Популяционно-генетическая структура вида у гидробионтов

Содержание Владивосток 1. Основные внутривидовые группировки животных ОБЩИЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД: ПЕРСПЕКТИВЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ Перспективы и ограничения генетического подхода
Средняя гетерозиготность Генетическое расстояние. Стандартное расстояние Нея (Dn) Определение вида 2. Специфика популяционно-генетической структуры у рыб и беспозвоночных. Факторы популяционно-генентической динамики и стационарности. Генетические основы рационального использования природных ресурсов Феноменологический подход Научный подход Главные факторы популяционно-генетической динамики Мера межпопуляционной дифференциации Простейшая модель популяционной структуры Комплексная природа генетической динамики и стационарности Классификация вариантов внутривидовой структуры, на основе использования популяционно-генетических средств Особенности популяционной организации морских организмов Генетическая изменчивость и дифференциация ПРИМЕР ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 3. Модели популяционно-генетической организации вида Модель панмиктической популяции Модели подразделенной популяции Островная модель Модель ступенчатой миграции ЭМПИРИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ 20
1. Основные внутривидовые группировки животных ОБЩИЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД: ПЕРСПЕКТИВЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ Проблемы биологического вида и видообразования привлекают исследовательский интерес с момента становления биологии, как науки. Данные проблемы являются одними из ключевых в общей биологии и общей генетике. Наиболее принята в настоящее время синтетическая теория эволюции (СТЭ), частью которой является биологическая концепция вида (БКВ). Перспективы и ограничения генетического подхода Перспективы. Редукция данных до генотипических значений (кодов) дает возможность использовать генетическую теорию в анализе. Возможно сравнительное исследование изменчивости между таксонами по структурным и регуляторным элементам генома. Исследование дивергенции видов из природы по белкам и ДНК привело к открытию «молекулярных часов». Появилась возможность филогенетических реконструкций: (1) не по сходству, а (2) по родству, за счет оценки хронологии и последовательности ветвлений в молекулярных филетических линиях. Ограничения. Дедукция ограничена генотипическими описаниями и генетической теорией. Анализ связан с предварительным, трудоемким экспериментальным исследованием (со своими собственными ограничениями). Исследование видов из природы часто ограниченно уникальностью или редкой повторяемостью события (феномена). Генотипические эффекты маркерных локусов на фенотип являются слабыми. Теория по некоторым направлениям не достаточно развита. В целом необходимы данные такого рода: Данные, которые подтверждают (отвергают) центральную догму неодарвинизма – эволюция может происходить только на основе генетических изменений. Данные об изменчивости на различных уровнях биологической организации в генетических терминах (полокусные генотипические значения – AA, …) – одномерные таблицы данных (ТД). Данные о генотипических значениях для особей по набору локусов (комплексный генотип – AA Bb…) – многомерные ТД. Дополнительные информация: морфологические данные, данные об абиотической изменчивости (по меньшей мере, как экспертные оценки – группирующие переменные) и др.

A
B

C Рис. 0. Схематическое представление видовой дивергенции во времени. А – единая видовая популяция, B – начальная фаза дивергенции (подвиды), C – различные виды. Кружки справой стороны представляют объединения отдельных демов или популяций, между которыми имеется поток генов вплоть до фазы В (По Dobzhansky, 1955). Наиболее представительными в настоящее время являются данные по изменчивости белковых или точнее ферментных генов. Посредством генетико-биохимического подхода и некоторых популяционно-генетических формул легко вычислить как уровень генетической изменчивости, так и степень сходства (или различия) генофондов особей из популяции одного вида или из различных видов. Средняя гетерозиготность.
H = Σ Li=1 hk / L. H – это средняя ожидаемая гетерозиготность на локус или на особь. hk = 1 - Σ mi=1 pi2, hk – ожидаемая гетерозиготность по одному локусу (Hexp=Hs), pi – частота i–того аллеля; L – число локусов. Наблюдаемая гетерозиготность равна: Hobs = hj / n, hj – число гетерозигот в выборке, n – общее число особей в выборке. Генетическое расстояние. Стандартное расстояние Нея (Dn).
Dn = - ln I. I – нормализованная генетическая идентичность для случайной выборки локусов. Для локуса j она равна: Ij = (Σ ki=1 xi yi) / √ Σ ki=1 xi 2 Σ ki=1 yi 2 Для всего набора локусов I равно: I = Jxy / √ JxJy; где Jxy, Jx, Jy – средние арифметические для сумм: Σ ki=1 xi yi, Σ ki=1 xi2, Σ ki=1 yi2. Здесь, xi и yi – это частоты аллелей в популяциях (таксонах) x и y, k – число аллелей во всех попарных сравнениях. Определение вида. Вид – это биологическая группировка, состоящая из одной или нескольких популяций перекрестно размножающихся особей, которые репродуктивно изолированы от других таких группировок и стабильны в природе, занимая определенный ареал. В принципиальных позициях, это определение, типичное для БКВ. Так, одно из первоначальных определений БКВ формулируется следующим образом “Вид – это репродуктивное сообщество популяций (репродуктивно изолированных от других), которое занимает определенную нишу в природе” (Mayr, 1982, p. 273). БКВ наиболее близко подходит к теории популяционной генетики. Имеются несколько других концепций вида со своими преимуществами и ограничениями, которые были критически проанализированы (Красилов, 1977; King, 1993). Список этих концепций дан ниже. Линнеевский вид. Биологическая концепция вида. Биологическая концепция вида в модификации Майра (БКВ) (Майр, 1947; 1968) БКВ, модификация II (Mayr, 1982). Концепция «распознания» (recognition ) вида (Paterson, 1978; 1985). Концепция сплоченности (cohesion) вида (Templeton, 1989). Эволюционная концепция вида. Эволюционная концепция вида Симпсона (Simpson, 1961). Эволюционная концепция вида Вилея (Wiley, 1978). Экологическая концепция вида (Van Valen, 1976). Филогенетическая концепция вида (Cracraft, 1983).
