1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Генетика
  4. T. 59, № 2, 2023

Генетика, 2023, T. 59, № 2, стр. 170-175

Особенности эволюции митохондриальной ДНК байкальских эндемичных губок. I. Митохондриальный геном Swartschewskia khanaevi

О. О. Майкова 1, *, Д. Ю. Щербаков 1

1 Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук
664033 Иркутск, Россия

* E-mail: idboo8@mail.ru

Поступила в редакцию 25.02.2022
После доработки 12.08.2022
Принята к публикации 18.08.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Определена нуклеотидная последовательность митохондриального генома нового вида губки из байкальского эндемичного семейства Lubomirskiidae – Swartschewskia khanaevi, длина которого составила 26 638 пн. Филогенетический анализ на основе 14 белок-кодирующих митохондриальных генов подтвердил принадлежность описанного недавно нового вида S. khanaevi к роду Swartschewskia. Выявлено увеличение скорости накопления нуклеотидных замен в белок-кодирующих генах у видов рода Swartschewskia относительно других видов семейства Lubomirskiidae. Показано, что для всех исследованных митохондриальных геномов Lubomirskiidae характерно наличие большого количества и разнообразия инвертированных повторов в межгенных районах, что отличает их от других представителей класса Demospongiae.

Ключевые слова: митохондриальный геном, скорость эволюции, межгенные районы, молекулярная филогения, Swartschewskia khanaevi.

Тип Porifera насчитывает более чем 8000 видов губок, из которых только 238 видов являются пресноводными и относятся к классу Demospongiae, отряду Spongillida [1]. За последние 50 лет было описано около 50 новых для науки видов пресноводных губок, из которых 15 – из Палеарктического региона [1, 2]. Одним из центров видового разнообразия пресноводных губок в Палеарктике является озеро Байкал. В Байкале губки представлены двумя семействами – космополитным Spongillidae и эндемичным Lubomirskiidae. В настоящее время Lubomirskiidae насчитывают 14 видов (4 рода) [2], включая недавно описанный новый вид [3]. Дивергенция общего предка Lubomirskiidae и предка космополитного вида Ephydatia muelleri [4, 5] произошла около 10 млн лет назад, в то время как современные литоральные виды образовались совсем недавно – около 0.15–1.5 млн лет назад [5]. Особенностью байкальских эндемичных губок является большой размах морфологического разнообразия на фоне малых межвидовых генетических расстояний [4, 5]. Исключением является род Swartschewskia, представители которого образуют генетически хорошо обособленную кладу и имеют характерную морфологию, однозначно отличающую их от представителей других родов семейства Lubomirskiidae [3].

Перечисленные выше эволюционные особенности байкальских эндемичных губок делают их интересным, но в то же время и сложным объектом для исследования процессов видообразования. До сих пор филогенетические взаимоотношения внутри семейства Lubomirskiidae окончательно не разрешены. Ранее были проведены молекулярно-генетические исследования филогении Lubomirskiidae на основе нуклеотидных последовательностей генов рРНК, ITS, интрона гена тубулина и участка митохондриального гена cox1. С помощью анализа участка гена cox1 [6, 7], гена 18S рРНК [8] и ITS-районов рДНК [4] было показано, что все эндемичные байкальские губки объединяются в одно монофилетичное семейство Lubomirskiidae. Последовательности генов cox1 и 18S рРНК губок не позволили разделить виды родов Baikalospongia и Lubomirskia, при этом наибольшие генетические расстояния обнаружены между видом Swartschewskia papyracea [6, 7] и другими Lubomirskiidae. Филогенетический анализ на основе последовательности интрона гена тубулина подтвердил монофилетичность Lubomirskiidae вместе с космополитным видом Spongilla lacustris, и было высказано предположение о дивергенции S. papyracea и общего предка раньше всех из ныне живущих проанализированных байкальских губок [6, 8].

Таким образом, ни один из использованных ранее генетических маркеров не обладает достаточной вариабельностью для разрешения филогенетических отношений внутри семейства Lubomirskiidae. С целью проведения эволюционных и филогенетических исследований байкальских губок ранее были определены нуклеотидные последовательности митохондриальных геномов шесть видов Lubomirskiidae [5, 9]. Обнаружено, что скорость эволюции мтДНК байкальских губок в 20–60 раз ниже, чем у млекопитающих и сопоставима с таковой у растений и кораллов [10]. Нуклеотидные последовательности всех белок-кодирующих митохондриальных генов не обладают достаточным набором замен, позволяющим разделить виды внутри родов, как это видно на примере рода Baikalospongia [9]. При этом особый интерес с точки зрения понимания процессов видообразования вызывает вид S. papyracea, у которого наблюдается ускорение накопления нуклеотидных замен в белок-кодирующих генах мтДНК относительно других видов Lubomirskiidae практически в два раза [5]. Характерно ли такое ускорение только для этого вида, или это является особенностью рода Swartchewskia в целом, до недавнего времени мы не могли ответить на этот вопрос, пока не был найден и описан новый представитель этого рода – вид Swartschewskia khanaevi [3].

На фоне замедленной скорости эволюции митохондриальной ДНК байкальских губок обнаружена повышенная скорость вставок/делеций инвертированных повторов, обнаруженных в большом количестве в межгенных районах митохондриальных геномов Lubomirskiidae. Именно наличием множества инвертированных повторов в межгенных областях обусловлен самый большой размер митохондриального генома у байкальских губок среди всех остальных представителей Demospongia. На примере генома L. baikalensis была предложена классификация инвертированных повторов, определено число копий и место расположения каждого их них в геноме [10]. Но до сих пор не ясно, имеется ли какая-то закономерность в распределении этих повторов среди видов Lubomirskiidae, специфичен ли набор таких инвертированных повторов на уровне рода.

