Анализ механизмов достижения экологической специализации, сопровождающей адаптацию к трансформированным экосистемамНИР

Analysis of the mechanisms to achieve environmental specialization that accompanies adaptation to transformed ecosystems

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 20 июня 2014 г.-31 декабря 2014 г. Анализ механизмов достижения экологической специализации, сопровождающей адаптацию к трансформированным экосистемам
Результаты этапа: В соответствии с заявленной целью и задачами проекта, в 2014 году мы выполняли анализ адаптаций наших модельных объектов к трансформированным экосистемам, а также выявляли эволюционные механизмы, позволяющие им приобрести соответствующую экологическую специализацию. В качестве модельных объектов нами использовались муравьи (виды родов Lasius, Myrmica, Formica), коадаптивные комплексы насекомые-опылители / опыляемые растения, комары (виды и формы рода Culex), бесхвостые амфибии (Rana arvalis, Rana temporaria, Pelophylax ridibundus, Bufo bufo), лабораторные популяции Drosophila melanogaster. Были проведены полевые исследования в естественной среде, а также исследования в лабораторных условиях, направленные на моделирование влияния различных факторов среды на изучаемые объекты. Проведено изучение адаптациогенеза в популяциях черного садового муравья (L. niger), населяющих трансформированные местообитания, методами молекулярной биологии и биоинформатики. Был собран и аннотирован геном L. niger. Вручную были аннотированы генные семейства, для которых предполагалось адаптивное значение в трансформированных экосистемах (системы детоксикации и внутривидовой коммуникации). Биоинформатическая обработка данных выявила участки генома L. niger, находящиеся под воздействием отбора в трансформированных экосистемах. Было показано, что у L. niger, по сравнению с другими муравьями, увеличено число генов девятого семейства цитохромов P450. Следы положительного отбора показаны как для обонятельных рецепторов, так и для аминокислотных остатков, располагающихся в лиганд-связывающем кармане ферментов цитохромов P450. Большой набор цитохромов P450 у L. niger можно считать преадаптацией к городским условиям - они обеспечивают устойчивость к ксенобиотикам и способствуют полифагии благодаря специфическому и неспецифическому обезвреживанию различных фито- и микотоксинов. Проведено изучение экологических и поведенческих адаптаций муравьев к трансформированным местообитаниям. Были охарактеризованы структура поселений и пищевое (фуражировочное) поведение муравьев в условиях различной антропогенной нагрузки на лугах Москвы и Карлсруе (Германия), и в парках Москвы. Сравнительный анализ структуры поселений показал, что видовая структура сообществ в обоих случаях состоит из сходного набора инфлюентов и субдоминантов. Показано, что при усилении антропогенной нагрузки происходит специализация структуры поселений в сторону изменения расположения гнезд на территории. Гнезда концентрируются по краям участка, что может приводить к повышенной конкуренции за местообитания. Сравнительный анализ местообитаний, испытывающих разную степень антропогенной трансформации, позволил вычленить влияние отдельных антропогенных факторов и изучить их влияние на сообщество муравьев. Выявлен механизм влияния на внегнездовую активность муравьев одного из основных факторов антропогенной нагрузки - нарушения травяного покрова. Косвенным следствием нарушения травяного покрова является повышение температуры поверхности почвы. Было показано, что, повышение температуры поверхности почвы серьезно ограничивает фуражировочную и другую внегнездовую активность многих видов муравьев. Таким образом, был выявлен один из основных факторов, который приводит к сокращению численности муравьев на трансформированных лугах. Начато изучение возможных путей экологической специализации на примере коадаптивных комплексов, состоящих из энтомофильных растений и их опылителей. Изучались возможные механизмы разделения ниш опылителей в ненарушенных местообитаниях. Ожидается, что полученные результаты позволят в дальнейшем сопоставить коадаптивные комплексы, состоящие из насекомых опылителей и растений, обитающие в ненарушенных и трансформированных экосистемах. Проведено исследование популяций комаров рода Culex, населяющих природные и трансформированные местообитания. Для выявления роли