах Прибайкалья Gammarus lacustris и Gammarus dabanus; нового вида из комплекса видов Eulimnogammarus verrucosus — E. verrucosus A (ангарского вида); внешне и экологически схожего с E. cyaneus, но не сестринского E. messerschmidtii. Для этих данных проведён ряд анализов: собраны митохондриальные геномы и проанализирован состав повторяющихся последовательностей. Секвенирование геномов трёх видов глубоководных стервятников рода Ommatogammarus — O. flavus, O. albinus и подвида O. carneolus melanophthalmus — показало, что, в отличие от Eulimnogammarus sp., у видов рода Ommatogammarus на втором месте по распространённости располагались транспозоны LINE, а частота встречаемости индивидуальных кластеров повторов не превышала 4%. Принципиальные различия в составе повторяющихся элементов между близкородственными литоральными и глубоководными амфиподами при схожих размерах геномов (5–6 пг для Ommatogammarus и 4–8 пг для Eulimnogammarus) могут свидетельствовать о разных особенностях эволюции в этих экосистемах. Для Ommatogammarus sp. также получены последовательности митохондриальных генов, подтверждено, что O. flavus является сестринской группой по отношению к двум другим видам, и уточнено время расхождения (около 5-6 млн лет). Следовательно, внешнее сходство O. flavus и O. c. melanophthalmus является конвергентным и может быть связано с обитанием на меньших глубинах. Анализ спектров повторов в геномах рода Eulimnogammarus показал, что большинство из них — это различные сателлитные последовательности, специфичные для групп близких видов. Повторы в геноме E. verrucosus A оказались схожими с таковыми в прочих видах этого комплекса. Сравнение состава повторов в геноме E. messerschmidtii с экологически схожим E. cyaneus и менее схожим, но более генетически близким E. verrucosus показало бОльшую схожесть с E. cyaneus. Эти данные подтверждают сделанное ранее наблюдение о корреляции морфологического сходства и сходства повторов. Завершён первый анализ генетического происхождения генетической группы E. verrucosus из р. Ангары. Получена сборка митохондриального генома E. verrucosus A и уточнено время расхождения внутри комплекса E. verrucosus. Топология дерева и полученные оценки по полному митохондриальному геному хорошо согласуются с полученными ранее по фрагменту COI и показывают, что этот вид первым отделился от общего предка всего комплекса видов около 5 млн лет назад. По анализу генетического разнообразия комплекса E. verrucosus в р. Ангаре опубликована статья: A. Saranchina, A. Mutin, E. Govorukhina, Y. Rzhechitskiy, A. Gurkov, M. Timofeyev, P. Drozdova. Genetic diversity in a Baikal species complex Eulimnogammarus verrucosus (Amphipoda: Gammaroidea) in the Angara river, the only outflow of Lake Baikal. Zoologica scripta (Q1, IF-2024 2.3). 2024. 53(6): 867–879. https://doi.org/10.1111/zsc.12681 Подведены итоги экспериментов по скрещиванию E. verrucosus. Полученные данные подкрепляют вывод о том, что виды внутри E. verrucosus разделены и презиготическим, и постзиготическим репродуктивным барьером. Оба барьера не абсолютны, но сочетание способно обеспечить репродуктивную изоляцию при встрече представителей разных линий. В случае E. cyaneus существенно дополнены сведения о генетическом разнообразии вида и завершён эксперимент по скрещиванию представителей популяций, разделённых истоком р. Ангары. Филогения на основе митохондриальных генов подтвердила данные по COI: подразделения по месту отлова не выявлено. Восстановление филогении по однокопийным ортологам, напротив, показало разделение. Вероятно, в настоящий момент поток генов между этими популяциями отсутствует, а слабое генетическое разделение действительно могло сформироваться при возникновении русла р. Ангары 150–7 тысяч лет назад: такого временного промежутка достаточно для накопления различий в частотах