CC BY
82
УДК 575.17:595.77
В. П. Перевозкин, В. В. Хальзова
ВИДОВАЯ И ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МАЛЯРИЙНЫХ КОМАРОВ
ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРИ
Изучена динамика популяционно-видового состава малярийных комаров Центральной Сибири по транссекте Томск - Ачинск - Нижний Ингаш - Тайшет - Тулун - Братск. Во всех районах исследования обнаружены два вида малярийных комаров Anopheles messeae и A. beklemishevi. Доминирующим повсеместно является A. messeae. Область распространения A. beklemishevi впервые зарегистрирована в бассейне р. Ангара, что на 5QQ км восточнее, чем отмечалось до настоящего времени. По широтной транс-секте с запада на восток в популяциях A. messeae выявлены две альтернативные тенденции: снижение разнообразия вариантов по половой хромосоме и повышение частотного разнообразия по обоим плечам 3-й аутосомы.
Ключевые слова: малярийные комары, кариотип, инверсия, гомозигота, гетерозигота, индекс разно-
образия.
ВВЕДЕНИЕ
Малярийные комары (Diptera, Culicidae) являются мощным раздражителем для людей и животных как представители гнуса, а также переносчиками разнообразных трансмиссивных болезней, наиболее опасная из которых - малярия. На территории СССР к 1960 г. малярия была практически ликвидирована, за исключением остаточных очагов, однако начиная с 90-х годов эта проблема в России начала возвращаться прежде всего за счет увеличения мигрантов и временных рабочих из южных регионов СНГ [1]. Этот вопрос в полной мере относится и к сибирскому региону.
Помимо медицинского значения, малярийные комары рода Anopheles представляют собой удобные модельные объекты для популяционно-генетического анализа [2]. В клетках некоторых тканей комаров содержатся гигантские политенные хромосомы, на которых хорошо идентифицируются фиксированные и флуктуирующие перестройки. Показано, что варианты и частоты флуктуирующих инверсий в популяциях генетически полиморфных видов коррелируют с климатическими и экологическими условиями их обитания. На основании этого сделан вывод о существенной роли инверсий в видовой системе генетической адаптации комаров [3]. Представители рода Anopheles повсеместно распространены на территории России. При этом каждый регион РФ характеризуется их определенной видовой и популяционно-генетической структурой в соответствии с особенностями условий обитания.
В Сибири обитает два вида малярийных комаров - A. messeae Fall. и A. beklemishevi Stegniy and Kabanova, для которых установлен широкий внутривидовой инверсионный полиморфизм [2]. В то же время детальных цитогенетических исследований по широтной транс-секте в регионе Центральной Сибири в отношении распределения видов и внутривидовых группировок не проводилось. При
этом важным представляется изучение генетического состава популяций малярийных комаров, учитывая изменения климата в умеренных широтах России за последние десятилетия [4-6].
В связи с этим целью настоящей работы было изучение широтной динамики популяционновидового состава малярийных комаров Центральной Сибири. В задачи исследования входило: определить соотношение видов малярийных комаров в изученных биотопах, выявить уровень инверсионного полиморфизма и его структуру в популяциях Anopheles, исследовать закономерности широтной изменчивости внутривидовых кариотипических группировок малярийных комаров в регионе.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Материалом для работы послужили личинки 4-го возраста рода Anopheles, отловленные в период с 10 по 14 сентября 2010 г. по широтной транссекте (55-56° с. ш.) в следующих населенных пунктах: Томск - Ачинск - Нижний Ингаш - Тайшет -Тулун (54° с. ш.) - Братск (рисунок).
Личинок фиксировали в спирт-уксусной смеси 3 : 1 для последующего цитогенетического анализа. В камеральных условиях готовили препараты политенных хромосом по лактоацеторсеиновой методике [7] и определяли видовой и инверсионный состав малярийных комаров согласно хромосомным картам [2]. Идентифицировано 358 карио-типов насекомых.
При проведении межпопуляционного сравнительного анализа частот инверсий применялся критерий %2. Для оценки кариотипического разнообразия использовался соответствующий индекс, расчет которого производился по формуле [8]:
_ 100% - m
(N - 1)m ’
где m - максимальная частота кариотипа в выборке (%) из числа всех определенных в регионе вариантов - N.