трансформированных местообитаний в эволюции популяций комаров рода Culex, был собран материал в удаленных географических точках, в направлении с севера на юг из естественных и трансформированных (подвергшихся антропогенному влиянию) экосистем. Было проведено экспериментальное изучение влияния характера питания на изменчивость признаков и дифференциальную элиминацию личинок комаров рода Culex. Опыты показали, что все рассмотренные признаки, вне зависимости от их связи с питанием, подвержены модификационному воздействию. Показано, что дифференциальную элиминацию особей не удается связать с вариантами проявления признаков, являющихся частью трофической системы личинки. Т.о., быстрое и успешное освоение городских местообитаний формой mоlestus связано не с отбором по признакам трофического комплекса, а с преадаптацией и высокой пластичностью данных признаков. Существенно дополнены результаты биоинформатического анализа, направленного на поиск следов отбора в геноме видов и форм рода Culex, обитающих в трансформированных экосистемах. Было показано, что под действием отбора находятся сигнальные пути Notch, Jak-STAT и MAPK, имеющие непосредственное отношение к формированию таких признаков жизненного цикла Culex, как диапауза, автогения и брачное поведение, а также устойчивость к низким температурам. Именно эти признаки маркируют экологическую специализацию формы molestus, обитающей в антропогенной среде, а также популяции других видов и форм рода Culex, обитающие в трансформированных экосистемах. Мы считаем, что одним из основных механизмов экологической специализации и адаптации к меняющимся условиям среды у животных со сложным онтогенезом являются адаптивные изменения жизненного цикла. Для проверки этой гипотезы, было проведено исследование особенностей жизненного цикла популяций модельных видов амфибий, обитающих в естественных и трансформированных местообитаниях, а также в разных климатических условиях. Были сопоставлены основные характеристики жизненного цикла популяций травяной и остромордой лягушек, а также серой жабы, обитающих в антропогенных и естественных местообитаниях Брянской и Московской областей. В пределах одного региона, значимые различия между популяциями, обитающими в антропогенных и естественных местообитаниях, были выявлены только по 2-м из основных характеристик жизненного цикла: скорости предметаморфозного роста и развития. Также были исследованы популяции озерной лягушки Pelophylax ridibundus, обитающие в термальных водоемах разного происхождения. Термальные водоемы (как естественные, так и искусственные) представляют собой уникальные экосистемы, позволяющие вселяющимся в них видам проявлять крайние значения нормы реакции таких характеристик жизненного цикла как скорость роста и развития, число размножений за год, репродуктивное усилие и др. Были проведены исследования популяций P. ridibundus, обитающих в трансформированных экосистемах – водоеме-охладителе Нижнетагильского Металлургического Комбината (Свердловская обл.) и термальных водоемах Камчатки. Благодаря наличию естественных термальных вод, на Камчатке присутствуют термальные водоемы с разной степенью антропогенной трансформации – от водоемов, подогреваемых за счет теплых ключей, до водоемов – охладителей, аналогичных нижнетагильскому. Показано, что наличие подогреваемых водоемов является необходимым условием успешного заселения P. ridibundus новых местообитаний в холодном климате и формирования в них стабильных популяций. Однако условия в термальных водоемах заметно отличаются от условий в водоемах европейской части России, что сказывается на изменениях жизненного цикла популяций P. ridibundus. В предельном случае, активность лягушек, включая их размножение, может происходить в течение всего года. Такая круглогодичная активность была выявлена впервые в одном из термальных водоемах Камчатки. Во всех перечисленных водоемах проведен сбор материала для молекулярно-генетических исследований по определению состава аллелей локуса RC08604, определяющего скорость развития до завершения метаморфоза. Проведена предварительная обработка собранных проб для проведения молекулярно- генетических исследований. Проведены полевые и экспериментальные исследования механизмов экологической специализации, связанных со стратегией размножения и ранними стадиями онтогенеза модельных видов амфибий (травяная и остромордая лягушки, прудовая лягушка и серая жаба). Разработан дизайн экспериментов и проведены эксперименты по изучению «переходящих эффектов» (carryover effects), проявляющихся на ранних стадиях онтогенеза амфибий. Этот эффект связан с влиянием условий раннего развития на формирование признаков организма на более поздних стадиях (Pechenik et al., 1998). Нами была разработана методика, позволяющая моделировать «переходящие эффекты» в лабораторных условиях. Результаты экспериментов показали, что условия, в которых происходило эмбриональное развитие, оказывают существенное влияние на морфометрические признаки головастиков серой жабы. При изучении влияния недостатка кислорода на эмбриональных стадиях показано, что при разной плотности посадки икринок, концентрация растворенного кислорода по-разному влияет на смертность эмбрионов. Проведен сравнительный анализ стратегий размножения модельных видов, обитающих в естественных и трансформированных экосистемах. Для двух видов бурых лягушек Rana temporaria и Rana arvalis был выполнен детальный сравнительный анализ стратегий размножения в трансформированных и ненарушенных местообитаниях. Было показано, что на территории исследованных округов г. Москвы оба вида бурых лягушек откладывают в среднем более крупные кладки, чем в загородных популяциях. Показано, что увеличение плодовитости самок в ряде городских популяций может сопровождаться уменьшением диаметра икринок, сохранением диаметра неизменным или формированием икринок разного диаметра. Результаты проведенных исследований показали конвергенцию стратегий размножения этих видов, обитающих в нестабильных и непредсказуемых условиях окружающей среды (в антропогенно трансформированной экосистеме), к стратегии bet-hedging (Северцова, 2014). Для изучения механизмов достижения экологической специализации, нами был разработан дизайн эксперимента, целью которого является моделирование процесса формирования адаптаций Drosophila melanogaster к неблагоприятным (стрессовым) средам, экологической сегрегации (расхождения по трофическим нишам) и начальных этапов формирования пре- и посткопуляционной репродуктивной изоляции между субпопуляциями, адаптирующимися к контрастным условиям. В результате проведенных экспериментов разработана методика тестирования подопытных популяций с целью количественной оценки следующих параметров: уровня приспособленности к каждой из трех сред, половой избирательности, предпочтений при выборе корма. Проведен предварительный анализ результатов экспериментов, оценка и сравнение динамики приспособленности, смены предпочтений при выборе корма и половой избирательности подопытных линий D. melanogaster в ходе начальных этапов адаптации к неблагоприятным средам в трех различающихся экспериментальных ситуациях. Показано, что адаптация к стрессовым средам может приводить к быстрому развитию положительной ассортативности скрещиваний. В серии экспериментов, моделирующих влияние повышенной плотности популяции, была проведена оценка флуктуирующей асимметрии по крыльям дрозофил из исследуемых линий. Именно оценки флуктуирующей асимметрии наиболее строго отражают эффекты отрицательного воздействия неблагоприятных факторов в тех случаях, когда целевая для данного фактора физиологическая система, орган, ткань или клеточный процесс неизвестны. Полученные результаты демонстрируют, что при повышении плотности показатели флуктуирующей асимметрии увеличиваются, а, следовательно, происходит снижение стабильности развития организмов. Интересно, что две используемые в эксперименте линии приобрели значимые различия по показателям флуктуирующей асимметрии.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Анализ механизмов достижения экологической специализации, сопровождающей адаптацию к трансформированным экосистемам
