Экология, 2023, № 3, стр. 188-203

Филогенетические отношения гаплотипов и возможные исторические связи Крыма с другими регионами Причерноморья

Выявленные в исследованных популяциях робуроидных дубов гаплотипы хпДНК относятся к нескольким дивергентным филогенетическим кладам (см. рис. 3). Наиболее вероятно, что дифференциация на глубоко дивергированные линии хлоропластной ДНK возникла в начале эволюции представителей секции Quercus в Евразии после их проникновения в Евразию из Америки в среднем и позднем миоцене [16]. Время расхождения основных линий хпДНК совпадает со временем дифференциации на европейскую и восточно-азиатскую группы робуроидных дубов и соответствует концу миоцена [44]. Таким образом, древность линий наиболее дивергентных гаплотипов исключает наличие связи между их филогенетическими отношениями и взаимным географическим распространением, поскольку происходившие плиоценовые и плейстоценовые вымирания [16] и неоднократные колонизации во многом изменили первичную филогеографическую структуру. Примером может служить смешение гаплотипов разных линий в Малой Азии, на Кавказе и Балканах [5, 30, 45].

В то же время географическое распределение гаплотипов в исследованных регионах демонстрирует три почти не перемешивающиеся области, резко отличающиеся составом гаплотипов: 1) Балканский регион; 2) Западная часть Крыма; 3) Восток Крыма и Западный Кавказ. Гаплотипы Балканского региона близкородственны гаплотипам изученных ранее популяций из Восточной Европы и западной части Русской равнины [10, 45] и соответствуют линии хпДНК, связанной своим распространением c балканским рефугиумом [8, 9]. По результатам настоящего исследования и нашим предыдущим данным [30], а также из проведенного сравнительного анализа данных из Грузии и Турции [4, 5], на Кавказе, в Крыму и Малой Азии гаплотипы этой линии отсутствуют.

Гаплотипы Крыма и Западного Кавказа относятся к трем дивергентным филогенетическим линиям (см. рис. 3). Два неродственных между собой гаплотипа T и K распространены в западной и центральной частях Горного Крыма, их нет в восточной части Горного Крыма, на Кавказе и Балканах, но родственные им гаплотипы совместно присутствуют в Малой Азии. Так, на западе Турции широко распространен гаплотип H5 [5], совпадающий с пластомом Hap18, который отличается одной мутацией от гаплотипа T в Крыму. По тем же данным [5], в Турции и на юго-востоке Балканского п-ва распространены три гаплотипа, близкородственные гаплотипу K. Очевидное родство гаплотипов отражает историческую связь и миграции между Малой Азией и Крымом. Причем намного больший размер популяций и большее гаплотипическое разнообразие Quercus в Малой Азии [5] по сравнению с Крымом позволяет предполагать, что миграции происходили из Малой Азии в Крым. В Крыму почти нет гаплотипов, родственных T и K, в то время как в Малой Азии родственных гаплотипов несколько. Отсутствие близкородственных гаплотипов в Крыму может быть связано как с недостатком времени для накопления мутаций, прошедшего с момента миграции, так и с малым эффективным размером популяции. В современных популяциях Болгарии и Румынии, по результатам настоящего исследования и работ других авторов [9, 45], преобладают гаплотипы балканской линии, следовательно, если миграция малоазиатских гаплотипов в Крым проходила через Балканы, то это могло происходить в другую эпоху, когда состав гаплотипов в этом регионе был иной.

Предполагаемые древние связи с последующей изоляцией популяций дуба в Крыму могли происходить со времен конца плиоцена–начала плейстоцена, с формированием современного глубоководного Черноморского бассейна [25] и началом изолированной эволюции крымской биоты [2]. В регрессивные фазы Черноморского бассейна, происходившие в плейстоцене (~2.6 млн л. н., 1–2 млн л. н., ~80 тыс. л. н., ~30 тыс. л. н., ~10 тыс. л. н.) [25], сопровождавшиеся опреснением и обычно совпадавшие с эпохами похолоданий, неоднократно обнажались значительные площади шельфа, и Крым становился частью материка, что делало возможным обмен биотой как с Балканами, так и Кавказом. Время таких миграций оценить затруднительно при недостатке палеоданных для большей части плейстоцена. В конце плейстоцена, с усилением тенденции на похолодание и повышение уровня моря [25], вероятность миграции по западному пути снижалась. В прибрежных районах Черного моря от Болгарии до Крыма во время последнего оледенения формировались степные сообщества [46], что исключало обмен лесными видами.