Вид – это таксономическая единица. Виды и подвиды представляют наименьшие таксономические категории из нескольких, приведённых ниже (Рис. 1).
Рис. 1. Примеры основных таксономических категорий: царство, тип, класс, отряд, семейство, род и вид (По On-Line Biology Book, 2002). Популяции могут быть определены несколькими способами (Яблоков, 1987). Лебедев (1946) использовал понятие элементарная популяция, чтобы определить наименьшую единицу вида, а в целом им выделены такие подразделения вида: подвид (географическая раса), экологическая раса, стадо, элементарная популяция. Однако Лебедев не считал элементарные популяции наследственными группировками, то есть, самовоспроизводящимися репродуктивными группировками. Янулов (1962) использовал термин стадо, как самовоспроизводящуюся единицу, а Марр (Marr, 1957) полагал, что самовоспроизводящейся единицей является субпопуляция. Алтухов (1974) определил локальное стадо (локальную популяцию): «Локальное стадо - это система субпопуляций, которая эквивалентна в теоретическом отношении подразделенной популяции, и является наименьшей, стабильной репродуктивной единицей вида». По своей близости к генетике, кажется вполне удовлетворительным такое определение. «Популяция – это репродуктивная группировка организмов, которые обладают общим генофондом» (Dobzhansky, 1951; 1970). Такую популяцию часто определяют термином дем или Менделевская популяция. И локальное стадо и субпопуляция подпадают под это определение. Алтухов с коллегами (Алтухов, Рычков, 1970; Алтухов, 1974; 1989; Алтухов и др., 1997) представили веские доказательства, что подразделенные популяции, такие как локальные стада, являются более стабильными единицами, как в пространстве, так и во времени. Именно они являются единицами воспроизводства и эволюции, представляя также единицы запаса в промысле. Яблоков (1987, с.56) также считает, что единицами самовоспроизводства внутри вида являются группировки более высокого ранга, чем демы. Однако могут быть и исключения. В частности, у северной креветки единицами воспроизводства являются панмиктические Менделеевские популяции и, возможно, что и вид в целом будет единицей воспроизводства. Это зависит от особенностей биологии организмов. Имеется два использования термина популяция: в смысле определения Добжанского и в общем смысле, как любой группы особей, не предполагая генетической нагрузки. В последнем случае временные скопления, типа стай и экологических групп могут именоваться популяциями. Лучше избегать такого второго смысла. Схематическое представление о внутривидовой структуре (Рис. 2). Рис. 2. Главные внутривидовые подразделения: 1) подвиды (географические расы), 2) локальные популяции (стада), 3) демы (субпопуляции, Менделевские популяции). В данной классификации осознанно выпущены такие внутривидовые группировки, как экологическая раса и экотип, которые многие авторы (Никольский, 1968; Коновалов, 1980; Решетников, 1980; Иванков, 1998) включают в иерархический ряд внутривидовых категорий. Биологическая раса – это довольно сложное понятие (Коновалов, 1980; Иванков, 1998). В классическом понимании расы – это экологические, не наследственные группировки. В их формировании принципиальную роль играет модификационная изменчивость и механизм их детерминации эпигенетический. Хотя на этот счет имеются и иные мнения (Решетников, 1980). Таким образом, внутривидовая генетическая изменчивость должна четко отделяться от эпигенетической изменчивости. С другой стороны, часто, по-видимому, за расы могут приниматься различные локальные стада, в местах их симпатрии, как это иногда имеет место у горбуши (Гриценко, 1981; Картавцев, 1986), что спорно.
2. Специфика популяционно-генетической структуры у рыб и беспозвоночных. Факторы популяционно-генентической динамики и стационарности. Генетические основы рационального использования природных ресурсов. Имеются два различных подхода в описании популяционной структуры. Феноменологический подход. Пример такого подхода к популяции можно найти в книге Кирпичникова (1979). При подобном подходе выделено четыре типа популяционной структуры: 1) тип бельдюги, 2) тип сазана, 3) тип тихоокеанских лососей и 4) тип тунца. На каком основании выделяется первый тип? Бельдюга – это малоподвижная, живородящая рыба с небольшой плодовитостью. Поэтому, видовой ареал населяют небольшие по численности, хорошо изолированные популяции. Следующий тип наиболее характерно представляет сазан, населяющий различные речные и/или озерные системы, хорошо изолированные друг от друга и населенные весьма многочисленными скоплениями рыб, которые мигрируют, но не очень далеко. Типичным представителем третьего типа являются виды тихоокеанских лососей (род Oncorhynchus). Каждая река, согласно концепции Кирпичникова, населена отдельным, изолированным локальным стадом, чья интегрированность поддерживается хомингом (инстинктом возврата в реку рождения). Наконец, четвертый тип представлен тунцами (и подобными организмами), пелагическими рыбами с очень высокой подвижностью и большой плодовитостью, которые дают огромные популяции, слабо дифференцированные генетически. Такой подход подходит не всегда. Взять, например, тип 3. Даже среди наиболее многочисленных шести видов тихоокеанских лососей нет единства в смысле популяционной структурированности. Хоминг у горбуши довольно слабый, тогда как сима и нерка обладают весьма совершенным хомингом. Численность стад у горбуши может достигать миллионов экземпляров нерестовых особей, а у симы эти нерестовые группы представлены только сотнями или тысячами особей. Эти особенности биологии ведут к слабой у горбуши и сильной у симы и нерки генетической дифференциации. Даже еще более контрастна, как мы увидим позже, внутривидовая генетическая дифференциация лососей-форелей рода Salmo и тихоокеанских лососей рода Oncorchynchus. Именно поэтому необходим другой подход для описания популяционной структуры. Можно назвать такой подход научным подходом. Научный подход Данный подход подробно будет рассмотрен ниже. Главные идеи этого подхода базируются на теории популяционной генетики и, таким образом, имеют точные научные решения. Иногда эти решения трудно достижимы на практике из-за малых баз данных, или, менее часто, из-за того, что сама теория в некоторых частях не достаточно развита.