Результаты этапа: В 2015 году было продолжено изучение формирования адаптаций к трансформированной среде обитания в популяциях наших модельных объектов - муравьёв (виды родов Lasius, Myrmica, Formica), видов – компонентов коадаптивных комплексов насекомые-опылители / опыляемые растения, комаров (виды и формы рода Culex), бесхвостых амфибий (Rana arvalis, Rana temporaria, Pelophylax ridibundus, Bufo bufo). Также было продолжено экспериментальное исследование адптациогенеза и экологической специализации в лабораторных популяциях Drosophila melanogaster. Была продолжена биоинформатическая обработка материала, направленная на поиск следов действия отбора в геномах муравьев, адаптировавшихся к трансформированным местообитаниям. В геноме Lasius niger были обнаружены следы отбора в последовательностях белков ретротранспозонов и регуляторных генов. Показано, что у L. niger, по сравнению с другими муравьями, в геноме значимо больше ретровирусных белков, а также перепредставлены системы репарации ДНК. Последнее отличие можно рассматривать как преадаптацию к освоению этим видом трансформированных местообитаний, насыщенных отравляющими веществами, способными повреждать ДНК. Выявленные различия по одиночным нуклеотидным полиморфизмам относятся к генам транскрипционных факторов и ретровирусов. Показано, что у разных видов муравьев одинаковые цитохромы P450 не различаются по сродству к одним и тем же субстратам. С целью дальнейшего изучения межвидовых и межпопуляционных различий в последовательностях цитохромов P450, был проведён сбор материала муравьев рода Lasius из Московской области и города Тюмени из естественных и трансформированных экосистем. Предварительная обработка материала показала, что некоторые особи сочетают в себе признаки L. niger и L. platythorax. Поэтому, для определения точного видового статуса собранного материала требуется дополнительная морфологическая и молекулярно-генетическая обработка. В 2015-м году были продолжены исследования парковых и луговых сообществ муравьев в условиях слабой, средней (Германия) и сильной (Москва) антропогенной нагрузки для изучения степени специализации u1089 структуры поселений и пищевого поведения. На основе анализа собранного в Москве обширного материала, была выявлена общая структура типичного сообщества муравьев города. Всего в Москве нами подтверждено обитание 17 видов муравьев (без учета синантропов и облигатных социальных паразитов). Самыми массовыми в городе являются три вида: Lasius niger, Мyrmica rugulosa, Мyrmica rubra. Типичное московское сообщество муравьев представлено Lasius niger, несколькими видами Myrmica, Serviformica и Lasius flavus. Было экспериментально показано, что регулярное сгребание листвы негативно влияет на видовое разнообразие, численность муравьев и структуру их сообществ. Было проведено исследование влияние численности муравьев на состояние почвенного покрова. Разработана и апробирована методики учета геобионтов. Было косвенно подтверждено, что снижение биомассы муравьев в городских сообществах приводит к ухудшению качества почвы. В ходе изучение коадаптивных комплексов насекомые-опылители / опыляемые растения из семейства зонтичных решалась задача выявления особенностей поведения, отличающих потенциальных опылителей массово цветущих растений от так называемых нектарных воров, которые потребляют нектар, но не вносят вклад в опыление. Было показано, что полного разделения ниш потенциальных опылителей и нектарных воров не происходит, а частичное разделение ниш оставляет возможность всем насекомым соответствующего размера (сопоставимого с размерами цветка) участвовать в опылении. Мы доказали, что разнос пыльцы зонтичных, входящих в состав коадаптивных комплексов, по воздуху практически не происходит. Таким образом, насекомые – опылители являются облигатными компонентами этих комплексов. Был продолжен анализ морфологической изменчивости популяций комаров группы «Culex pipiens». Было показано, что в закрыто живущих популяциях C. pipiens f. molestus поддерживается достаточно высокий уровень изменчивости, который может обеспечивать их эволюционную пластичность и способность к заселению разнообразных местообитаний антропогенного происхождения в отличие от популяций C. pipiens f. pipiens. В текущем году был продолжен мониторинг модельных водоемов (естественных и трансформированных экосистем) и модельных видов амфибий г. Москвы, Московской, Брянской и Свердловской области, а также Камчатки. Был проведен сбор материала по остромордой лягушке в Ханты-Мансийском автономном округе: Югре, в местообитаниях г. Сургута и в загородных, менее нарушенных биотопах. Был проведен сбор полевого материала по раннему развитию модельных видов амфибий в Иркутске и Иркутской области. На Камчатке нами было описано 15 самоподдерживающихся популяций озерной лягушки (Pelophylax ridibundus), образовавшихся в результате искусственного заселения и обитающих в водоемах