Относительно путей древних миграций также есть предположение, что расселение видов происходило не только через сухопутные мосты, но и обходными путями – по типу распространения прибрежных флор, а также посредством дальнего переноса (см. [2]). Данное предположение сходно с миграциями вдоль линии моря. Свидетельства о пересечении водных пространств с помощью птиц и посредством гидрохории у дубов предполагалось ранее в Балтийском бассейне [47, 48], где описаны пути колонизации вдоль морских побережий и через проливы. Предполагаемые расстояния составляли от 80 до 300 км, желуди не теряли всхожесть после нахождения в течение нескольких дней даже в соленой воде (см. [48] и ссылки в этой работе). Гипотеза распространения вдоль черноморского побережья Балканского полуострова очень вероятна и может объяснить сходство гаплотипов робуроидных дубов Крыма и Малой Азии. Наши данные пока не могут окончательно подтвердить эту гипотезу, которая должна быть протестирована сбором материала вдоль линии побережья, возможно, выявив скрытые следы миграций. В частности, проверки требует описанный ранее в дельте Дуная RFPL-гаплотип 9' [45], ассоциированный нами предположительно с гаплотипами групп E и Z [30], обнаруженными в Крыму и на Кавказе.

При исследовании филогеографии сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на территории Причерноморья (Крым, Кавказ, Турция, Балканы) было обнаружено совпадение крымского гаплотипа митохондриальной ДНК с гаплотипом из Малой Азии (Турции) и Малого Кавказа и отличие от гаплотипов Большого Кавказа, Балкан и северной части ареала сосны обыкновенной [29]. В качестве объяснения была предположена древняя миграция из Малой Азии в Крым через Кавказ, с последующим распространением на Северном Кавказе производного гаплотипа и вытеснением предкового [29]. Однако возможно и альтернативное объяснение – дальний перенос семян сосны из Малой Азии в Крым по морю во время его опреснения. Родство гаплотипов Турции и Крыма, выявленное для дуба и сосны обыкновенной, их отличие от сопредельных территорий Кавказа и Балкан, очевидно, не являются случайными и отражают прошлые конфигурации ареалов, прошлые миграции и связи лесной растительности этих регионов при последующей изоляции лесной растительности Крымского полуострова.

Существование рефугиумов Quercus в западной части Горного Крыма

Распространение гаплотипов К и T на большей части горно-лесной области Крыма предполагает сохранение популяций дуба в изолированных рефугиумах, располагавшихся во время плейстоцена в Горном Крыму. По имеющимся палеоданным, объединяющим несколько исследований (см. обзор [22]), пыльца Quercus отмечается в горно-лесном Крыму непрерывно, начиная с плиоцена. В периоды оледенений ареал широколиственных пород значительно сокращался. Быстрое появление пыльцы дуба в областях предгорий в межстадиалы, особенно в западной части полуострова, свидетельствует о наличии рефугиумов в непосредственной близости, предположительно на теплых склонах южной экспозиции долин, пересекающих достаточно увлажненный северный макросклон Главной гряды Крымских гор [22]. По обзорным палеоматериалам, начиная с 120 тыс. л. н. [20, 22], если на востоке полуострова лесостепь неоднократно сменялась степью, то на западе такая смена происходила только в последние валдайские стадиалы. В более влажные периоды широколиственная растительность в Западном Крыму восстанавливалась значительно быстрее. Именно на юго-западе Горного Крыма наблюдается зона “микрорефугиумов” мезофильного вида ящериц Lacerta agilis tauridica, выявленная обособлением отдельных митохондриальных линий [6].

Несмотря на богатый палеозоологический материал, долгое время отмечалось отсутствие датированных растительных палеоданных из горных районов Крыма в периоды стадиалов [22], однако в последних исследованиях [21] появились свидетельства присутствия пыльцы дуба (в том числе Q. robur) на склонах высокой части Главной гряды в конце LGM. При наличии несомненных свидетельств непрерывного присутствия дуба на полуострове в плейстоцене сниженное гаплотипическое разнообразие и почти полное отсутствие гаплотипов, близкородственных K и T, подтверждают значительные сокращения размеров популяций. Можно предположить, что в неблагоприятные эпохи ареал дуба с “западнокрымскими” гаплотипами T и K был сильно фрагментирован и ограничен небольшими рефугиумами, располагавшимися в западной и центральной частях современной горно-лесной зоны. Один из рефугиумов угадывается в предгорной части северного макросклона (р. Марта), где совпадение состава гаплотипов выборок разных видов свидетельствует о длительном совместном произрастании Q. robur и Q. petraea в районе обширных дубовых лесов на северном макросклоне наиболее высокой части Крымских гор. Отмечается [7], что распространение центральной линии ящериц Darevskia lindholmi также приурочено к самой высокой и влажной части Главной гряды, а также к самой влажной лесистой части Южного берега Крыма. Согласно ботанико-географическому и флористическому районированию, эти территории относятся к Бахчисарайско-Ялтинскому району [1] и Ялтинскому флористическому округу [2], которые характеризуются наибольшими высотами в Крыму, вследствие чего здесь наблюдается наибольшая дифференциация климата и других факторов.