Главные факторы популяционно-генетической динамики. Среди факторов, влияющих на динамику, имеются случайные, или стохастические, и систематические. Например, случайный дрейф генов – это один из наиболее важных стохастических факторов генетической дифференциации, особенно в малых популяциях. Естественный отбор и миграция – это систематические факторы. Основные популяционно-генетические параметры, которые определяют степень генетической дифференциации, это: (1) p – частота аллеля , (2) Ne – генетически эффективная (или просто эффективная) численность популяции, (3) m – коэффициент миграции, (4) s – коэффициент естественного отбора.
Можно проиллюстрировать действие факторов, начав с первого и второго параметров. Для начала, рассмотрим дрейф генов во времени для одной популяции небольшого размера. Дрейф генов возникает как результат стохастических ошибок при передаче генов из одного поколения в следующее поколение. Пусть численность популяции и частота аллеля (скажем, А) в ней равны Ne = N = 10 и pA = 0.5, в исходном поколении (t0). В этом случае можно рассчитать стандартную ошибку: SE = Ö[(0.5*0.5)/20] = 0.16. То есть, в следующем поколении pA должна быть 0.5 ± SE. Другими словами, некоторые из выборок генофонда, дающие следующее поколение, могут иметь частоты: pA = 0.7 или pA = 0.3 (33% вероятности), или даже 0.5 ± 2SE, pA = 0.9 или pA = 0.1 (5% вероятности), с некоторыми упрощениями для большей ясности. Очевидно, что очень скоро в такой маленькой популяции десяти особей (N = 10) определенный аллель будет либо фиксирован (pA = 1), либо утерян (pA = 0). Все сделанные заключения остаются верными для случаев, когда дрейф происходит в пространстве (Wright, 1943, Li, 1955). Рис. 3. Дрейф гена bw75 и частотное распределение в выборках из 100 экспериментальных популяций Drosophila melanogaster (По Buri, 1956; заимствовано из Алтухов, 1989). Как влияет частота гена p на изменчивость? Начальное значение частоты прямо влияет на число поколений, прошедших до фиксации или утери аллеля при рассмотрении динамики, определяемой только Ne (дрейфом). Очень наглядно это видно при моделировании с помощью POPULUS или другого подходящего пакета программ. В приведенном выше цифровом примере, если в t0 частота аллеля pA = 0.9, то при N = 10, SE = 0.07 и, соответственно, частота аллеля в следующем поколении может быть pA = 0.97 или pA = 0.17 (33% вероятности) или pA = 1.0 или pA = 0.24 (5% вероятности). То есть, при исходной частоте 0.9 фиксация аллеля А, или его переход в мономорфное состояние, может произойти уже в первом поколении. Миграция и естественный отбор – это два следующих, из четырех важнейших факторов, влияющих на популяционную структуру. Мы рассмотрим подробнее влияние этих двух факторов в следующей лекции. Миграция влияет не только на интегрированность генофонда, но и на эффективную численность популяций, объединяя их (Рис. 4). Данные на Рис. 4 для морских беспозвоночных соответствуют высоким значениям миграции или потока генов. Аналитически m (коэффициент миграции) и Ne связаны пропорциональной зависимостью.