с разным температурным режимом. Ранее все исследованные местообитания были условно разделены нами на «теплые» и «холодные» (Ляпков, 2014). В этом году обследовались подогреваемые водоемы с промежуточным температурным режимом. Были получены интересные результаты, касающиеся динамики ростовых процессов в популяциях из водоемов разного типа, охарактеризованных на основании данных скелетохронологии. В целом же все исследованные камчатские популяции характеризовались более высокими темпами роста, в сравнении с популяцией прогреваемого водоема НТМК (Свердловская область), что обусловлено, очевидно, сильной загрязненностью водных и околоводных местообитаний последней (Фоминых, Ляпков, 2011). С целью определения наиболее вероятного региона происхождения камчатской озерной лягушки был проведен анализ митохондриальных и ядерных маркеров у особей ряда популяций Камчатки методом мультипраймерной ПЦР. Результаты анализа показали, что популяция пос. Малка генетически однородна. Генетическая структура поселений озерных лягушек, при которой все особи имеют мтДНК-маркеры "восточной" формы, а по маркерам яДНК - гетерозиготны, встречается в Заволжье и широко распространяется ближе к Уралу. Таким образом, можно предположить, что исследуемые нами популяции Камчатки имеют происхождение из одного из этих регионов. Также u1073 было охарактеризовано генетическое разнообразие популяций озерной лягушки из популяций ряда водоемов Камчатки (ТЭЦ-2 вблизи Петропавловска-Камчатского, пос. Малка, и Халактырское озеро) на основе анализа аллельного состава диагностического микросателлитного локуса Rrid059a. Результаты этого анализа показали снижение аллельного разнообразия в популяциях Камчатки по сравнению с популяциями Московской области и высокую степень их гомозиготизации. Скорее всего, данный результат обусловлен эффектом основателя. Для оценки генетической основы различий изучаемых популяций камчатской озерной лягушки по скорости развития были проведены молекулярно-генетические исследования состава аллелей локуса RC08604, локализованного в регуляторной области гена рецептора тиреоидного гормона (TRb). Аллельный полиморфизм по данному локусу в выборке пос. Малка обнаружен не был, все образцы оказались мономорфными. Было продолжено исследование подогреваемого водоема-охладителя НТМК (Нижний Тагил, Свердловская обл.). Подтверждено наличие когорты зимующих головастиков, завершающих метаморфоз только после зимовки. При сравнении популяции НТМК с «контрольной» популяцией, обитающей в неподогреваемом водоеме (река Пышма), наряду с очевидными положительными эффектами «подогрева» (раннее достижение половой зрелости, более высокая численность каждой новой генерации метаморфов), выявляются и негативные эффекты, связанные с сильным загрязнением водоема НТМК: низкая выживаемость, медленный постметаморфозный рост, невысокая средняя продолжительность жизни. Был проведен мониторинг модельных водоемов из естественных и трансформированных экосистем Брянской и Московской областей для модельных видов амфибий (травяной лягушки, остромордой лягушки и серой жабы). Между популяциями естественных и трансформированных местообитаний значимых различий выявлено не было, хотя средняя продолжительность жизни, скорость роста по достижении половой зрелости и средняя длина тела оказались выше в естественных местообитаниях. Вместе с тем, при сравнении популяций каждого из трех видов, населяющих географически удаленные регионы, были обнаружены существенные отличия характеристик жизненного цикла. Это связано с географическими различиями в длительности сезона активности. В 2015 году были продолжены исследования механизмов адаптации раннего развития бесхвостых амфибий к условиям антропогенного загрязнения водоемов, расположенных на территории мегаполиса. В результате проведенного анализа было показано, что городские популяции лягушек, в сравнении с загородными популяциями, малочисленны, особи в них ведут скрытый образ жизни и самки оказываются более плодовитыми. Наиболее благополучными в настоящий момент являются городские популяции бурых лягушек, самки в которых выметывают икру с разнообразным диаметром икринок. В 2015 г. были продолжены лабораторные эксперименты по изучению механизмов достижения экологической специализации на ранних стадиях онтогенеза у модельных видов амфибий. Эксперименты, проведенные на озерной лягушке, отловленной на Камчатке из «холодной» популяции Халактырского озера и из популяции «теплого» водоема ТЭЦ-2, показали, что у камчатских популяций отсутствуют адаптации к эффекту группы, т.