Особенности популяций дуба Восточного Крыма и их связь с Западным Кавказом

Распространение в лесах восточной части Крыма исключительно кавказских гаплотипов Z-I, E-I и E-III доказывает кавказское происхождение дуба на востоке полуострова, что в свою очередь предполагает отсутствие здесь рефугиумов – источников послеледниковой реколонизации. Исходя из обзора палеоданных [22], разница в растительности между западными и восточными областями на протяжении всего плейстоцена была существенной: восточные районы Крыма были более засушливыми, чем центральные и западные, и лесная растительность там исчезала неоднократно, сменяясь сухой степью. Значительное уменьшение атмосферного увлажнения в восточном направлении также проявляется в современном распределении температуры и осадков [1]. Для сравнительно низких гор восточной части Восточного Крыма, с менее выраженной поясностью и отсутствием четкого разделения на макросклоны, снижается возможность формирования микрорефугиумов.

Достаточно резкая граница между областями распространения хлоропластных гаплотипов дуба в Крыму может свидетельствовать об относительно недавнем времени формирования зоны вторичного контакта между местными и кавказскими популяциями дуба. Единственная выборка (№ 33) со смешанными гаплотипами обнаружена в очень локальном районе, к востоку от р. Кучук-Карасу. К западу и востоку от указанного района у всех видов дуба найдены “западные” (T и K) или “восточные” (Z-I, группа E) гаплотипы соответственно. Ни одного из “восточных” гаплотипов (за исключением одной особи с E-II) не было найдено к западу от выборок Ворон, Земляничное и Морское. В районе зоны контакта отсутствуют географические барьеры – сравнительно невысокие горные хребты и перевалы не могли стать препятствием на пути расселения или обмена. Наблюдаемая структура может быть результатом “конкурентной” колонизации при миграции из разных источников. Расселение из западно-крымского рефугиума популяций с “западными” гаплотипами K и T достигло основных рек на востоке, берущих начало с Главной гряды Крымских гор (реки Биюк-Карасу и Индол). Вполне вероятно, что дальнейшая колонизация на восток автохтонных популяций из западно-центральных районов Горного Крыма была остановлена встречным потоком, несущим “восточные” гаплотипы. Распределение двух групп гаплотипов маркирует зону встречи. Узость этой зоны может свидетельствовать об относительно недавней колонизации, по-видимому после LGM. Очевидно, что источником волны колонизации, несущей гаплотипы Z-I, E-I и E-II, мог быть только Кавказ, где они распространены на более обширной территории, чем в Крыму, и имеют там филогенетически родственные гаплотипы [30]. Менее вероятна локализация рефугиума в невысоких горах Восточного Крыма, так как граница между группами гаплотипов при наличии нескольких рефугиумов была бы менее четкой.

Формирование и долговременная устойчивость контактных зон матерински наследуемых гаплотипов ранее обсуждались для видов Quercus в Скандинавии [47], для северо-восточной части ареала Q. robur [10] и у пихты белой Abies alba в Карпатах [49]. Описанная в данных работах резкая граница в зоне контакта свидетельствует о встрече фронтов колонизации, когда выживание вновь прибывших семян очень маловероятно в уже существующих популяциях. Нераспространение далее матерински наследуемых гаплотипов свидетельствует о наличии местного пула желудей, который эффективно подавляет любой поток цитоплазматических генов на уже занятую дубом территорию [47]. Это приводит к сохранению устойчивых зон “цитоплазматической демаркации” в местах начального контакта двух разнонаправленно распространяющихся популяций из рефугиумов, что неоднократно имело место в истории европейских дубов.

Зона встречи гаплотипов разного происхождения у видов Quercus в Крыму совпадает с западной границей распространения митохондриальных гаплотипов кавказского происхождения у прыткой ящерицы, проникших в Крым в ходе голоценовой экспансии восточного подвида Lacerta a. exigua и формировании гибридных популяций с аборигенным горно-крымским подвидом L. a. tauridica. Распространение в Крым мезофильной западно-кавказской биоты, возможно, произошло на рубеже плейстоцена и голоцена, когда Азовского моря не существовало, либо в теплые и влажные периоды начала голоцена, отмечаемые как в Крыму [21, 22], так и на прилегающей к Крыму территории Прикубанья и Таманского полуострова [50].

