Генетика, 2019, T. 55, № 4, стр. 426-438

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Территория и населяющие ее расы. Распределение кариотипических вариантов S. araneus рассмотрено на участке между городами Ухта и Сыктывкар (Республика Коми) и далее на восток, до верховьев рек Илыч и Печора с притоком р. Унья. Северные и горные области на этом участке представлены северно-таежными, южнее – среднетаежными еловыми лесами с преобладающим участием сибирской ели (Picea abovata), пихты (Abies sibirica) и кедра (Pinus sibirica). Для территории характерны значительные по площади сосняки на бедных песчаных почвах и обширные заболоченные участки [22]. Средняя ширина р. Печоры, измеренная троекратно на соответствующем отрезке по космическим фотографиям Google Earth, составляет около 90 м от впадения р. Уньи до пос. Якша, около 150 м ниже до устья р. Илыч и около 300 м ниже до пос. Вуктыл.

В рассматриваемом регионе известны шесть хромосомных рас. На севере распространена раса Печора, которая формирует зону гибридизации с расой Сок в районе г. Ухта [21]. Раса Серов пересекает Уральские горы с востока, спускается по западному макросклону и выходит на равнину к р. Печора [23]. Раса Сок обитает в районе среднего и южного Тимана [24], однако ее присутствие к югу от р. Вычегда до Кировской области пока не подтверждено кариотипированием [21]. Далее на юг раса Сок известна в Заволжье, где доходит до лесных островов в саратовской степи [25]. На западе региона распространена раса Мантурово, которая занимает обширный ареал и формирует зоны контакта и гибридизации с расой Сок на р. Вычегда, а с расой Печора на р. Мезень [26]. Ареалы рас Канин и Кириллов отделены от рас Сок и Серов ареалом расы Печора (рис. 1).

Для расчета клины диагностических хромосом использованы данные распределения кариотипических вариантов на участке от окрестностей г. Ухты до устья левого притока Печоры – р. Волосница. Выборки взяты и вдоль трассы Ухта– Троицко-Печорск, далее вдоль дороги на пос. Якша, по местным проезжим дорогам и вдоль р. Печора по доступным притокам. Локализация мест выборки определялась только их доступностью.

Стандартную ширину клины определяли при подгонке кривой tanh [27]:

где y – частота встречаемости диагностических хромосом в выборке, х – расстояние от начала трансекта (Волосница), В – координата центра, А – коэффициент максимального наклона кривой. Ширина клины получена как удвоенный обратный коэффициент A [28].

Выборки и кариотипирование. В анализе использованы опубликованные ранее (табл. 1, 2005–2010 гг.) и новые данные (табл. 2, 2011–2017 гг.) о распределении хромосомных рас на исследуемом участке. Всего проанализировано 146 кариотипированных особей из 59 локалитетов, из них данные по распределению 92 особей в 35 локалитетах приводятся впервые (табл. 2).

Зверьки были отловлены в специализированные ловушки-живоловки [29] по специально разработанной методике отлова землероек-бурозубок [30].

Кариотипы большинства особей были получены по стандартной методике с предварительным внутрибрюшинным колхицинированием (0.2 мл, 0.04%, 1–1.5 ч), гипотонией клеток костного мозга и селезенки раствором хлорида калия (0.56%, 25–30 мин) и последующей трехкратной метанол–уксусной (3 : 1) фиксацией.

Кариотипы зверьков из локалитетов 31–33 (табл. 2) были получены посредством фиксации суспензий хромосом из первичной культуры фибробластов по описанной ранее методике [13].

Идентификацию гомологичных хромосом проводили с помощью G-окраски после обработки раскапанных на предметные стекла суспензий хромосом раствором 0.25%-ного трипсина с последующей 2-минутной окраской в 2%-ном красителе Гимза. Расовая принадлежность особей установлена в соответствии с международной номенклатурой для стандартного кариотипа S. araneus [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Цитогенетический анализ бурозубок, отловленных в 2011–2017 гг. (табл. 2), выявил наличие трех кариотипических вариантов – “чистая” раса Сок с диагностическими метацентриками go, hn, ip, kq, mr (N = 12), “чистая” раса Серов go, hn, ip, km, gr (N = 69) и межрасовые гибриды F₁ (N = 11). Кариотипы этих рас различаются по двум парам хромосом с монобрахиальной гомологией (kq, mr-km, gr) и, как следовало ожидать, в кариотипе гибрида F₁ были выявлены три пары гомологичных хромосом и четыре непарных метацентрика – go, hn, ip, qr-kq-km-mr (рис. 2). Диплоидное число хромосом у “чистых” рас и гибридов было постоянным 2n = 20 у самок и 2n = 21 у самцов (за счет полового тривалента XY₁Y₂) и NFa = 18, за исключением трех особей, полиморфных по метацентрику j/l. Данная гетерозиготность была обнаружена в кариотипах обеих “чистых” рас и гибрида F₁, NFa = 19 (локалитеты 37, 48, 53). В мейозе у гибридов F₁ ожидается формирование мейотической фигуры в виде кольца из четырех элементов – RIV подобно гетерозиготам из других гибридных зон со схожим уровнем кариотипических различий между родительскими расами [4].