Рис. 4. График распределения условных средних частот аллелей (pi) для некоторых популяций устрицы и жемчужницы, иллюстрирующий роль миграции и увеличения величины Ne. По ординате - pi, по абсциссе pi, нормализованные на размер выборки. Прерывистые линии показывают уровни потока генов, которые соответствуют определенным значениям pi (По Burroker, 1984 и Durand, Blank, 1986). Влияние естественного отбора многогранно. Практически все процессы в популяции отбор может усиливать или тормозить. Влияние дрейфа генов при действии стабилизирующего отбора уменьшается, а при направленном отборе фиксация частоты происходит с ускоренной скоростью. Имеется множество разработанных моделей действия тех или иных факторов отбора. Мера межпопуляционной дифференциации В качестве меры степени генетической дифференциации между популяциями, или наоборот внутри них, полезными являются статистики Fst и Dm, первая – это стандартизированная дисперсия частот аллелей, а вторая – минимальное генетическое расстояние. Использование Fst (или Gst) при популяционном анализе является более предпочтительным вместе с некоторыми деталями свойств статистик. Простейший способ понять, что такое Fst – это определить данную меру дифференциации в терминах гетерозиготности (разнообразия), как нормированную гетерозиготность: Fst = (Ht - Hs) / Ht. Здесь Hs – это ожидаемая гетерозиготность в субпопуляции (или внутри выборки), а Ht – это ожидаемая гетерозиготность во всей популяции (или в совокупности выборок). В этом определении Fst = Gst (Nei, 1977b). Простейшая модель популяционной структуры. Соотношение Харди-Вайнберга: (p + q)2 = p2 + 2pq + q2. Это равновесная модель для большой (бесконечной в теории) популяции случайно скрещивающихся двуполых особей. Она объясняет стабильность частот аллелей и в меньшей степени частот генотипов при отсутствии давления систематических факторов, основными из которых, в текущем поколении являются естественный отбор и миграция. Комплексная природа генетической динамики и стационарности. В природе ни один из перечисленных факторов не действует по отдельности. Обычно они взаимодействуют в различных комбинациях и варьируют сами в пространстве, в различных частях ареала, и во времени, в поколениях, от молодых когорт - к взрослым, или в онтогенезе, и даже в пределах той же самой когорты в течение сезонов года. Классическим примером изменчивости в природной популяции (ни кто еще не повторил с середины 70-х голов) является полиморфизм двух аллозимных локусов нерки, который подвержен влиянию двух факторов (Рис. 5). По локусу PGM* кривая, построенная с учетом некоторого давления отбора вместе с миграцией и вариацией

Частота аллеля


PGM*

LDH* Рис. 5. Распределение частот аллелей по локусам LDH* и PGM* в нерестовых скоплениях нерки (O. nerka) в озере Азабачье (Камчатка) (По Алтухов и др., 1975). Гистограмма показывает фактическое распределение частот. Пунктирной линией показаны частоты, ожидаемые согласно островной модели Райта при действии дрейфа, миграции и естественного отбора, определяемых тремя параметрами – Ne, m, и s. Непрерывной линией показана вариация, зависимая только от Ne и m (дрейф и миграция).

LDH* Ne, лучше объясняет фактические данные (Рис. 5). Полиморфизм по LDH* является селективно нейтральным и зависит только от двух параметров - Ne и m (Рис. 5). Классификация вариантов внутривидовой структуры, на основе использования популяционно-генетических средств.
Если основываться на средствах популяционной генетики, то можно определить три главных варианта популяционной организации: (1) панмиктическая популяция, (2) подразделенная популяция и (3) непрерывная популяция. Третий вариант достаточно редок в природе. (1) Панмиктическая популяция. Этот вариант популяционной организации теоретически описывается моделью Харди-Вайнберга. Внутри такой популяции не существует генетической дифференциации. Поэтому, когда нет дифференцирующего действия отбора, то выполняется условие Fst = 0. Вид может быть представлен на ареале одной или несколькими популяциями, которые полностью, или почти полностью, изолированы одна от другой. (2) Подразделенная популяция. Теоретически описана как островная модель популяционной структуры (Wright, 1943), или как модель ступенчатой миграции (Kimura, Ohta, 1971). Дифференциация в подразделенной популяции в равновесном состоянии, в отсутствие отбора, зависит, в основном, от двух факторов – миграции и эффективной численности (размера) приближенно через соотношение: Fst = 1 / [4Nm + 1]. Особенности популяционной организации морских организмов. Имеются некоторые особенности внутривидовой структурированности в морской среде. Это связано с обычно весьма многочисленными популяциями, которые имеют огромный потенциал миграции или расселения (активного или пассивного). Однако все генетические принципы также сохраняют свою верность и для этих популяций. Например, имеются в среднем большие и малые значения Fst для разных видов, что связано, главным образом, с большой и небольшой генетической дифференциацией, зависимой от обратно пропорционально связанных дрейфа и миграции. Генетическая изменчивость и дифференциация. Средняя гетерозиготность на особь, H широко варьирует в таксонах растений и животных. Суммарная средняя составила: H=0.076, для позвоночных - H=0.054 и для беспозвоночных - H=0.100 (Nevo et al., 1984). Частоты коэффициентов генетического сходства по ферментным локусам, оцененные для разных видов, следуют U-образному распределению; последнее обратно связано с ожидаемой дифференциацией при нейтральности (Ayala, 1975; рис. 6).
