Совместная работа ученых из Института систематики и экологии животных СО РАН, ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Новосибирского государственного университета позволила экспериментально изучить ранние стадии эволюции в группе скальных полевок рода Alticolа. В ходе исследования было установлено, что ольхонская полевка проходит процесс формирования нового вида. Результаты исследования опубликованы в Mammalian Biology.
Ольхонская полевка (A. olchonensis) — грызун, относящийся к роду скальных полевок семейства Cricetidae и встречающийся на островах озера Байкал. Ранее ее классифицировали как подвид, но впоследствии она была выделена в самостоятельный вид, хотя вопросы о ее таксономической принадлежности до сих пор вызывают дискуссии.
«Скальные полевки представляют собой весьма перспективный объект для изучения процессов видообразования и эволюции. Прежде всего, это группа, изученная недостаточно. Кроме того, эти виды обладают стенотопностью, то есть связаны с жизнью в ограниченных средах обитания: скальных образованиях, каменистых завалах в Северной Азии, на территории Сибири, Монголии, Китая и Казахстана. Как правило, их участки распространения не совпадают. До настоящего времени ведутся споры о таксономическом положении многих видов, относящихся к скальным полевкам. Так, ольхонская и тувинская полевки считаются близкородственными видами, однако некоторые зоологи полагают, что первая является лишь подвидом второй. Наша работа должна была прояснить таксономический статус ольхонской полевки», — пояснил руководитель лаборатории экологии сообществ позвоночных животных, кандидат биологических наук Игорь Викторович Моролдоев.
Сибирские исследователи приступили к изучению основополагающего признака биологического вида — репродуктивной изоляции. Этот термин обозначает комплекс факторов, которые не позволяют особям разных видов или популяций успешно размножаться. В ходе экспериментов использовалась лабораторная популяция ольхонской полевки и две географически обособленные формы тувинской полевки: тувинская (обитающая в горных степях Хакасии и Тувы) и хубсугульская (встречающаяся на берегах озера Хубсугул в Монголии). Для получения потомства особи разных групп скрещивали, создавая гибриды первого поколения (F1), второго поколения (F2), а также гибриды, полученные при скрещивании F1 с родительскими особями (беккроссы).
«К началу эксперимента было известно, что гибриды ольхонской и тувинской полевок, как правило, обладают способностью к размножению, успешно скрещиваются и дают потомство. Однако, как зоологи, мы не располагали информацией о наличии у них каких-либо механизмов первичной репродуктивной изоляции, в частности, более детальных цитологических. Хотя существовало предположение о их наличии, непосредственно наблюдать их не удавалось», — рассказывает Игорь Моролдоев. В связи с этим в исследование привлекли специалистов из ФИЦ ИЦиГ СО РАН, которые сконцентрировались на изучении сперматогенеза.
«В ходе исследования мы фокусировались исключительно на самцах. Дело в том, что у млекопитающих именно они первыми демонстрируют признаки гибридной стерильности – значимого механизма репродуктивной изоляции, что увеличивает вероятность выявления нарушений. Кроме того, сперматогенез запускается с наступлением половой зрелости и продолжается на протяжении всей жизни, позволяя наблюдать все этапы его развития, включая мейоз (процесс деления ядра в клетке. — Прим. ред.). У самок полевок одна из ключевых стадий мейоза происходит практически при рождении, что существенно затрудняет детальное изучение оогенеза», – поясняет научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РАН, кандидат биологических наук Татьяна Игоревна Бикчурина.
Согласно результатам исследования, первое поколение гибридов (F1) в большинстве случаев обладает фертильностью. Тем не менее, у них уже фиксируется значительный рост числа аномальных сперматозоидов (до 81%, в то время как у родительских особей этот показатель не превышал 9%): встречаются клетки с деформированным хвостиком, аномальной головкой или сочетанием этих дефектов. «По всей видимости, это является причиной снижения фертильности», – подчеркивает Татьяна Бикчурина.