Совокупность всех данных (табл. 1 и 2) дает представление о локализации гибридной зоны Сок–Серов в исследуемом районе (рис. 3). Зона контакта образуется в междуречье Печоры и Вычегды. В районе пос. Комсомольск-на-Печоре ареал расы Сок доходит до р. Печора, которая далее разделяет зону. На левом берегу Печоры выявлены обе родительские расы и гибриды (локалитеты 4, 11–13, 37–51, 54), однако ниже пос. Троицко-Печорск обнаружены только кариотипы “чистой” расы Сок (локалитеты 5–7, 52, 53). Отметим, что еще ниже по течению на левом берегу Печоры был обнаружен кариотип гибрида F₁ между расами Серов и Печора (локалитет 1, табл. 1). На правом берегу Печоры выявлены только кариотипы расы Серов (локалитеты 25–31, 34–36) и два гибрида F₁ (локалитеты 29 и 31). На большом острове, отделенном от левого берега сравнительно неширокой протокой (локалитет 32, 33 “остров”), обнаружен один гибрид F₁ и раса Серов (табл. 2, рис. 3).

Таким образом, общая картина зоны контакта Сок–Серов выглядит довольно сложной. В междуречье Печоры и Вычегды встреча этих рас возможна лишь в направлении, перпендикулярном реке, а от места встречи (Комсомольск-на-Печоре) их ареалы следуют вдоль разных берегов (рис. 3). Очевидно, что река вносит существенный вклад в распределение особей родительских рас, однако имеющиеся выборки не позволяют корректно оценить ширину гибридной зоны в зависимости от ее ориентации относительно речного русла. В связи с этим расчет ширины зоны был проведен только на трансекте вдоль реки.

Для построения клины были использованы только данные, полученные на левом берегу Печоры. Трансект общей длиной 180 км проложен вдоль левого берега реки с основанием в локалитете 13 и до локалитета 52 (рис. 3). Такая протяженность позволяет захватить крайние южные и северные участки, где надежно были обнаружены только кариотипы “чистых” родительских рас. Для расчета частот кариотипических вариантов общее расстояние было разделено на “подзоны” по 10 км, перпендикулярные курсу трансекта, с целью объединения локалитетов в одну “точку” и избегания малого числа особей (учитывалось не менее 4 особей). При отсутствии кариотипированных особей “подзону” исключали из расчета и, таким образом, анализ был проведен по 12 “точкам” (табл. 3, рис. 4).

Кривая ожидаемого распределения лучше всего совпадает с фактическим распределением частот встречаемости диагностических хромосом для положения центра на расстоянии около 70 км от опорной точки (локалитет 13) к северу от пос. Комсомольск-на-Печоре и коэффициента A = 0.05. Соответственно, стандартная ширина клины составила 40 км (рис. 4). Фактическое число гибридов в центре зоны (см. табл. 3) не отличалось от ожидаемого для свободного скрещивания 50% (с поправкой Йетса χ² = 0.24, p > 0.6).

ОБСУЖДЕНИЕ

В отличие от большинства изученных гибридных зон, зона Сок–Серов расположена на территории, которая подверглась минимальной антропогенной трансформации, что позволяет изучать процессы, не осложненные антропогенным изменением ландшафта. Заметим, что у обыкновенной бурозубки и популяционная структура в зоне гибридизации, и сама локализация гибридной зоны часто определяются изменениями ландшафта вследствие хозяйственной деятельности [18, 38]. Однако такое положение гибридной зоны имеет существенный минус. Труднодоступность большей части равнинной территории требует специальных исследований и в настоящее время у нас нет таких возможностей. Вместе с тем, даже предварительное обследование этой гибридной зоны в районе верхней Печоры выявило ряд вопросов, решение которых может оказаться значимым для понимания ранних этапов дивергенции вида.