Рис. 6. Ось Y – частота (%), ось X – коэффициент сходства, I среди видов группы Drosophila willistoni. Большинство локусов обнаруживают либо фиксированное, либо нулевое сходство, тогда как остальные варьируют в диапазоне от малых до больших коэффициентов сходства. U-образное распределение не согласуется с дрейфовой дифференциацией при нейтральности белковых маркеров. Распределение должно быть близким к нормальному (По Ayala, 1975). Тем не менее, для некоторых белковых локусов можно обнаружить распределение коэффициентов сходства, которое близко к нормальному (Рис. 7). Таким образом, по меньшей мере, по некоторым локусам обнаруживаемая дифференциация во времени согласуется с дрейфовым, нейтральным процессом. Рис. 7. Частотное распределение коэффициента сходства, рассчитанного по дуплицированным гемоглобиновым локусам лососевых рыб (По Картавцев, 1995). Некоторые исследования показывают, что без привлечения концепции естественного отбора вряд ли возможно объяснить сопряженную изменчивость индивидуальной гетерозиготности по ферментным генам (Ho) и морфологической изменчивости в популяционно-средовом градиенте (Рис. 8). Рис. 8. График средних, который иллюстрирует результаты двухфакторного дисперсионного анализа: Ho и изменчивости морфологических признаков у брюхоногого моллюска (Nucella heyseana) в заливе Восток и заливе Находка (залив Петра Великого, Японское море). Увеличение размера тройных гетерозигот (Ho =3) в двух выборках трудно объяснить без привлечения концепции отбора(По Kartavtsev, Svinyna, 2003). Как продемонстрировано ранее, источники, поддерживающие генетическую изменчивость в популяциях, имеют комплексную природу. Иногда совершенно очевидно, что ни естественный отбор, ни нейтральность не являются причиной того или иного типа обнаруженной изменчивости. Неоднородность самого материала и соответствующих данных могут вести к корреляциям или атипичным распределениям (Рис. 9). Рис 9. Частотное распределение коэффициента сходства (I) внутри видов. Верхний график показывает распределение I для всей базы данных, тогда как нижний только для рептилий рода Eumeces (Картавцев, не опубликовано). Очевидна ненормальность обоих распределений. Бимодальность на нижнем графике обусловлена гетерогенностью данных, представленных небольшим числом очень несходных островных популяций этих ящериц (I = 0.6-0.7 и менее; Kato et al., 1994) (Рис. 8.3.7). Эти данные предполагают, что имеется гетерогенность среди популяционных групп по степени сходства и они дифференциально представлены в материале по внутривидовой изменчивости. Если сравнивать более однородные группы, то нормальность можно обнаружить (Рис.10). Рис. 10. Частотное распределение коэффициента сходства (Rc) внутри вида тихоокеанская сельдь Clupea pallasi (Перерасчет по данным Картавцев, Рыбникова, 1999). Данные о внутривидовой дифференциации показывают, что единообразия популяционной дифференциации не наблюдается ни у форелей рода Salmo, ни у тихоокеанских лососей рода Oncorhynchus. Хотя можно сделать вывод, что в обеих группах преобладает внутривидовой компонент (Рис. 11).

1 - меж-, 2 – внутрипопуляционные компоненты Рис. 11. Величина Gst (Nei, 1973, 1977b) как мера внутривидовой дифференциации лососевых рыб (Данные автора, не опубликованы). Данные на Рис. 8.3.9 иллюстрируют: (1) относительно небольшую межпопуляционную генетическую дифференциацию (Gst = 7%, верхний рисунок)) по сравнению с внутрипопуля-ционным разнообразием (Gst = 93%) (верхний рисунок) и (2) различие величин Gst между родами Salmo и Oncorchynchus, с одной стороны, и между видами в каждом таксоне (средний и нижний рисунки). Виды и популяции у форелей более дифференцированы генетически, чем у тихоокеанских лососей, о чем свидетельствуют статистически значимые различия Gst. Причины, обусловливающие различные уровни генетической дифференциации, могут быть различными. Как отмечалось, одной из самых важных причин может быть различие эффективной численности популяций этих двух групп. Чем больше популяционный Ne, тем меньше генетический дрейф и, соответственно, меньше генетическая дифференциация популяций и вида в целом. По меньшей мере, для позвоночных и морских беспозвоночных, значимые различия Ne несомненны. ПРИМЕР ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование внутривидовой популяционной структуры у северной креветки Pandalus borealis (Kartavtsev et al., 1991; 1993; Kartavtsev, 1994). Исследование основывалось на совокупности выборок, охватывающих практически весь ареал вида (Рис. 12). Рис. 12. Карта исследованного ареала. Точки – места взятия выборок. Первый наиболее важный результат проведенного исследования состоит в том, что в пределах морских бассейнов (и больших заливов) существует генетическая однородность, тогда как между морями и суммарно имеется отчетливая неоднородность (Рис. 12). Рис. 12. Изменчивость частот аллелей по 6 аллозимным локусам в выборках северной креветки, Pandalus borealis. Бассейны: JS – Японское море, BS – Бериногово море, BR – Баренцево море, AK – залив Аляска, Sl – залив Св. Лоуренса. Над ломаными линиями показаны исследованные локусы и размер выборки (n). Неоднородность частот преобладающих аллелей: *** p В соответствии с характером гетерогенности имеется маленькая, или отсутствующая вовсе, генетическая дифференциация в шкале Fst в пределах морского бассейна и много большая дифференциация между бассейнами и суммарно (Рис. 13). Fig. 13. График распределения F’st (Nei, 1987) для различных уровней внутривидовой дифференциации северной креветки, P. borealis. JS – Японское море, BS – Берингово море, BR – Баренцево море, AK – залив Аляска. WSB – средние внутри бассейна, BSB – средние между бассейнами, TTL – суммарное значение для всего ареала. Кластеризация