У потомков второго поколения (F2) и при скрещивании с исходной формой наблюдались более выраженные отклонения. У некоторых из них были выявлены значительные нарушения в процессе формирования сперматозоидов: заметное уменьшение числа сперматид (клеток, завершающих сперматогенез. — Прим. ред.) и многочисленные дефекты строения сперматозоидов. Во втором поколении гибридов уменьшилось количество клеток, образующихся после мейоза, что указывает на возможные сбои в этом процессе, поскольку в сперматозоиды превращались лишь отдельные клетки. У половины беккроссов сперматогенез резко прекращался на стадии мейоза. Для более детального изучения происходящего, исследователи изучили хромосомные препараты и проанализировали основные этапы мейоза.
«На первом этапе мейоза хромосомы, происходящие от матери и отца, должны соединиться друг с другом по всей своей длине (процесс, называемый синапсисом), затем обменяться генетическим материалом (рекомбинация) и, наконец, разделиться (сегрегация). Проанализировав эти два первых этапа, мы обнаружили, что у гибридов нередко встречаются клетки, в которых участки хромосом не склеиваются – по неизвестным причинам они не формируют синаптические соединения в нужный момент. В ответ на это клетка помечает дефектные участки. Если таких участков много, запускается апоптоз (запрограммированная гибель клеток); при небольшом количестве дефектов мейоз продолжается, но транскрипция в отмеченных зонах подавляется. Эта блокировка может сохраняться и после завершения мейоза, что приводит к нарушению развития последующих клеток или их неправильному развитию, проявляющемуся в аномальной структуре сперматозоидов», — объясняет Татьяна Бикчурина.
В результате проведенного исследования были прояснены ранние стадии перипатрического видообразования: географическая изолированность способна вызывать накопление несовместимостей, которые проявляются у гибридов. У ольхонской полевки зафиксированы генетические модификации, которые не препятствуют скрещиванию с тувинской полевкой, однако негативно влияют на процесс мейоза в последующих поколениях гибридов.
«Формирование видообразования представляет собой постепенно развивающийся процесс. В настоящее время, у ольхонской и тувинской полевок, наблюдаются признаки изоляции на уровне мейоза и гаметогенеза (процесса образования половых клеток), однако эти виды все еще способны к скрещиванию и обмену генетической информацией. Кроме того, наше исследование было сосредоточено исключительно на самцах-гибридах; у самок, вероятно, не возникает подобных затруднений. На последующей стадии изоляции, в процессе межвидовой гибридизации, может происходить гибель эмбрионов. В случае ольхонской и тувинской полевок этого не наблюдается, но при скрещивании ольхонской и хангайской полевок, которое мы проводим в рамках отдельного исследования, эмбрионы погибают, что свидетельствует о большей степени отдаленности хангайской полевки от ольхонской и тувинской.
В настоящее время ольхонская полевка классифицируется как самостоятельный вид и включена в Красную книгу Иркутской области. Ученые констатируют, что в последние годы популяция этого животного сталкивается со значительными трудностями.
«Наша лаборатория на протяжении длительного времени исследует ольхонскую полевку, ее экологию и динамику численности. Мы наблюдаем, что она, по всей видимости, исчезает. Если еще три-четыре десятилетия назад на малых островах озера Байкал этих грызунов было в изобилии, то сейчас их там не удается обнаружить: в прошлом году за две недели исследований в знакомом месте, где мы неоднократно работали, удалось поймать всего двух самцов. Для зоологических исследований это крайне незначительное количество, особенно если учитывать, какими они были раньше. Это можно объяснить комплексом различных факторов. Прежде всего, мышевидные грызуны характеризуются выраженными колебаниями численности: наблюдаются периоды резкого увеличения, сменяющиеся необходимой депрессией, и так происходит постоянно. По всей видимости, ольхонская полевка в настоящее время переживает период сокращения численности. Немаловажную роль играет и то, что Байкал, Ольхон и малые острова активно посещаются туристами, которые нарушают среду обитания ольхонских полевок: прокладывают тропы, маршруты, возводят каменные пирамиды, разрушают норы, привозят собак, подкармливают лисиц. Также значимым фактором является изменение климата», — отмечает Игорь Моролдоев.
Уже несколько лет в ИСиЭЖ СО РАН осуществляется проект по восстановлению численности, реинтродукции ольхонской полевки . Особей этих животных разводят в условиях неволи и выпускают на острова, расположенные в Байкале, поскольку они ранее обитали там, но впоследствии там вымерли.
Автор: Диана Хомякова
Материалы и фотографии предоставлены Управлением по популяризации и пропаганде научных достижений СО РАН