Гибридная зона Сок–Серов имеет сложную конфигурацию. На бóльшей части территории расы встречаются в однотипном ландшафте средней тайги, и их ареалы не разделены существенными физическими преградами. Граница между расами Сок и Серов доходит до р. Печора и далее продолжается вдоль ее русла. По-видимому, реку пересекают только особи расы Серов, поскольку чистая раса Сок не отмечена на правом берегу реки. Заметим, что реки такого размера не являются непреодолимой преградой для бурозубок. В специальном исследовании при отлове зверьков на заякоренных на воде плотиках в верховьях р. Илыч (Печоро-Илычский заповедник, Республика Коми) было показано, что землеройки, в том числе обыкновенные бурозубки, довольно часто попадаются в ловушки на плотиках, т.е. плавают через реку [31]. Косвенным свидетельством интенсивности процесса миграции через реку является довольно высокая частота обнаружения этого вида в желудках европейского хариуса [32]. Наконец, появление гибридов F₁ Сок–Серов на правом берегу Печоры возможно лишь при непосредственном пересечении ими реки, поскольку локалитеты, где встречены обе родительские расы, известны лишь с левого берега.

Можно предположить, что дистанция расселения гибридов больше, чем особей родительских рас. Так, в гибридной зоне между расами Кириллов и Печора, которая расположена на правом берегу р. Мезень (дер. Кысса Архангельской обл.), “чистая” раса Печора также не была обнаружена на левом берегу. Лишь один гибрид “пересек” реку и еще одна гибридная особь была поймана на речном острове [13]. Выше по течению Мезени, в районе д. Вожгора, гибрид Кириллов–Печора был пойман на правом берегу, где отсутствовали “чистые” особи расы Кириллов [21].

Аналогичная ситуация наблюдается и в гибридной зоне между расами Нерусса и Пенза, где гибриды отмечены лишь на одном берегу р. Аза в отсутствие одной из рас [33]. В гибридной зоне Москва–Селигер гибриды также встречены на краях зоны, там, где не были обнаружены особи обеих родительских рас [11]. В связи с этим уместно вспомнить, что, изучая заселение островков на озере в Финляндии, Хански и коллеги с помощью индексов асимметрии показали, что вселяющиеся на них обыкновенные бурозубки представлены социальными субординантами [34]. С учетом того, что на правом берегу Печоры, противоположном ареалу расы Сок, и на острове хромосомы этой расы встречены только у гибридных особей, можно предполагать, что и в этом случае лишь гибриды Сок–Серов пересекают реку и, следовательно, с большей вероятностью являются социальными субординантами. Разумеется, материал, которым мы располагаем, недостаточен даже для предварительной оценки подобного явления. Однако нам представляется важным обратить внимание на этот факт, так как социальная субординантность гибридов может являться одним из существенных факторов формирования гибридной зоны.

В этом случае поддержание парапатрии между контактирующими формами может быть обеспечено за счет перераспределения в пространстве особей с разными стратегиями расселения. Ранее нами было показано, что такая модель достаточна для объяснения стабилизации гибридной зоны Москва–Селигер, причем не требуется включать в нее отбор против гибридов [35]. Заметим, что этот же принцип мог бы объяснить подразделение обыкновенных бурозубок, как морфологическое [36, 37], так и генетическое [38, 39], на хорошо различимые локальные популяции внутри рас.

Расы Сок и Серов различаются двумя парами метацентриков с монобрахиальной гомологией, и в мейозе у гибридов ожидается формирование фигуры в виде кольца из четырех элементов (RIV). Известно несколько подобных гибридных зон и их стандартная ширина составляет от 1 до 14 км. Из них узкие зоны обнаружены между расами Кириллов и Печора – 1 км [21] и шведскими Uppsala и Hällefors – 3 км [19], которые разделены реками. В случае польских рас Drnholec и GuzowyMłyn [18] и Drnholec и Łęgucki Młyn [40, 41] ширина составляет 13 и 10–14 км соответственно. К сожалению, у нас не хватает данных для построения нескольких разнонаправленных клин. Вместе с тем следует обратить внимание на то, что стандартная ширина гибридной зоны Сок–Серов, полученная в нашем исследовании (40 км), явно больше, чем можно было бы ожидать для такого уровня различий кариотипов. Мы можем предложить несколько объяснений такого результата.