Точки сбора личинок малярийных комаров по широтной транс-секте в Западной и Восточной Сибири
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ В ходе цитогенетического анализа во всех точках исследований были обнаружены оба сибирских представителя малярийных комаров комплекса Anopheles maculipennis: A. messeae и A. beklemishevi (рис. 2). Особо следует подчеркнуть, что граница распространения A. beklemishevi впервые зарегистрирована значительно восточнее, чем отмечалось ранее. До настоящего исследования эту границу обитания ограничивали бассейном р. Енисей (г. Красноярск) [2, 9]. Полученные новые результаты дают основание расширить ареал вида на восток как минимум на 500 км до бассейна р. Ангара.
Повсеместно доминирующим является A. messeae, однако соотношение видов в биотопах нерав-
нозначно (табл. 1). Максимальная доля А. Ьек1еш1-$ке\1 отмечена в с. Нижний Ингаш Красноярского края (ок. 10 %), наименьшая (1 %) - в Тулуне Иркутской области - самой южной точке исследований. Очевидно, последний указанный район может являться юго-восточной границей ареала вида, так как в Иркутске, находящемся около 350 км юго-восточнее Тулуна, А. Ьек1еш18кеу1 в 2000 г. обнаружен не был.
Цитогенетический анализ личинок комаров выявил внутривидовой инверсионный полиморфизм у обоих видов. У А. Ьек1еш18ке\1 из 10 известных парацентрических инверсий обнаружена одна у самок по половой хромосоме ХЬх в гетерозиготном состоянии, захватывающая район 2с—5а [2].
Рис. 2. Кариотипы А. тевввав (слева) и А. Ьек/еткЛеи^справа): X. - левое плечо половой хромосомы; 2К 21 - правое и левое плечо
второй аутосомы; ЭР, 31. - правое и левое плечо третьей аутосомы
Инверсия обнаружена у одной особи в Ачинске и у одной особи в Нижнем Ингаше, т. е. только в биотопах Красноярского края, хотя ранее с небольшой частотой она была отмечена и в популяциях Томской области. Отметим, что такая инверсия с относительно высокой частотой встречается в популяциях вида в районе Телецкого озера на Алтае [10].
Наиболее широко внутривидовой хромосомный полиморфизм представлен у личинок А. messeae. Флуктуирующие инверсии А. messeae играют адаптивную роль, имеют клинальное распространение и закономерно замещают друг друга в пространстве ареала [3]. Обнаружены все 9 широко распространенных хромосомных вариантов: ХЬ0, ХЬь ХЬ2, 2^, 2Я1, 3^, 3Я1, 3Ь0, 3Ь1 (табл. 2).
Однако их состав и частоты по широтной транссекте с запада на восток Центральной Сибири крайне неоднозначны. Особенно закономерно это проявляется в отношении половой хромосомы. В самом западном районе исследований (г. Томск)
Таблица 2
Инверсионный состав личиночных популяций А. messeae
Вариант инверсии Частота инверсии в точках сбора, %
Томск Ачинск Ингаш Тайшет Тулун Братск
Самцы (гоносома)
ХЬо 18,7 ± 10,1 55,0 ± 11,4 31,1 ± 8,7 33,3 ± 8,7 0 0
ХЬ1 75,0 ± 11,2 45,0 ± 11,4 68,9 ± 8,7 66,7 ± 8,7 100,0 100,0
ХЬ2 6,3 ± 6,3 0 0 0 0 0
п 16 20 29 30 39 16
Самки (гоносомы)
ХЬоо 5,7 ± 3,9 41,2 ± 12,3 19,2 ± 7,8 25,7 ± 7,5 0 0
ХЬо1 31,4 ± 7,9 47,0 ± 12,5 38,5 ± 9,7 28,6 ± 7,7 0 0
ХЬИ 48,6 ± 8,6 11,8 ± 8,1 42,3 ± 9,8 45,7 ± 8,5 100,0 100,0
ХЬ12 11,4 ± 5,4 0 0 0 0 0
ХЬ22 2,9 ± 2,8 0 0 0 0 0
п 35 17 26 35 62 19
Оба пола (аутосомы)
2К-00 82,4 ± 5,3 94,4 ± 3,8 98,2 ± 1,8 92,3 ± 3,3 83,2 ± 3,7 94,3 ± 3,9
Жо1 15,7 ± 5,1 5,6 ± 3,8 1,8 ± 1,8 6,2 ± 3,0 16,8 ± 3,7 5,7 ± 3,9