выборок, основанная на сходстве частот аллелей четырех сопоставленных локусов, показывает, что выборки одного и того же бассейна составляют много более близкие группы, чем выборки, принадлежащие к различным морям (Рис. 14). Рис. 14. Трехмерное распределение значений координат главных компонент (PC), полученных по частотам аллелей аллозимных локусов северной креветки. JS – Японское море, BS – Берингово море, BR – Баренцево море, AK – залив Аляска. Все популяции разных морей дискриминируются абсолютно точно (100%), на основе частот аллелей проанализированных локусов, что проиллюстрировано для наименее различающихся северных бассейнов (Табл. 1). Таблица 1. Матрица классификации выборок северной креветки Pandalus borealis для трех северных морских бассейнов, полученная по результатам дискриминантного анализа частот аллелей четырех проанализированных аллозимных локусов Группа Процент точных классификаций Число классифицированных выборок Берингово море Баренцево море залив Аляска Берингово море 100 6 0 0 Баренцево море 100 0 5 0 залив Аляска 100 0 0 6 Суммарно 100 6 5 6 В целом генетическая дифференциация у северной креветки хорошо согласуется с данными для других морских ракообразных и является маленькой в сравнении с популяциями пресноводных видов, имеющих ограниченный межпопуляционный поток генов (Рис. 15). Рис. 15. График распределения F‘st для высших ракообразных, представленных тремя группами: морскими (M), анадромными (A), и пресноводными (F). Кружок и буквы P.b. отмечают наши данные для северной креветки. Точки с вертикальными линиями обозначают средние значения F'st с доверительными интервалами (95%) для трех групп M, A и F. Литературные данные взяты из Чоу и Фуджио (Chow, Fujio, 1987), но пересчитаны автором в величины F'st. Морфометрическое исследование, проведенное на северной креветке (Kartavtsev et al., 1993), в общих чертах согласуется с генетическими данными, представленными выше (Рис. 16). Рис. 16. Распределение значений координат двух канонических переменных (CV), полученное на основе анализа комплекса морфологических признаков и индексов у северной креветки P. borealis. Реализована по индивидуальная, по выборочная процедура канонического анализа. Буквы показывают распределение значений для отдельных особей. Средние значения для выборок показаны кружками. Выборки: BS –Берингово море, JS – Японское море, OS – Охотское море, ES – восточный Сахалин, WK – западная Камчатка (По Kartavtsev et al., 1993). Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1. Основными параметрами, определяющими генетическую динамику популяций являются: (1) p – частота аллеля, (2) Ne – генетически эффективная численность популяции, (3) m – коэффициент миграции, определяющий поток генов и (4) s – коэффициент естественного отбора.
2. Исследование внутривидового генетического разнообразия требует комплексного подхода, принимая во внимание комплексность механизмов, которые определяют внутривидовую изменчивость и дифференциацию.
3. Модели популяционно-генетической организации вида
Модель панмиктической популяции. Простейший тип популяционной структуры представляет модель панмиктической популяции. Параметрами этой модели являются p и Ne. В начале любого популяционного исследования именно эту модель, с отсутствием какой либо генетической дифференциации (гетерогенности) и равновесием Х-В, необходимо тестировать в первую очередь. В том виде, как она сформулирована для случая множественных аллелей, эта модель такова: (Σ pkAij)2 = Σ p2kAiAi + Σ 2pk(1-pk) AiAj, где Aij обозначает аллель i или j, pk его частоту, k = 1,2,3 j – порядковые номера аллелей и Σpk = 1. Модели подразделенной популяции. Рис. 17. Один из вариантов островной модели популяционной структуры. P – это средняя частота аллеля в группе субпопуляций K (K à ∞) (p1 до pk), которые составляют «острова архипелага» и частоты аллелей в которых равны частоте аллеля в «континентальной» популяции. Каждая субпопуляция получает гены с «континента» со скоростью, равной m (стрелки). Островная модель. Имеются два варианта этой модели. Схема одного из них дана выше. Во втором варианте «острова архипелага» равны в размере и обмениваются друг с другом m иммигрантами с равной вероятностью, а «континент» не рассматривается. Генофонд мигрантов формируется совместным вкладом из всех субпопуляций. Расстояния между субпопуляциями не влияют на поток генов. По генетическим последствиям эти два варианта подразделенной популяции идентичны. Для простоты, можно не принимать в расчет возможное действие естественного отбора. То есть, рассмотреть действие только параметров p, Ne и m. В этом случае только дрейф генов будет определять дифференциацию субпопуляций, а равновесное состояние частот аллелей будет достигаться при влиянии потока генов (миграции). Дифференциация задается выражением (1). σ2δ’’ = p (1 - p) Fst(t), (1) где Fst(t) = (1 - m)2[1/2N+(1-1/2N) Fst(t-1)]. (2) Если выразить в (2) F через m и наоборот, то можно получить хорошо известные равенства (Ли, 1978, p. 474): (1 - m)2 = 2N Fst / ((2N - 1) Fst + 1), (3) Fst = (1 - m)2 / (2N - (2N - 1)(1 - m)2). (4) Эти соотношения свидетельствуют об отрицательной связи между дрейфом и миграцией в межгрупповой дифференциации, которая определяется величиной Ne и значением коэффициента миграции. При небольшой интенсивности миграции (m из (4) и (1) можно вывести более простое выражение для генетической дисперсии или дифференциации (Wright, 1931; Колмогоров, 1935): σ2δ’ = p (1 - p) / (4Nm + 1). (5) Из последнего соотношения теперь ясно, почему Fst = 1 / (4Nm + 1), как было дано в предыдущей лекции. Здесь важно отметить, что для каждого текущего поколения важным является не само по себе действие m или Ne, но их произведение Nm; то