е. при сравнительно высокой плотности популяции (при одинаковой температуре воды) развитие представителей обоих популяций начинает резко замедляться к концу метаморфоза. Были продолжены лабораторные эксперименты по изучению механизмов адаптации к трансформированным экосистемам (в т.ч. к антропогенному загрязнению) ранних стадий онтогенеза модельных видов амфибий. На примере серой жабы (Bufo bufo) исследовано влияния концентрации ионов меди на эмбриональное развитие. Разработанная нами ранее методика проведения лабораторных экспериментов позволяет охарактеризовать динамику процессов развития в условиях воздействия неблагоприятных факторов, особенно антропогенных, что недостижимо при использовании стандартных протоколов биотестирования. Была показана применмость этой u1084 методики также для анализа «переходящих эффектов» (carryover effects), связаных с влиянием условий раннего развития на формирование признаков организма на более поздних стадиях онтогенеза серой жабы. В 2015 году был продолжен долгосрочный эксперимент по изучению адаптации дрозофил к неблагоприятным (стрессовым) средам, экологической сегрегации (расхождения по трофическим нишам) и начальных этапов формирования пре- и посткопуляционной репродуктивной изоляции между субпопуляциями, адаптирующимися к контрастным условиям. Получено экспериментальное подтверждение идеи о том, что неадаптивная фенотипическая пластичность и материнский эффект, маскирующие адаптацию к неблагоприятной среде, могут препятствовать экологической сегрегации и видообразованию (Марков и др., 2015). Показано, что дополнительным фактором, препятствующим дивергенции и способствующим смешению генофондов субпопуляций, обитающих в контрастных условиях (благоприятных и стрессовых), могут быть предпочтения при выборе субстрата. Показано, что адаптация подопытных линий к контрастно различающимся кормовым субстратам привела к радикальным изменениям.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Анализ механизмов достижения экологической специализации, сопровождающей адаптацию к трансформированным экосистемам
Результаты этапа: В ходе работ, направленных на поиск механизмов адаптации популяций муравьев к антропогенно трансформированным местообитаниям, был выполнен сравнительный анализ геномов близких видов, различающихся по способности к заселению урбанизированных территорий - Lasius niger и L. flavus. Ранее мы показали, что L. niger обладает высокой степенью преадаптации к обитанию в трансформированных экосистемах. На геномном уровне эта преадаптация обеспечивается уменьшением числа генов обонятельных рецепторов и одорант-связывающих белков и увеличением числа генов девятого семейства (CYP9) цитохромов P450 (по сравнению с другими муравьями). По результатам анализа мы можем утверждать, что L. niger имеет наибольшее число генов CYP9 среди муравьев, по которым имеются соответствующие геномные данные. С помощью биоинформатического анализа удалось определить функциональное значение аминокислотных замен у цитохромов P450, находящихся под давлением движущего отбора в популяциях L. niger, населяющих трансформированные местообитания. Наиболее частые несинонимичные замены в генах CYP9 происходили без изменения заряда и полярности остатка (напр. валин на изолейцин, аспартат на глутамат). Сравнительный анализ морфологических признаков L. niger и L. platythorax, населяющих трансформированные и природные местообитания в географически удаленных регионах (г. Тюмень и г. Москва), показал, что во всех популяциях встречается значительная доля особей, имеющих смесь определительных признаков обеих форм. Таким образом, выделение L. platythorax как вида или формы (расы) из L. niger (Seifert, 1991) некорректно, а признаки, на основе которых было проведено выделение вида, находятся в пределах внутривидовой изменчивости. Обобщены данные по влиянию различных антропогенных факторов на городские сообщества муравьев. Проведено обобщение результатов 3-х лет работы: создана классификация биоценозов мегополиса, основанная на рассмотрении его как мозаичного (фрагментированного) пространства; выявлены все массовые виды города Москвы, а также типичные городские