Исследование механизмов видообразования у саранчовых подсемейства Gomphocerinae (Orthoptera, Acrididae) на примере видов-двойников из группы Stenobothrus eurasius

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 23-24-00533

НазваниеИсследование механизмов видообразования у саранчовых подсемейства Gomphocerinae (Orthoptera, Acrididae) на примере видов-двойников из группы Stenobothrus eurasius

Руководитель Веденина Варвара Юрьевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Половой отбор, видообразование, Orthoptera, cаранчовые, виды-двойники, акустическая коммуникация, ухаживание, предъявление сигнала, гибридизация, интрогрессия, АТ-богатый район, RADseq

Код ГРНТИ34.23.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Акустические сигналы часто служат основным средством сближения половых партнеров, поэтому эффективность этих сигналов как изолирующих барьеров, как правило, очень высока. Два вида-двойника из подсемейства Gomphocerinae, S. eurasius и S. hyalosuperficies, представляют собой прекрасную модель для исследования механизмов видообразования. Виды гибридизируют в контактной зоне. При этом эти виды издают не только разные акустические сигналы, но и используют разные механизмы звукоизлучения. Самцы S. eurasius издают сигналы в процессе обычной стридуляции, тогда как S. hyalosuperficies используют два механизма: посредством биения крыльев и посредством стридуляции. Акустический анализ показывает, что призывный сигнал S. hyalosuperficies проще, чем сигнал S. eurasius. При этом мы считаем, что S. eurasius, издающий более сложный сигнал, ближе к предковому виду, а S. hyalosuperficies появился позже в процессе эволюции. Все существующие виды гомфоцерин, для которых показано древнее происхождение, издают сигналы только посредством стридуляции. В то же время, проведенные нами пилотные поведенческие эксперименты показали, что самки S. hyalosuperficies менее избирательны, чем самки S. eurasius. Мы не можем объяснить такой результат, т.к. считается, что самки более молодого вида выказывают большую избирательность. В связи с этим один кластер исследований будет посвящен проведению поведенческих экспериментов с проигрыванием синтезированных акустических сигналов, в которых можно изменять различные параметры. Поведенческие эксперименты позволят выявить предпочтения тех или иных параметров сигнала, что, в свою очередь, позволит предположить механизмы видообразования. Другой кластер исследований будет включать использование современных методов молекулярно-генетического и геномного анализов. Основная задача – выявить видоспецифические различия на уровне нуклеотидной изменчивости и по соотношению частот аллелей, изучить генетическое разнообразие в популяциях обоих видов в зоне аллопатрии и в контактной зоне; определить роль потока генов; оценить время дивергенции видов и исследовать филогеографическую историю видов по данным ядерных и мт-маркеров. Границы в комплексах криптических видов, возникших в результате недавнего и быстрого видообразования, не всегда удается определить при помощи стандартного набора маркеров. Недостаточная скорость накопления замен и предковый полиморфизм затрудняют молекулярную диверсификацию таксонов. Полученные ранее филогенетические реконструкции гомфоцерин демонстрируют низкие генетические дистанции между близкими видами и не выявляют монофилетических групп. Анализ последовательностей АТ-богатого района видов трибы Stenobothrini, имеющихся в базе данных NCBI, показал, что данный участок имеет относительно малую длину (около 770 п.о), последовательность в меньшей степени обогащена А и Т в сравнении с Drosophila и не содержит тандемных повторов с вариабельным числом копий. АТ-богатый район не входит в область мтДНК, которая часто бывает представлена в ядерном геноме в виде NUMT-последовательностей. Все это делает АТ-богатый район мтДНК перспективным маркером для исследования дивергенции, а также филогеографической истории видов S. eurasius и S. hyalosuperficies. Любой митохондриальный маркер отражает эволюцию всего мт-генома, поскольку нет рекомбинации, а также эволюцию таксона по материнской линии. Однако мт-древо часто не совпадает с генеалогией по ядерным маркерам и видовым древом в целом. Современный метод геномного анализа RADseq, который мы планируем использовать в данной работе, позволяет использовать полиморфизм по большому количеству ядерных локусов для оценки генетических дистанций, времени дивергенции, степени дифференциации и генетического разнообразия видов S. eurasius и S. hyalosuperficies, а также определить интенсивность и направление потока генов. Этот метод особенно выгоден в условиях отсутствия аннотированного генома для изучаемой группы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году в рамках проекта проведено две экспедиции, в Нижнее Поволжье (Астраханская, Волгоградская и Ростовская области) и Армению. В Нижнем Поволжье удалось обнаружить новые 4 популяции S. hyalosuperficies и 4 популяции S. eurasius. Примечательно, что S. hyalosuperficies был лишь на левом берегу Волги, S. eurasius – на правом берегу Волги. Записаны призывные сигналы и сигналы ухаживания 18 самцов S. hyalosuperficies из Волгоградской области и 6 самцов из Астраханской области, а также 15 самцов S. eurasius из Волгоградской области и 8 самцов из Ростовской области. В