Во-первых, увеличение протяженности зоны гибридизации рас может происходить благодаря “растеканию” расселяющихся зверьков вдоль реки. В этом случае в излучинах могут образовываться “карманы”, в которых накапливаются особи родительских рас. Это объяснение отличается от “классического” карманного эффекта, обнаруженного у рас Łęgucki Młyn и Popielno, где последняя оказывается ограниченной с трех сторон и накапливается в излучине реки [20]. Однако если граница не перпендикулярна речному руслу, такой эффект вполне допустим.

Вместе с тем обратим внимание на то, что, гибриды Сок–Серов обнаружены не только в непосредственной близости от реки, но и в двух локалитетах на удалении 8 и 12 км от русла Печоры, и именно они оказывают влияние на ширину клины. На этом расстоянии влияние реки, а соответственно и “карманный эффект”, не должно было бы сказываться. На протяженность зоны вдоль трансекта может сказываться приток особей расы Серов, мигрирующих через реку или проходящих вдоль левого берега. Эта раса, по-видимому, заселяет правый берег Печоры как минимум до переправы на Вуктыл (локалитет 1), где на левом берегу обнаружен гибрид Серов–Печора [21]. Однако и в этом случае продвижение расы по берегу не объясняет наличия гибридов на удалении 8 и 12 км от реки.

Во-вторых, можно допустить, что ширина гибридной зоны определяется не только различиями в кариотипах, но и временем существования зоны. В процессе контакта обе формы, подверженные отбору против гибридов, приобретают дополнительные механизмы, препятствующие свободному скрещиванию. Такие механизмы возникают как усиление изоляции (reinforcement) при продолжительном ограничении потока генов. Именно приобретение дополнительных механизмов изоляции ответственно за формирование бимодальных зон (с преобладанием родительских форм) и именно на этом основании бимодальность гибридных зон свидетельствует, что формы “встали на путь видообразования” [12].

Можно предположить, что скрещивание недавно разделившихся рас не осложнено дополнительными механизмами изоляции. В случае гибридизации рас Сок и Серов мы пока не обнаруживаем дефицита гибридов, характерного для большинства известных гибридных зон у этого вида. Есть ли у нас основания считать, что гибридная зона Сок–Серов – одна из наиболее молодых гибридных зон?

Прежде всего об этом свидетельствует родственность кариотипов. Кариотип каждой из рас может произойти один из другого в результате одной транслокации WART. Такой вариант был первоначально предложен для эволюции группы финских рас [42]. Кариотип расы Серов был также предсказан на основе общей логики возможных трансформаций кариотипов хромосомных рас в результате WART [43] и впоследствии действительно обнаружен в природе [44]. Позже было показано, что в результате ряда последовательных изменений типа WART хромосомные расы, обитающие в Сибири, могут быть связаны со Скандинавскими расами [44]. Рассматривая распределение хромосомных рас по территории России, мы выделили четыре “кариотипические цепочки”, в которых кариотип одной расы может быть трансформирован из другой в результате одной мутации WART, причем, как и у других авторов [44, 45], расы Сок и Серов являются последовательными звеньями одной цепочки [8]. Анализ распределения и расселения рас S. araneus по территории в послеледниковый период (или в постледниковое время) позволяет говорить о недавнем (менее 8 тыс. лет назад) разделении этих рас. Причем, как считают многие авторы, расообразование – продолжающийся процесс [4, 7, 45–49] и судя по положению рас Сок и Серов в “цепочке” – это одно из наиболее молодых событий [8].

Помимо прочего, представляет интерес и тот факт, что распространение расы Сок на север ограничено сравнительно неширокой речной преградой, пространство за которой заполнено другой расой (Серов). Для сравнения заметим, что для того, чтобы заселить свой современный ареал, расе Кириллов нужно было пересечь р. Северная Двина в среднем течении, расе Мантурово – р. Вычегда в нижнем течении, а расе Сок – р. Кама [13]. Анализируя распространение хромосомных рас по современному ареалу, мы рассматривали случаи пересечения крупных рек и обнаружили, что если противоположный берег не занят иной расой, то водная преграда не имеет существенного значения в качестве препятствия для расселения особей другой расы [8]. Рассмотренная в настоящей публикации гибридная зона – один из таких примеров.

Авторы признательны к. б. н. В.М. Анискину (ИППЭ РАН) и д. б. н. А.В. Буракову (МГУ) за помощь в сборе полевого материала.

Работа частично была поддержана грантами РФФИ 15-04-04759 (С.П.) и 15-04-02531 (А.К.), а также Программой Президиума РАН “Биоразнообразие и биологические ресурсы России” (Программа 41) (С.П.).