2Яц 1,9 ± 1,9 0 0 1,5 ± 1,5 0 0
3К-оо 60,8 ± 6,9 78,4 ± 6,8 60,0 ± 6,6 41,5 ± 6,1 12,9 ± 3,3 20,0 ± 6,8
3К-01 25,5 ± 6,1 18,9 ± 6,5 23,6 ± 5,7 41,5 ± 6,1 45,5 ± 4,6 40,0 ± 8,4
3Яц 13,7 ± 4,8 2,7 ± 2,7 16,4 ± 5,0 17,0 ± 4,6 41,6 ± 4,9 40,0 ± 8,4
3Ьоо 88,2 ± 4,5 97,3 ± 2,7 92,7 ± 3,5 83,1 ± 4,6 75,2 ± 4,3 82,9 ± 6,4
3Ьо1 11,8 ± 4,5 2,7 ± 2,7 7,3 ± 3,5 15,4 ± 4,5 17,8 ± 3,8 17,1 ± 6,4
3ЬИ 0 0 0 1,5 ± 1,5 7,0 ± 2,5 0
п 51 37 55 65 101 35
Таблица 1
Видовая структура личинок малярийных комаров Западной и Восточной Сибири
Точка сбора комаров Вид Доля вида, % п
Томск А. beklemishevi А. messeae 5,6 ± 3,2 94,4 ± 3,2 54
Ачинск А. beklemishevi А. messeae 2,6 ± 2,6 97,4 ± 2,6 38
Нижний Ингаш А. beklemishevi А. messeae 9,8 ± 3,8 90,2 ± 3,8 61
Тайшет А. beklemishevi А. messeae 3.0 ± 2,1 97.0 ± 2,1 67
Тулун А. beklemishevi А. messeae 1,0 ± 1,0 99,0 ± 1,0 102
Братск А. beklemishevi А. messeae 2,8 ± 2,8 97,2 ± 2,8 36
Примечание. п - число особей в выборке.
встречаются все три варианта инверсий как в гомо-, так и в гетерозиготном состояниях - ХЬ0, ХЦ и ХЬ2, что соответствует более ранним исследованиям [3]. В популяциях Красноярского края и в Тайшете (самой западной точке Иркутской области) обнаружены две инверсии - ХЬ0 и ХЬь а в Тулуне и в Братске Иркутской области только один вариант - ХЦ.
По 2Я плечу выделяются три инверсионные зоны: «томская» - с самой высокой частотой инверсии 2^ в гомо- и гетерозиготах; «красноярская» - с самой низкой частотой 2^ и только в гетерозиготах; «иркутская» - 2^ по составу в зиготах и частоте близка к томской популяции и значимо отличается от таковых Красноярского края. Попарное сравнение состава инверсии 2^ в трех выделенных зонах дало следующие результаты (/= 1, р = 0,05): «томская-красноярская» - х2 = 7,0; «красноярская-иркутская» - х2 = 4,0; «томская-иркутская» - х2 = 0,5.
В целом полиморфизм по 2Я-плечу не высок, что вполне ожидаемо, учитывая климатические изменения (повышение средних зимних температур), произошедшие в Сибири в последние десятилетия [4-6]. Показано, что комары с инверсией 2^ имеют адаптивные преимущества перед альтернативным вариантом в условиях короткого лета и относительно низких зимних температур [2]. Увеличение в популяциях А. шesseae частоты варианта 2^, в связи с направленным изменением годового температурного режима в регионе является ярким примером элементарного эволюционного явления, происходящего на северной периферии ареала вида.
По 3Я-плечу наблюдается закономерное снижение частоты эволюционно исходной гомозиготы 3Ио0 с запада на восток и увеличение доли вариантов 3^ и 3ЯП. По левому плечу 3-й хромосомы значимые различия в частотах инверсии 3Ц установлены между популяциями комаров Западной и Восточной Сибири (х2 = 12,5; / = 1, р = 0,05). В популяциях Иркутской области наращивается доля гетерозигот 3Ь01 и появляются гомозиготы 3Ь11, что хорошо соотносится с общей тенденцией распространения инверсии по ареалу вида [3].
В целом по широтной транс-секте с запада на восток можно отметить две противоположные тенденции на предмет инверсионного разнообразия в популяциях А. шesseae: с одной стороны, снижение разнообразия вариантов по половой хромосоме (от 5 вариантов до 1 в зиготах); с другой - повышение частотного разнообразия по обоим плечам 3-й аутосомы.