есть, ключевым является совокупный эффект в виде числа мигрантов (причем речь идет о потоке генов, или иначе, о мигрантах, которые оставляют потомство!). При взаимодействии дрейфа (изменения Ne) и миграции изменение частоты аллеля во времени - это комплексная функция распределения плотности вероятности (Wright, 1938; 1969). Объяснение этого выражения находится вне задач этого курса. Соотношение между Nm и Fst в состоянии стационарности, при равновесии дрейфа и миграции, показано графически (Рис. 18). Рис. 18. Связь между равновесной величиной индекса фиксации (F^) и числом мигрантов на поколение (Nm). Лишь несколько мигрантов необходимо для значительного снижения F^ и, таким образом, генетической дифференциации до весьма низкого уровня Nm = 0.25 (один мигрант на каждое четвертое поколение), F = 0.50, Nm = 0.5 (один мигрант на каждое второе поколение), F = 0.33, Nm = 1 (один мигрант на поколение), F = 0.20, Nm = 2 (два мигранта в каждом поколении), F = 0.11 (По Hartl, Clark, 1989). Островная модель предполагает, что если вовлечена группа внутривидовых подразделений, то должно быть увеличение генетической дифференциации от более низких иерархических уровней, к более высоким. Модель ступенчатой миграции. Одно-, двух- и трехмерные модели ступенчатой миграции были разработаны Кимурой с коллегами (Kimura, 1953; Kimura, Weiss, 1964; Weiss, Kimura, 1965). Мы не будем рассматривать детали этих моделей. Однако некоторое схематическое представление о них, мы предлагаем (Рис. 19). По меньшей мере, исходя из одномерной модели, даже интуитивно очевидно, что для этого случая между миграцией и генетическим расстоянием (генетической дифференциацией) существует обратно пропорциональная зависимость.
Рис. 19. Характер миграции при одно-, двух- и трехмерной моделях ступенчатой миграции. Каждая стрелка представляет темп миграции m/2 в одном измерении, m/4 в двух измерениях и m/6 в каждом направлении в трех измерениях. Краевые эффекты могут быть элиминированы превращением одномерного массива в круг, двумерного массива – в поверхность сферы, а трехмерного массива – в тор (По Hartl, Clark, 1989). В теории подразделенной популяции (последний вариант) имеется ясное предсказание взаимосвязи между степенью генетической дифференциации и расстояниями между субпопуляциями или демами (Рис 20), которое подтверждается эмпирическими исследованиями (Рис. 21). Также, сохраняется верным общее равновесное соотношение для случая нейтральности (модель без отбора): Fst = 1 / [4Nm + 1]. Рис 20. Уменьшение корреляции частоты аллеля с расстоянием для одно-, двух- и трехмерных моделей ступенчатой миграции (По Kimura, Weiss, 1964).

d

φ
Expected

Empirical Рис 21. Связь между географическим расстоянием (d, км) и генетической близостью между ними (φ) (По Workman et al., 1973 с добавлениями). φ(d) = a*e - bd, где a – коэффициент локального сходства, b – функция широкомасштабной миграции. ЭМПИРИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ Из необходимых параметров не многие оценены в реальных природных популяциях. Рассмотрим имеющиеся данные оценивания эффективной численности, Ne (Табл. 2), генетической дифференциации, Gst (Рис. 3), величины миграции, m (Табл. 3) и приспособленности, W (Табл. 4).
Таблица 2. Генетически эффективная численность (Ne) в природных популяциях животных Виды Ne Источник Позвоночные Oncorhynchus nerka 200 Алтухов и др., 1975 То же 174 Marriott, 1964 O. gorbuscha 695 Картавцев, 1995 Porcelio scaber 19-180 Brererton, 1962 Chondrus bidens 50 Алтухов, Лившиц, 1978 Sceloporus olivaceus 250 Kerster, 1964 Uta stansburiana 14 Tinkle, 1965 Platycercus eximius 31-83 Brererton, 1962 Mus musculus 10 Anderson, 1970 Michigan populations 10-75 Rasmussen, 1964 Arizona populations 30-130 Rasmussen, 1964 Ovis canadensis 98 Geist, 1971 Homo sapiens, Parma Valley, аборигены 214-266 Cavalli-Sforza et al., 1964 Homo sapiens, азиатские монголоиды 45-218 Рычков, 1973, Рычков, Шереметьева, 1976 Homo sapiens, племена индейцев, Ю. Америка 288-14400 Neel, Rothan, 1978 Среднее (среднее по минимальным значениям) 142 Среднее (среднее по максимальным значениям) 1123 Наземные беспозвоночные Cepea nemoralis 236-8440 Lamotte, 1951 То же 190-12000 Greenwood, 1975, 1976 Aedes aegipti 500-1000 Tabachnik, Powell, 1978 Drosophila pseudoobscura 500-1000 Dobzhansky, 1972 D. subobscura 400 Begon, 1977 Euphydrias edita 10-3700 Ehrlich, 1965 Dacus olea 4000 Nei, Tajima, 1981 Среднее (среднее по минимальным значениям) 834 Среднее (среднее по максимальным значениям) 4362 Морские беспозвоночные Mytilus trossulus 33182 Картавцев, Никифоров, 1993 Pandalus kessleri 730800 Ситников и др., 1998 Среднее 381991 Приведенные в Табл. 2 данные иллюстрируют: (1) относительно небольшую величину Ne по сравнению с общей численностью популяций животных, (2) наличие существенного различия величин Ne между позвоночными и беспозвоночными животными, особенно морскими беспозвоночными, (3) среди лососевых рыб наибольшее значение Ne обнаружено для горбуши и значительно меньшее для нерки (Табл. 2). Последние данные имеют важное значение в связи с дискуссией, представленной в Лекции 8, относительно причин популяционной дифференциации. Рис. 22. Дисперсионный анализ межгрупповой неоднородности значений Ne в таксонах животных: 1 - позвоночные, 2 – наземные позвоночные, 3 – морские беспозвоночные. В целом генетическая дифференциация, скажем в терминах Gst, среди исследованных видов различна, даже для весьма близких таксономически, как это проиллюстрировано на лососевых рыбах и как это видно для брюхоногих моллюсков рода Littorina (Рис. 23). Для Littorina в среднем для планктотрофов и лецитотрофов: Gst = 0.047±0.010 и Gst = 0.154±0.028, соответственно (Ward, 1990; расчет средних и SE автора).