сообщества. u1042 Выявлены факторы, которые существенно влияют на формирование и функционирование сообщества биотопа. В 2016 г. было продолжено исследование путей экологической специализации на примере энтомофильных растений семейства зонтичные (купырь лесной Anthriscus sylvestris, сныть обыкновенная Aegopodium podagraria и жабрица порезниковая Seseli libanotis) и их опылителей. Была отработана методика и проведены опыты по выбору соцветий и количеству пыльцы, собранной антофильными насекомыми за одно посещение. Подтверждена гипотеза о том, что насекомые могут выбирать соцветие той или иной фазы в случае прямого выбора, когда выровнены все остальные влияющие на выбор факторы (листва, соседние соцветия и т.п.). В ходе исследования популяций модельных видов амфибий, обитающих в водоемах естественных и трансформированных экосистем, были получены следующие результаты. Не было выявлено существенных различий между популяциями бурых лягушек и серой жабы из трансформированных и естественных местообитаний по темпам постметаморфозного роста, возрасту первого размножения, возрастному составу половозрелых особей. Для бурых лягушек при наличии различий между географически удаленными популяциями по морфологическим признакам, различий между популяциями в пределах одного региона не выявлено. Были выявлены различия между популяциями естественных и трансформированных местообитаний озерной лягушки (Pelophylax ridibundus) в Свердловской обл. По мере увеличения теплового «загрязнения» водоема происходит удлинение периода активности: часть головастиков успешно перезимовывает и завершает метаморфоз весной следующего года, причем при рекордно крупных размерах. Анализ разнообразия митохондриальных и ядерных маркеров показал, что выявленные адаптации к «тепловому загрязнению» сформировались на сходной генетической основе. На Камчатке мы продолжали работу с 15-ю самоподдерживающимися популяциями P. ridibundus, образовавшимися в результате искусственного заселения подогреваемых водоемов с разным температурным режимом. По сравнению с особями из нативного ареала, для камчатских лягушек характерна более низкая скорость роста, что может объясняться расходованием большей доли ресурсов на репродукцию. Существенным отличием камчатских популяций являются бóльшие значения их максимальных размеров, по сравнению с популяциями нативной части ареала. Результаты секвенирования генов ND2 мтДНК и SAI-1 яДНК позволяют предположить, что «особи- основатели» были интродуцированы на Камчатку из Волго-Донского междуречья или Предкавказья. Отсутствие как гаплотипического, так и нуклеотидного разнообразия исследованных выборок указывает на однократную успешную интродукцию небольшого числа особей из одной популяции. На основании анализа аллельного разнообразия микросателлитных локусов популяций Камчатки, Свердловской и Московской областей сделан вывод об обеднении аллельного репертуара популяций Камчатки. По сравнению с популяциями Московской обл., где встречаются все выявленные аллели, камчатские популяции более мономорфны. Анализ состава аллелей локуса RC08604a (регуляторный район рецептора тиреоидного гормона) продемонстрировал мономорфизм P. ridibundus. Это свидетельствует о том, что пластичность жизненного цикла зеленых лягушек никак не связана с полиморфизмом данного локуса (что показано для бурых лягушек). По-видимому, продление личиночной стадии в развитии камчатских зеленых лягушек лежит в пределах фенотипической пластичности данной группы. Возможно, у P. ridibundus существуют отличия в кодирующей области данного гена, делающие возможным такую физиологическую реакцию на повышенную температуру воды. В 2016 г. изучалось влияние химического загрязнения среды на раннее развитие амфибий, населяющих трансформированные водоемы. Был проведен спектрохимический анализ по 50 элементам тканей двух стадий развития остромордой лягушки (стадия гаструлы и стадия почки задней конечности) с целью выявления изменения концентрации разных элементов при переходе от защищенного оболочками зародыша к плавающему и кормящемуся головастику. Было показано, что концентрация ряда элементов различается в тканях эмбрионов и головастиков из загрязненных водоемов. В трансформированных водоемах накопление химических элементов в тканях по мере развития менее выражено. Этот впервые установленный факт можно объяснить исходно более