Согласно геоботаническому районированию Горного Крыма, область “восточных” гаплотипов дуба совпадает с границей Судакско-Феодосийского р-на, который включает территорию к востоку от р. Кучук-Карасу [1] и соответствует восточно-горно-крымскому флористическому району [2]. Эта наиболее восточная в Горном Крыму территория характеризуется более холодным и сухим полуконтинентальным климатом, со снижением роли средиземноморских видов при возрастании роли степной биоты. Флористические особенности района заключаются в наличии целого ряда дифференцирующих видов [1]. По данным изменчивости хпДНК дуба, именно в этом районе проявляется связь лесной биоты Крыма с Кавказом. Исследования структуры генетической изменчивости и филогеографии других видов деревьев (тис, бук) в Причерноморье, включая Крым, демонстрируют смешение в Крыму генетических линий разного географического происхождения [27, 28], однако в настоящей работе впервые показана дифференциация популяций древесных видов в пределах Крыма, обусловленная его колонизацией из разных источников. Для подтверждения гипотезы о роли лесной биоты Западного Кавказа в колонизации восточной части лесной зоны Крыма необходимы дальнейшие исследования с привлечением других древесных видов.

Сравнение структуры изменчивости хпДНК видов Quercus в Крыму

Установлено значительное совпадение по составу гаплотипов популяций трех видов Quercus в Крыму. Полиморфизм хпДНК дубов в Крыму слабо связан с таксономический принадлежностью и в основном структурирован географически: у всех трех видов совпадают наиболее частые гаплотипы, для всех из них наблюдаются различия западных и восточных популяций. Однако соотношение гаплотипов у Q. robur отличается от состава гаплотипов в популяциях Q. petraea и Q. pubescens. Основное различие заключается в частоте встречаемости гаплотипа T (см. рис. 1б, 1в), присутствие которого у сидячецветных дубов наблюдалось только в выборке р. Марта (№ 20), где Q. petraea образует смешанную популяцию с Q. robur. Интересно, что в других смешанных популяциях, где у дуба черешчатого присутствует гаплотип T, у видов Q. petraea/Q. pubescens он не встретился ни разу. Поэтому можно заключить, что, во-первых, первоначально гаплотип T в Крыму появился у Q. robur и, во-вторых, гибридизация Q. robur с другими дубами – достаточно редкое явление. Выраженное различие в соотношении гаплотипов на крайнем юго-западе, в популяциях Байдарской долины (см. рис. 1б, 1в), может свидетельствовать о недавнем проникновении современных популяций дуба в долину Западного Крыма из горных рефугиумов. При ограниченном текущем потоке в популяциях [18] обмен материнских генов происходит достаточно продолжительное время, что объясняет неравенство в соотношении гаплотипов.

Для видов Q. petraea и Q. pubescens не обнаружено различий в соотношении гаплотипов. Ожидаемо, что у этих наиболее распространенных в Крыму видов выявлено несколько большее число гаплотипов. Редкие гаплотипы кавказского происхождения (E-I, E-II, E-III) найдены здесь как у Q. petraea, так и у Q. pubescens как примесь к гаплотипам Z-I, но не встречены в крымских популяциях Q. robur. Однако они широко распространены у дубов, в том числе у Q. robur, на Кавказе [30]. Возможной причиной является отсутствие Q. robur на южном макросклоне, где в основном был найден гаплотип E. Характерно, что гаплотипы группы E обнаружены в основном в восточных районах Крыма, однако отсутствуют в наиболее близких к Крыму популяциях Кавказа (см. рис. 1а). Гаплотипы группы E на Кавказе начинают встречаться и преобладать в более удаленных от Крыма областях как вдоль побережья, так и на северном макросклоне, а также в Закавказье, что было показано в предыдущей работе [30]. В связи с этим наиболее правдоподобным объяснением появления гаплотипов группы E в Крыму могут быть множественные миграции как по сухопутному мосту через Таманский п-ов, так и по морю со стороны кавказского побережья из районов распространения гаплотипа E. Последнее обстоятельство также объясняет отсутствие Q. robur среди крымских носителей гаплотипа E.

Близкий состав гаплотипов трех видов дуба в Крыму говорит о долговременном совместном существовании крымских популяций разных видов. Причиной наблюдаемого различия частот гаплотипов между Q. robur и другими видами может быть разный уровень исторического генного потока между этими близкородственными видами [5, 16, 18]. Во многих работах было показано [16, 18], что степень гибридизации у Q. robur с сидячецветными дубами ниже, чем между Q. petraea и Q. pubescens, что обусловлено более выраженным репродуктивным барьером. Несовпадение частот гаплотипов Q. robur с другими видами на территории Крыма в локальном масштабе подтверждает невысокую степень гибридизации и ограничение текущего генного потока между Q. robur и Q. petraea/Q. pubescens.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-24-00667, https:// rscf.ru/project/22-24-00667/. Авторы выражают благодарность Л.И. Агафонову, Н.В. Семерикову, Е.Г. Филиппову, В.В. Кукарских, Х.У. Алиеву, Т.В. Семериковой, М.А. Полежаевой, Е.С. Кашириной, В.В. Корженевскому за помощь в сборе образцов дуба и анонимному рецензенту за конструктивные замечания.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объектов людей и животных. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.