Рис. 23. Генетическая дифференциация среди локальных популяций различных видов брюхоногих моллюсков рода Littorina. Передние столбцы – популяции видов, которые имеют планктонную личинку: 1 – L. littorea, 2 – L. scutulata, 3- L. plena, 4 – L. angustior, 5 - L. lineolata, 6 – L. ziczac, 7 – L. angulifera; задние столбцы – популяции видов, у которых отсутствует стадия планктонной личинки в жизненном цикле: 1 - L. saxatilis, 2-4 - L. saxatilis (другие популяции), 5 – L. arcane, 6 – L. nigrolineata (Данные из Ward, 1990). Различие средних значений Gst для этих двух групп статистически существенно: td = 3.6, d.f. = 15, p Рассмотрим некоторые, немногочисленные данные, которые имеются по оценке темпа миграции. Темп миграции значительно варьирует среди изученных лососевых рыб (Табл. 3). Таблица 3. Коэффициенты миграции (m) у лососевых рыб Виды m (%) Источник O. nerka 3 Vernon, 1957 То же Hartmann, Releigh, 1964 То же 2 Алтухов, 1989 То же 2 Ильин и др., 1983 То же 0,001-0,4 Brannon, 1982 O. gorbuscha 5* Bams, 1976 То же 92) Bams, 1976 То же 0-16* Lane et al., 1990 То же 0,1-111) Рухлов, Любаева, 1980 O. kisutch 15-272) Donaldson, Allen, 1958 S. salar 5 Verspoor et al., 1991 Примечание. Коэффициенты m, отмеченные звездочкой, получены из косвенных источников. 1) Оценки для искусственно воспроизводимых стад. 2) Коэффициент возврата для трансплантированных рыб. Сводка, представленная в Табл. 3, иллюстрирует относительно незначительный темп миграции m в природных популяциях лососей в сравнении с искусственно воспроизводимыми стадами. Эти данные также показывают, что для нерки характерны меньшие коэффициенты миграции m, чем для горбуши, опять же согласующиеся с интерпретацией причин популяционной структурированности у лососевых, данной ранее. Имеется немного данных по оценке коэффициентов приспособленности в природных популяциях. Оценки приспособленности, полученные для двух видов лососевых, показывают: (1) что имеются относительно небольшие различия Wi-тых коэффициентов приспособленности и (2) что для белковых локусов относительно невелики абсолютные значения относительных приспособленностей Wi (Табл. 9.4.3). Таблица 4. Оценки относительной приспособленности (Wi) генотипов по белковым локусам у двух видов тихоокеанских лососей Species, Source Values at a locus Reference Homozygote 1 Heterozygote Homozygote 2 O. nerka, чаши 0.90 LDH* 1.00 0.86 1 ручьи 0.98 1.00 0.97 1 летняя раса 0.94 1.00 0.91 1 озеро - - - 1 Стадо, суммарно 0.98 1.00 0.97 1 чаши 0.94 PGM* 1.00 0.80 1 ручьи 0.91 1.00 0.72 1 осенняя раса 0.92 1.00 0.74 1 озеро 0.99 1.00 0.97 1 стадо, суммарно 0.94 1.00 0.79 1 O. gorbuscha,родители-личинки 0.63 MDH* 1.00 - 2 личинки 0.66 - - 3 -"- 0.58 GPDH* 1.00 - 2 -"- 0.61 - - 3 -"- 0.71 6PGD* 1.00 0.43 2 -"- 0.58 - - 3 -"- 0.64 PGM* 0.78 1.00 2 -"- 0.86 - - 3 Примечание. Wi – это значения, принадлежащие наиболее часто встречающимся генотипам. Источники: 1 – Алтухов, 1989, 2 – Салменкова, 1989, 3 – Животовский и др., 1987. Выводы: 1. Наиболее важными являются четыре популяционно-генетических параметра: (1) p – частота аллеля, (2) Ne – генетически эффективная численность популяции, (3) m – коэффициент миграции, (4) s – коэффициент естественного отбора.
2. Ne – это число особей в идеальной популяции размножающихся особей, которая имеет такие же свойства в смысле дрейфа генов, как и реальная популяция организмов. Обычно выполняется соотношение Ne , где Nb и N – численности производителей в нерестовой популяции и общая численность всех особей в популяции. 3. В подразделенной популяции, если отбор отсутствует, ключевым параметром является Nm, произведение и Ne коэффициента миграции, m. 4. Популяционно-генетическая теория достаточно хорошо развита. Однако оценок даже основных параметров явно недостаточно.