записанных сигналах мы не нашли гибридных признаков. В Армении не удалось обнаружить представителей группы S. eurasius. В то же время, были собраны следующие представители рода Stenobothrus: S. miramae, S. lineatus, S. werneri и S. sviridenkoi. Записаны акустические сигналы 17 самцов этих видов. Когда мы планировали экспедиции в Нижнее Поволжье, мы рассчитывали найти там аллопатрические популяции, по крайней мере, S. hyalosuperficies. Но анализ мтДНК показал, что среди гаплотипов новых образцов S. hyalosuperficies есть гаплотип S. eurasius. Таким образом, мы не можем считать популяции в Нижнем Поволжье аллопатрическими, а относим их к зоне симпатрии. Поведенческие эксперименты проводились не только на самках из Поволжья, привезенных из экспедиции, но и на самках S. eurasius, выведенных из кубышек, собранных в 2023 г. (Алтай). Выведение представителей рода Stenobothrus в лаборатории является непростой задачей. Мы пытались вывести потомство в течение нескольких лет, но не достигали успеха. Успех этого года позволил нам провести эксперименты на самках S. eurasius из зоны аллопатрии. Эксперименты проводились на модифицированной установке, использованной для экспериментов в 2023 году. Установка состоит из 16 индивидуальных камер, оснащенных динамиком для проигрывания сигналов, микрофоном для записи ответного сигнала самки и устройством видео-регистрации. Использование видеозаписи было необходимо, т.к. самки S. eurasius издают тихий ответный сигнал, который не всегда регистрируется микрофоном, а на видеозаписи стридуляционные движения ног хорошо заметны. Таким образом у нас впервые появилась возможность сравнить поведение самок S. eurasius из контактной зоны и зоны аллопатрии. Полученные результаты подтвердили данные, полученные ранее по самкам из контактной зоны: самки S. eurasius были достаточно селективны и предпочитали конспецифические сигналы. При этом самки с фенотипом S. eurasius из контактной зоны были более избирательны при выборе полового партнера, чем самки из зоны аллопатрии. Самки из контактной зоны достоверно реже отвечали на сигналы гибридных самцов и выбирали конспецифические сигналы чаще, чем самки из Алтайских популяций. Поддержание гибридизации, по всей видимости, обусловлено предпочтениями самок S. hyalosuperficies, которые показали низкую селективность и одинаково активно отвечали на конспецифические и гетероспецифические сигналы. Различия между самками из разных точек контактной зоны выражены не сильно, нами не было найдено никаких достоверных различий. Мы предполагаем, что в контактной зоне имеет место отбор против гибридов посредством усиления изолирующих барьеров (“reinforcement”). Это объясняет узость и бимодальность контактной зоны (т.е. преобладание фенотипов, похожих на один из родительских видов и малое количество гибридных фенотипов). Несмотря на то, что нам не удалось исследовать предпочтения самок S. hyalosuperficies из зоны аллопатрии, низкая селективность самок из контактной зоны может говорить об отсутствии отбора против гибридов. Таким образом, усиление изолирующих барьеров было обнаружено только со стороны S. eurasius. В ходе молекулярно-генетического анализа мы пытались проверить гипотезу, согласно которой смещение интрогрессии ядерных локусов происходит в направлении от S. eurasius к S. hyalosuperficies, в связи с адаптацией к условиям новых территорий. Мы применили один из вариантов полногеномного секвенирования ddRADseq. Секвенирование библиотеки из 60 образцов (7 популяций) проведено в лаборатории “Геномед” на приборе HiSeq4000. После предпроцессинга, фильтрации и демультиплексирования были получены библиотеки с числом прочтений от 640 тыс до 8,9 млн на библиотеку: последовательности только для двух образцов содержали 1 млн. прочтений. Мы также провели анализ изменчивости мтДНК по данным последовательности контрольного региона (СR) для двух популяций S. eurasius и S. hyalosuperficies, собранных в 2024 г. в Нижнем Поволжье (зона симпатрии). Большинство полученных мт-гаплотипов S. eurasius и S. hyalosuperficies относятся к основной полифилетической кладе рода Stenobothrus (базовая гаплогруппа), которая включает другие виды рода, за исключением S. carbonarius. В прошлом отчетном периоде мы получили аналогичные результаты для популяций из зоны контакта ареалов. Полученные данные могут указывать на поток генов, в результате которого в данной части ареала мт-генофонд S. eurasius постепенно замещается гаплотипами S. hyalosuperficies, что способствует продвижению гаплотипов базовой гаплогруппы вглубь ареала S. eurasius. В то же время, нельзя исключать гипотезы о неполном расхождении митохондриальных линий.

Публикации

1. Сорокина С.Ю., Севастьянов Н.С., Тарасова Т.А., Веденина В.Ю. The Fast Evolution of the Stenobothrini Grasshoppers (Orthoptera, Acrididae, and Gomphocerinae) Revealed by an Analysis of the Control Region of mtDNA, with an Emphasis on the Stenobothrus eurasius Group Insects, Insects 2024, 15(8), 592 (год публикации - 2004)
https://doi.org/10.3390/insects15080592

2. Веденина В.Ю., Севастьянов Н.С., Ковалева Е.Г. New data on bioacoustics and courtship behaviour in grasshoppers (Orthoptera, Acrididae, Gomphocerinae) from Russia and adjacent countries ZooKeys, ZooKeys, 1200, 1–26. (год публикации - 2004)
https://doi.org/10.3897/zookeys.1200.118422