Необходимо подчеркнуть, что элементарной единицей отбора в естественной среде является особь с определенным сочетанием инверсий - ка-
риотипом [11], поэтому важным представляется анализ структуры популяций комаров по кариоти-пическому составу.
Всего в исследованном регионе Сибири обнаружено 29 вариантов сочетаний инверсий в зиготах А. шesseae. Максимальные индексы кариотипичес-кого разнообразия в популяциях комаров установлены в Нижнем Ингаше и Тайшете (0,11 и 0,12 соответственно), минимальные - в Братске и Ачинске: по 0,06 (табл. 3).
Таблица 3
Доминирующие кариотипы и индексы кариотипического разнообразия в популяциях А. шesseae Центральной Сибири
Точка сбора Количество вариантов кариотипов из 29 возможных Кариотипы с максимальной частотой ш I
Томск 18 ХЬпЖ00Ж003Ь00 31,4 % 0,08
Ачинск 10 ХЬ00Ж00Ж003Ь00 37,8 % 0,06
Нижний Ингаш 12 ХЬПЖ00Ж003Ь00 23,6 % 0,11
Тайшет 16 ХЬ00Ж00Ж003Ь00 23,1 % 0,12
Тулун 11 ХЬПЖ00Ж013Ь00 27,7 % 0,09
Братск 7 ХЬПЖ00Ж013Ь00 37,1 % 0,06
В то же время в Томске отмечено самое большое номинальное разнообразие ассоциаций инверсий (18 из 29 выявленных в регионе кариотипов), но индекс разнообразия составляет всего 0,08, что объясняется малой частотой большинства кариоти-пов.
Следует отметить, что на фоне выделенных закономерностей широтной динамики инверсионного состава А. шesseae резко выделяется популяция Ачинска. Здесь, как и в самом северо-восточном районе исследований - Братске, установлено наименьшее кариотипическое разнообразие. Однако в Ачинске нетипично для восточного региона Западной Сибири доминируют комары с сочетанием инверсий ХЬ002К003К003 Ь00 (в Тайшете формально также с наибольшей частотой встречается этот ка-риотип, но однозначно доминирующим его назвать нельзя, так как кариотип ХЬ112К003К013Ь00, доминирующий в других восточных точках, имеет близкую частоту - 20,0 %). Первый кариотип с повышенной частотой встречается в Европе, на юго-западе ареала вида. Учитывая адаптивную значимость кариотипов, вероятнее всего выявленное отклонение связано с неблагополучной экологической ситуацией, сформировавшейся в результате загрязнения среды крупными промышленными предприятиями Ачинска, прежде всего глиноземным комбинатом, цементным и нефтеперерабатывающим заводами [12]. В воздухе города часто регистрируется повышенное содержание бензапире-
на, формальдегида, диоксида азота, взвешенных веществ [13]. Следовательно, инверсионный полиморфизм А. messeae следует рассматривать как качественную маркерную систему для выявления последствий антропогенной нагрузки на биоту в локальных биоценозах.
ВЫВОДЫ
1. Во всех районах исследования обнаружены два вида малярийных комаров А. messeae и
А. beklemishevi. Доминирующим повсеместно является А. messeae.
2. Область распространения А. beklemishevi впервые зарегистрирована в бассейне р. Ангара, что на 500 км восточнее, чем отмечалось до настоящего времени.
3. Выявлен внутривидовой инверсионный полиморфизм у обоих видов. У А. beklemishevi обнаружена одна известная инверсия в гетерозиготном
состоянии по половой хромосоме. У A. messeae обнаружено 9 хромосомных вариантов по гоносоме и аутосомам.
4. По широтной транс-секте с запада на восток в популяциях A. messeae выявлены две альтернативные тенденции: снижение разнообразия вариантов по половой хромосоме и повышение частотного разнообразия по обоим плечам 3-й аутосомы.
5. Максимальные индексы кариотипического разнообразия у A. messeae установлены в Нижнем Ингаше и Тайшете, минимальные - в Братске и в Ачинске. В Томске отмечено самое большое номинальное разнообразие кариотипов (18 из 29 обнаруженных в регионе).
