ДНК-ШТИХКОДИРОВАНИЕ БУЛАВОУСЫХ ЧЕШУЕКРЫЛЫХ (INSECTA, LEPIDOPTERA: PAPILIONOIDEA) ТИРФОБИОНТНОГО КОМПЛЕКСА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10
1.1. Характеристика болотных комплексов 10
1.2. Молекулярно-генетические методы идентификации
организмов и изучения чешуекрылых насекомых 14
1.2.1. Белковые молекулярные маркеры 14
1.2.2. ДНК-маркеры 15
1.2.3. Митохондриальная ДНК как источник молекулярных
маркеров 18
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 32
2.1. Исследованный материал 32
2.2. Подготовка образцов к секвенированию 33
2.2.1. Выделение геномной ДНК 33
2.2.2. Амплификация и секвенирование ДНК 34
2.2.3. Методы филогенетического и филогеографического
анализа нуклеотидных последовательностей 37
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
3.1. Булавоусые чешуекрылые болотных комплексов
Западной Сибири 41
3.2. ДНК-штрихкодирование, как метод видовой
идентификации и изучения генетической структуры видов 41
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ БУЛАВОУСЫХ
ЧЕШУЕКРЫЛЫХ БОЛОТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ.. ..43
4.1. Proclossiana eunomia 43
4.2. Boloria aquilonaris 53
4.3. Clossiana thore 60
4.4. Clossiana angarensis 67
4.5. Clossiana freija 74
4.6. Oeneis jutta 80
4.7. Coenonympha oedippus 89
4.8. Coenonympha tullia 95
4.9. Plebejus optilete 101
4.10 Colias palaeno 107
ВЫВОДЫ 117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 118
ПРИЛОЖЕНИЯ 134
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10
1.1. Характеристика болотных комплексов 10
1.2. Молекулярно-генетические методы идентификации
организмов и изучения чешуекрылых насекомых 14
1.2.1. Белковые молекулярные маркеры 14
1.2.2. ДНК-маркеры 15
1.2.3. Митохондриальная ДНК как источник молекулярных
маркеров 18
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 32
2.1. Исследованный материал 32
2.2. Подготовка образцов к секвенированию 33
2.2.1. Выделение геномной ДНК 33
2.2.2. Амплификация и секвенирование ДНК 34
2.2.3. Методы филогенетического и филогеографического
анализа нуклеотидных последовательностей 37
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
3.1. Булавоусые чешуекрылые болотных комплексов
Западной Сибири 41
3.2. ДНК-штрихкодирование, как метод видовой
идентификации и изучения генетической структуры видов 41
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ БУЛАВОУСЫХ
ЧЕШУЕКРЫЛЫХ БОЛОТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ.. ..43
4.1. Proclossiana eunomia 43
4.2. Boloria aquilonaris 53
4.3. Clossiana thore 60
4.4. Clossiana angarensis 67
4.5. Clossiana freija 74
4.6. Oeneis jutta 80
4.7. Coenonympha oedippus 89
4.8. Coenonympha tullia 95
4.9. Plebejus optilete 101
4.10 Colias palaeno 107
ВЫВОДЫ 117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 118
ПРИЛОЖЕНИЯ 134
Дневные бабочки - традиционно выделяемая группа чешуекрылых насекомых (Insecta, Lepidoptera), исходно включавшая в себя два надсемейства: Hesperioidea и Papilionoidea, объединяемых в подотряд Rhopalocera Dumeril, 1805. Относительно недавно к этой группе было отнесено ещё одно надсемейство, - Hedyloidea Skoble, 1986 (Skoble, 1991), состоящее из монотипического семейства Hedylidae с единственным родом Macrosoma (Hubner, 1818). Молекулярно-генетические исследования, основанные на анализе полногеномных и транскриптомных данных, изменили классические представления о классификации чешуекрылых насекомых, свидетельствуя, что семейства Hedylidae и Hesperiidae образуют хорошо поддержанную кладу внутри группы Papilionoidea (Kawahara, Breinholt, 2014). Однако в данной работе мы придерживаемся более распространённых, традиционных взглядов и используем термины «булавоусые чешуекрылые» и «дневные бабочки» в отношении представителей надсемейств Hesperioidea и Papilionoidea.
Дневные бабочки характеризуются рядом аутапоморфий, среди которых можно отметить уникальное строение антенн, имеющих у своей вершины булавовидное (головчатое или веретеновидное) расширение; характерное жилкование крыльев; активность в дневное время суток; отсутствие сцепочного аппарата между передним и задним крылом, что привело к утрате способности в покое складывать крылья на спине. Группа включает в себя более 13 700 видов (Robbins, 1982) и имеет всесветное распространение.