высокой концентрацией элементов уже на начальных этапах развития. В результате экспериментов по влиянию ионов Cu на эмбриональное развитие серой жабы было показано, что краткосрочные тесты (48 часов) могут не выявить токсического эффекта исследуемого вещества из-за высокой устойчивости развития на стадиях от оплодотворения до гаструлы. Выявлено влияние на результаты теста плотности посадки эмбрионов: при концентрации ионов меди 1-50 мг/л смертность эмбрионов ниже при более высокой плотности; при снижении концентрации Cu смертность увеличивается с повышением плотности эмбрионов. Развитие эмбрионов при высокой концентрация ионов меди оказывает влияние на развитие головастиков даже после снижения концентрации до нормы для рыбохозяйственных объектов (0,01 мг/л), что проявляется в повышенной смертности головастиков и меньших размерах тела. В лабораторных условиях был проведен сравнительный анализ развития головастиков двух видов бурых лягушек из популяций, удаленных географически, а также из трансформированных и естественных местообитаний одного региона. Различия между популяциями лягушек, происходящими из естественных местообитаний, сильно различающихся длительностью сезона активности, проявляются как различия в «стратегиях» предметамофозного роста и развития. Было показано, что на начальном этапе адаптации изменчивость скорости роста возрастает. Успешной адаптации могли способствовать наличие подогреваемого термальными водами водоема, а также наследственное изменение соотношения скорости роста и развития до завершения метаморфоза. Анализ популяций комаров C. pipiens f. molestus позволил вывить ключевые факторы, влияющие на их адаптацию к существованию в закрытых городских местообитаниях. Необходимым условием существования автогенной формы является избыток пищи в период личиночного развития. В ходе эволюционного эксперимента на Drosophila melanogaster подопытные линии мух за 20 поколений успешно адаптировались к жизни на стрессовых кормовых субстратах с повышенным содержанием NaCl. Адаптация к неблагоприятной среде привела к расширению трофической ниши. Адаптация к маргинальным условиям, сопровождающаяся позитивными побочными эффектами и ведущая не к сужению, а к расширению трофической ниши, может быть распространенным явлением у эврибионтных видов (D. melanogaster). Одним из механизмов выработки адаптаций «широкого профиля» в ходе освоения стрессовых субстратов могут быть адаптивные изменения симбиотической микробиоты, которая у дрозофил эффективно передается от родителей к потомкам через поедание потомками субстрата, на котором до этого жили родители. Было проведено определение видового состава бактериальной и дрожжевой микробиоты. Выявлены доминирующие группы бактерий, присутствующие у линий, культивируемых на нормальной и соленой кормовой среде. В разных линиях D. melanogaster, происходящих от одной предковой лабораторной популяции, состав бактериальной микробиоты оказывается существенно различным, даже если сравниваемые линии культивировались на одинаковой кормовой среде. В ходе эволюционного эксперимента показано, что изменения микробиома действительно вносят вклад в адаптацию D. melanogaster к кормовой среде с высоким (4%) содержанием NaCl. Адаптации, обусловленные изменениями микробиоты, можно рассматривать как особый случай адаптивной фенотипической пластичности (поскольку фенотип организма хозяина меняется при неизменном геноме под влиянием среды). Быстрые адаптивные изменения микробиома, облегчающие выживание хозяина в неблагоприятных условиях, могут служить “эволюционным буфером”, ослабляя действие отбора и замедляя эволюцию хозяина. В ходе эволюционного эксперимента по адаптации мух Drosophila melanogaster к обедненной кормовой среде на основе крахмала (К) у подопытных насекомых сократилась продолжительность жизни, повысилась ранняя плодовитость, ускорилось репродуктивное старение, а также развился половой диморфизм по форме кривых выживания. Результаты согласуются с предположением о том, что в эволюционных изменениях у самок заметную роль сыграла антагонистическая плейотропия аллелей, увеличивающих раннюю плодовитость ценой ускоренного старения, тогда как изменения, зарегистрированные у самцов, возможно, в большей степени обусловлены накоплением вредных рецессивных мутаций с поздним эффектом.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".