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ: № 12-04-01462-а, № 13-04-10127-к, № 11-04-00716-а
Список литературы
1. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Малярия
2. Стегний В. Н. Популяционная генетика и эволюция малярийных комаров // Томск: Изд-во Томск. ун-та. 1991. 1Зб с.
3. Стегний В. Н., Кабанова В. М., Новиков Ю. М., Плешкова Г. Л. Инверсионный полиморфизм малярийного комара Anopheles messeae. Распространение инверсий по ареалу вида // Генетика. 197б. Т. 12, № Д. С. 47-55.
Д. Новиков Ю. М. Эффекты глобального потепления: направления и динамика пропорций видов Anopheles и цитогенетической структуры таксона Anopheles messeae Fall. в Западной Сибири // Проблемы эволюционной цитогенетики, селекции и интродукции: материалы науч. чтений, посвященные 100-летию проф. В. П. Чехова (Томск, 2-5 декабря 1997}. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1997. С. З9-41.
5. Гордеев М. И., Ежев М. Н. Глобальное потепление и изменение хромосомного состава сибирских популяций малярийных комаров // Общая биология. 2004. Т. З95, № Д. С. 554-557.
6. Перевозкин В. П., Сайджафарова А. О. Динамика популяционно-видовой структуры малярийных комаров Томской области // Вестн. Том. гос. пед. ун-та. 200б. № б. В. 57. С. 64—6B.
7. Кабанова В. М., Карташова Н. Н., Стегний В. Н. Кариологическое исследование природных популяций малярийного комара в Среднем Приобье. 1. Характеристика кариотипа Anopheles maculipennis messeae Falleroni // Цитология. 1972. Т. 14, № 5. С. бЗ0-бЗб.
B. Перевозкин В. П., Гордеев М. И., Бондарчук С. С. Хромосомный полиморфизм и закономерности формирования субпопуляционной организации малярийных комаров Аhopheles (Diptera, Culicidae} в местообитаниях Томской области // Генетика. 2009. Т. 45, № 4.
С. 47B-4B7.
9. Русакова А. М., Артемов Г. Н., Стегний В. Н. Инверсионный полиморфизм природных популяций малярийного комара (A. messeae Fall} восточной части ареала // Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2011. № 2 (14}. С 117-121.
10. Перевозкин В. П., Принцева А. А., Бондарчук С. С., Гордеев М. И. Пространственное распределение и кариотипический состав малярийных комаров (Diptera, Culicidae} в окрестностях Телецкого озера // Экология. 2012. Вып. З. С.Ш-195.
11. Новиков Ю. М., Кабанова В. М. Адаптивная ассоциация инверсий в природной популяции малярийного комара Anopheles messeae Falleroni // Генетика. 1979. Т. 15, № б. С. 10ЗЗ-1045.
12. URL: http://nesiditsa.ru/city/achinsk#h2_1
13. URL: http://protown.ru/russia/obl/articles/2717.html
Перевозкин В. П., кандидат биологических наук, доцент кафедры.
Томский государственный педагогический университет.
Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.
Научно-исследовательский институт биологии и биофизики Томский государственный университет.
Пр. Мира, 27, Томск, Россия, 634059.
E-mail: [email protected]
Хальзова В. В., студент.
Томский государственный педагогический университет.
Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.
E-mail: [email protected]
Материал поступил в редакцию 21.06.2013.
V P Perevozkin, V V Halzova SPECIES AND POPULATION-GENETIC STRUCTURE MALARIA MOSQUITOES OF CENTRAL SIBERIA
The dynamics of the population-species of Anopheles mosquitoes in Central Siberia on trans-sect Tomsk -Achinsk - Lower Ingash - Taishet - Toulon - Bratsk. In all areas, the study found two types of malarial mosquito Anopheles messeae and A. beklemishevi. Is dominant everywhere A. messeae. Scope of A. beklemishevi first documented in the basin. Angara, 500 km to the east than observed to date. By latitudinal trans-sect from west to east in the populations of A. messeae identified two alternative trends: the decline in the diversity of options on the sex chromosome and increase the frequency diversity on both shoulders third autosomes.
Key words: malarial mosquitoes, karyotype, inversion, homozygote, heterozygote, the diversity index.
Perevozkin V. P.
Tomsk State Pedagogical University.
Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.
E-mail: [email protected]
Khalsova V. V.
Tomsk State Pedagogical University.
Ul. Altayskaja, 135, Tomsk, Russia, 634021 E-mail: [email protected]