аллелей под воздействием дрейфа генов. Данные о генетической подразделённости E. cyaneus можно использовать для поиска в геномах этих популяций высоковариабельных маркеров и калибровки молекулярных часов для этого и родственных видов. В эксперименте в опытных и контрольных скрещиваниях наблюдали выход молоди в схожем количестве и в одинаковые сроки. Эти данные говорят о репродуктивной совместимости представителей вида из местообитаний, разделённых истоком р. Ангары, и подтверждают сделанный ранее вывод о том, что для изученных видов рода Eulimnogammarus кластеры по маркерному фрагменту COI совпадают с биологическими видами. Кроме того, мы обнаружили, что в лаборатории представители E. cyaneus может размножаться постоянно на протяжении более года, что говорит о потенциале данного вида для создания лабораторной культуры байкальских амфипод при условии решения проблемы выживания молоди. По анализу репродуктивной совместимости популяций E. cyaneus, разделённых истоком р. Ангары, и особенностей размножения этого вида принята к печати статья: P. Drozdova, Zh. Shatilina, A. Mutin, A. Saranchina, A. Gurkov, M. Timofeyev. The curious case of Eulimnogammarus cyaneus (Dybowsky, 1874): reproductive biology of a widespread endemic littoral amphipod from Lake Baikal. Journal of Experimental Zoology A (Q1, IF-2024 1.9) (in press) Проверены различные алгоритмы и комбинации параметров для сборки сложного генома E. verrucosus W. Сравнение сборки коротких чтений и гибридной сборки алгоритмом MaSuRCa показывает, что добавление длинных чтений в относительно низком покрытии действительно существенно улучшает качество. Получена черновая сборка генома с относительно низкой фрагментированностью (N50=319 т.п.н.) и высокой полнотой по универсальным однокопийным ортологам: найдены полные гены 77% и частичные для 14 %, которая будет являться первой полноценной сборкой ядерного генома для байкальских амфипод. По современному состоянию генетических исследований байкальских амфипод, в том числе и по результатам данного проекта, опубликована обзорная статья: П.Б. Дроздова, Е.В. Мадьярова, А.Н. Гурков, А.Е. Саранчина, Е.В. Романова, Ж.В. Петунина, Т.Е. Перетолчина, Д.Ю. Щербаков, М.А. Тимофеев. Байкальские амфиподы и их геномы, большие и малые. Вавиловский журнал генетики и селекции Вавиловский журнал генетики и селекции (Q2, IF-2024 0.9). 2024. 28(3): 317–325. https://vavilovj-icg.ru/download/08_Drozdova.pdf P.B. Drozdova, E.V. Madyarova, A.N. Gurkov, A.E. Saranchina, J.V. Petunina, T.E. Peretolchina, D.Y. Sherbakov, M.A. Timofeyev. Lake Baikal amphipods and their genomes, great and small. Vavilov Journal of Genetics and Breeding (Q2, IF-2024 0.9). 2024. 28(3): 317–325. https://dx.doi.org/10.18699/vjgb-24-36

Публикации

Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта показано, что дополнение данных секвенирования сложного генома с большим количеством повторов длинными чтениями в относительно невысоком покрытии (около 5x) принципиально улучшает качество сборки. Данный практический результат формирует технологический задел в области секвенирования сложных геномов животных и растений, важных для сохранения устойчивости естественных и антропогенных экосистем. Кроме того, в ходе выполнения проекта существенно расширены данные о маркерных филогенетических последовательностях и полных геномах широкого ряда видов амфипод Байкальского региона, в том числе представителей комплексов критических видов. Эти результаты важны для (1) высокопроизводительного мониторинга изменений состава сообществ в различных частях озера Байкал и близлежащих водоёмов в условиях глобальных климатических изменений и усиливающейся антропогенной нагрузки и (2) уточнения как доступной в конкретный момент, так и предпочитаемой кормовой базы промысловых видов байкальских рыб по составу их кишечников.