Данная работа посвящена изучению фауны дневных бабочек тирфобионтного комплекса Западно-Сибирского региона, в состав которого входят: Тюменская (включая Ямало-Ненецкий и Ханты-Мансийский автономные округа), Омская, Томская, Новосибирская, Кемеровская области, Алтайский край и республика Алтай. Территория Западной Сибири простирается с запада на восток между Уральскими горами и руслом реки Енисей на 1900 км и от Северного Ледовитого океана до Казахстана на 2500 км. Площадь региона составляет 2,5 млн км2. Большая часть территории (около 80%) располагается в пределах Западно-Сибирской равнины. На юго- востоке равнина постепенно повышается и сменяется предгорьями Алтая, Салаирского кряжа, Кузнецкого Алатау и Горной Шории (Раковская, Давыдова, 2001). Западно-Сибирский регион характеризуется биогеографическим разнообразием: он включает в себя тундровую, лесотундровую, лесную (лесоболотную), лесостепную и степную зоны. Одним из важнейших ландшафтных элементов Западной Сибири являются болота, занимающие около 30-40% территории региона (Лапшина, 2010).
Исследования, направленные на изучение видового богатства и таксономической структуры чешуекрылых как различных регионов, так и различных ландшафтно-биотопических комплексов всегда привлекали внимание специалистов и не утратили своей актуальности. Такие исследования имеют важное значение как с точки зрения фундаментальной науки, - изучения биологического разнообразия, так и для решения прикладных задач, являясь основой биологического мониторинга, организации природоохранных мероприятий, создания особо охраняемых природных территорий.
В высшей степени это актуально для фауны болотных комплексов. Во- первых, болота характеризуются особыми гидрологическими, гидрохимическими и фитоценотическими условиями, которые в значительной степени влияют на формирование уникального видового состава (и специфических сообществ) живых организмов, в том числе и чешуекрылых насекомых. Во-вторых, болотные экосистемы весьма уязвимы и чувствительны даже к сравнительно небольшим изменениям окружающей среды и антропогенному воздействию. Так, в последние десятилетия в Европе отмечается элиминация тирфобионтных видов булавоусых чешуекрылых, обусловленная как прямым разрушением болотных экосистем, так и изменениями специфических условий обитания (Kramp et al., 2016), что подчёркивает необходимость организации мероприятий по сохранению болотных комплексов. В-третьих, ввиду особых условий формирования, болотные природные комплексы зачастую географически изолированы друг от друга значительными расстояниями, поэтому ареалы многих тирфобионтных видов характеризуются серьёзными дизъюнкциями. С эволюционной точки зрения, подобные дизъюнкции создают предпосылки к возникновению генетической изоляции и «локальной» дивергенции отдельных популяций: можно ожидать, что обмен генов у видов, имеющих дизъюнктивные ареалы либо отсутствует полностью, либо в значительной степени ослаблен. Важным таксономическим следствием изоляции болотных комплексов является то, что на основании наличия географических барьеров и возможной (но недоказанной!) генетической дивергенции, локальные географические популяции описываются энтомологами как самостоятельные таксоны (видового и/или подвидового ранга). Вопрос целесообразности такого дробления чаще всего остаётся открытым, поскольку подобные описания редко сопровождаются детальным таксономическим и морфологическим анализом всей совокупности популяций вида или изучением их генетической структуры...
Дневные бабочки характеризуются рядом аутапоморфий, среди которых можно отметить уникальное строение антенн, имеющих у своей вершины булавовидное (головчатое или веретеновидное) расширение; характерное жилкование крыльев; активность в дневное время суток; отсутствие сцепочного аппарата между передним и задним крылом, что привело к утрате способности в покое складывать крылья на спине. Группа включает в себя более 13 700 видов (Robbins, 1982) и имеет всесветное распространение.
Данная работа посвящена изучению фауны дневных бабочек тирфобионтного комплекса Западно-Сибирского региона, в состав которого входят: Тюменская (включая Ямало-Ненецкий и Ханты-Мансийский автономные округа), Омская, Томская, Новосибирская, Кемеровская области, Алтайский край и республика Алтай. Территория Западной Сибири простирается с запада на восток между Уральскими горами и руслом реки Енисей на 1900 км и от Северного Ледовитого океана до Казахстана на 2500 км. Площадь региона составляет 2,5 млн км2. Большая часть территории (около 80%) располагается в пределах Западно-Сибирской равнины. На юго- востоке равнина постепенно повышается и сменяется предгорьями Алтая, Салаирского кряжа, Кузнецкого Алатау и Горной Шории (Раковская, Давыдова, 2001). Западно-Сибирский регион характеризуется биогеографическим разнообразием: он включает в себя тундровую, лесотундровую, лесную (лесоболотную), лесостепную и степную зоны. Одним из важнейших ландшафтных элементов Западной Сибири являются болота, занимающие около 30-40% территории региона (Лапшина, 2010).
Исследования, направленные на изучение видового богатства и таксономической структуры чешуекрылых как различных регионов, так и различных ландшафтно-биотопических комплексов всегда привлекали внимание специалистов и не утратили своей актуальности. Такие исследования имеют важное значение как с точки зрения фундаментальной науки, - изучения биологического разнообразия, так и для решения прикладных задач, являясь основой биологического мониторинга, организации природоохранных мероприятий, создания особо охраняемых природных территорий.
В высшей степени это актуально для фауны болотных комплексов. Во- первых, болота характеризуются особыми гидрологическими, гидрохимическими и фитоценотическими условиями, которые в значительной степени влияют на формирование уникального видового состава (и специфических сообществ) живых организмов, в том числе и чешуекрылых насекомых. Во-вторых, болотные экосистемы весьма уязвимы и чувствительны даже к сравнительно небольшим изменениям окружающей среды и антропогенному воздействию. Так, в последние десятилетия в Европе отмечается элиминация тирфобионтных видов булавоусых чешуекрылых, обусловленная как прямым разрушением болотных экосистем, так и изменениями специфических условий обитания (Kramp et al., 2016), что подчёркивает необходимость организации мероприятий по сохранению болотных комплексов. В-третьих, ввиду особых условий формирования, болотные природные комплексы зачастую географически изолированы друг от друга значительными расстояниями, поэтому ареалы многих тирфобионтных видов характеризуются серьёзными дизъюнкциями. С эволюционной точки зрения, подобные дизъюнкции создают предпосылки к возникновению генетической изоляции и «локальной» дивергенции отдельных популяций: можно ожидать, что обмен генов у видов, имеющих дизъюнктивные ареалы либо отсутствует полностью, либо в значительной степени ослаблен. Важным таксономическим следствием изоляции болотных комплексов является то, что на основании наличия географических барьеров и возможной (но недоказанной!) генетической дивергенции, локальные географические популяции описываются энтомологами как самостоятельные таксоны (видового и/или подвидового ранга). Вопрос целесообразности такого дробления чаще всего остаётся открытым, поскольку подобные описания редко сопровождаются детальным таксономическим и морфологическим анализом всей совокупности популяций вида или изучением их генетической структуры...
1. Установлено, что фауна дневных чешуекрылых тирфобионтных комплексов Западной Сибири включает 10 видов, относящихся к трём семействам: Colias palaeno (Pieridae); Agriades optilete (Lycaenidae); Clossiana angarensis, Clossianafreija, Clossiana thore, Proclossiana eunomia, Boloria aquilonaris, Coenonympha oedippus, Coenonympha tullia, Oeneis jutta (Nymphalidae).
2. Для всех зарегистрированных на территории Западной Сибири видов тирфобионтного комплекса получены нуклеотидные последовательности митохондриального гена COI. Всего в рамках данного исследования изучено 378 ДНК- баркодов.
3. В большинстве случаев метод ДНК-баркодинга можно применять для видовой диагностики бабочек тирфобионтных комплексов. В 7 случаях из 10 видовая идентификация при помощи ДНК-баркодинга совпадала с традиционно выделяемыми таксонами. Несоответствия кластеризации баркодов традиционным видовым границам выявлены для видов Colias palaeno, Oeneis jutta и Clossiana angarensis.
4. Проведён детальный филогеографический и филогенетический анализ чешуекрылых тирфобионтного комплекса. Установлены виды, характеризующиеся глубокой дивергенцией ДНК-баркодов и сложной генетической структурой (Oeneis jutta, Colias palaeno, Coenonympha oedippus) и виды, имеющие достаточно однородную генетическую структуру (Clossiana angarensis, Clossiana freija, Proclossiana eunomia). В целом, выявленная генетическая структура изученных таксонов мало соответствовала традиционно выделяемым подвидам, что влечёт за собой необходимость пересмотра статуса многих описанных таксонов.
2. Для всех зарегистрированных на территории Западной Сибири видов тирфобионтного комплекса получены нуклеотидные последовательности митохондриального гена COI. Всего в рамках данного исследования изучено 378 ДНК- баркодов.
3. В большинстве случаев метод ДНК-баркодинга можно применять для видовой диагностики бабочек тирфобионтных комплексов. В 7 случаях из 10 видовая идентификация при помощи ДНК-баркодинга совпадала с традиционно выделяемыми таксонами. Несоответствия кластеризации баркодов традиционным видовым границам выявлены для видов Colias palaeno, Oeneis jutta и Clossiana angarensis.
4. Проведён детальный филогеографический и филогенетический анализ чешуекрылых тирфобионтного комплекса. Установлены виды, характеризующиеся глубокой дивергенцией ДНК-баркодов и сложной генетической структурой (Oeneis jutta, Colias palaeno, Coenonympha oedippus) и виды, имеющие достаточно однородную генетическую структуру (Clossiana angarensis, Clossiana freija, Proclossiana eunomia). В целом, выявленная генетическая структура изученных таксонов мало соответствовала традиционно выделяемым подвидам, что влечёт за собой необходимость пересмотра статуса многих описанных таксонов.