В рамках данного исследования была определена нуклеотидная последовательность митохондриального генома нового вида S. khanaevi. Проведен филогенетический анализ на основе последовательностей 14 белок-кодирующих генов, а также исследованы некоторые закономерности эволюции межгенных районов мтДНК байкальских губок.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Образец S. khanaevi был отобран на глубине 10 м в районе пролива Ольхонские ворота (52°59′25.00′′ N, 106°55′32.43′′ E) 9 сентября 2016 г. Этому образцу был присвоен номер BS1741-1 в коллекции байкальских губок лаборатории Аналитической биоорганической химии Лимнологического института СО РАН (Иркутск, Россия). Видовая идентификация была проведена с помощью морфологического анализа спикул и скелета, используя световой электронный микроскоп Olympus CX22. Препараты спикул и скелета были приготовлены, как это описано ранее [11]. Суммарная ДНК была выделена из ткани губки путем экстракции с помощью фенол-хлороформным методом с использованием лизирующего СТАВ-буфера [12]. Митохондриальный геном амплифицирован и секвенирован по ранее опубликованной методике [5]. Фрагменты мтДНК были собраны при помощи программы MAFFTv 6.882 [13].

Для филогенетического анализа, проведенного с помощью программы MrBayes v. 3.2.1 [14], были использованы нуклеотидные последовательности 14 белок-кодирующих генов мтДНК, для которых с целью определения наиболее подходящей модели нуклеотидных замен был использован параметр “mixed”. Марковские цепи (МСМС) были запущены дважды (параметр по умолчанию) по 20 000 000 генераций. Для подсчета относительных скоростей эволюции белок-кодирующих последовательностей были использованы дополнительные параметры: “constraint ingroup = 2-.; prset topologypr = constraints(ingroup); prset brlenspr = clock:uniform; prset clockvarpr = igr”. С помощью параметров “constraint ingroup = 2-.; p-rset topologypr = constraints(ingroup)” мы задали вид E. muelleri в качестве внешней группы по отношению к Lubomirskiidae. Параметры “prset brlenspr = clock:uniform; prset clockvarpr = igr” использовались для определения расслабленной модели часов, где модель нуклеотидных замен GTR была определена как наиболее вероятная для анализируемого набора митохондриальных белок-кодирующих генов с помощью программы IQ-TREE v.1.6.12 [15]. При таком наборе параметров в MrBayes v. 3.2.1 формируется файл со сводной статистикой параметров ветвей и узлов, который выводится с помощью команды “sump”. Этот файл содержит информацию об относительных скоростях накопления нуклеотидных замен для каждой линии (таксоне).

Статистический анализ распределения длин ветвей, их сравнение и иллюстрирование были проведены с помощью программы BEAST, а также скриптов на языках R и Python, доступных на https://github.com/dysh/. Дополнительно для сравнения были добавлены последовательности митохондриальных белок-кодирующих генов морской губки Geodia neptuni (номер GenBank AY320032.1).

Для филогенетического анализа были использованы последовательности 14 белок-кодирующих генов ранее опубликованных митохондриальных геномов губок семейства Lubomirskiidae: Rezinkovia echinata (JQ302309), S. papyracea (JQ302308), B. intermedia (KU324767), B. intermedia profundalis (JQ302310), L. baicalensis (GU385217), B. bacillifera (KJ192328), и представителя космополитного семейства Spongillidae – E. muelleri (NC_010202) в качестве аутгруппы. Поиск инвертированных повторов проводили с помощью программы Palindrom (https://www.bioinformatics.nl/cgi-bin/emboss/palindrome) с параметрами поиска: минимальная длина последовательности инвертированного повтора – 6 пн, максимальная – 100 пн, максимальное расстояние между повторяющимися регионами – 10 пн.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Митохондриальный геном S. khanaevi депонирован в базу данныхNCBI (GenBank) под номером MT982118, его длина составила 26 638 пн. Геном содержит два гена рРНК (rnl, rns), 23 гена тРНК и 14 белок-кодирующих генов (atp6, atp8–9, cob, nad1–6, 4L, cox1–3). Все гены имеют одинаковое направление транскрипции, общий A+T состав равен 54.07% (48.86–72%). Порядок расположения генов по сравнению с другими митохондриальными геномами байкальских эндемичных губок неизменен [16]. Нуклеотидные последовательности короткого фрагмента внутри гена малой субъединицы рРНК, часть межгенного региона между генами nad4 и trnE, включая ген trnH, не были определены из-за возможного присутствия в этих местах инвертированных повторов, затрудняющих амплификацию. Предполагаемая общая длина этих последовательностей составила 719 пн на основании сравнения с последовательностью вида L. baikalensis.

На филогенетическом древе (рис. 1) S. khanaevi и S. papyracea образуют единую кладу, так же как и представители рода Baikalospongia (B. bacillifera, B. intermedia и B. intermedia profundalis). Большая длина ветвей в кладе Swartschewskia может быть вызвана либо ускоренной фиксацией замен у этих двух видов, либо наоборот – замедлением этой скорости у других видов Lubomirskiidae. Для того, чтобы выбрать одну из этих гипотез, мы сравнивали скорости молекулярной эволюции у байкальских видов со скоростью у E. muelleri относительно морской губки G. neptuni. Для этого сравнивали распределение длин филетических путей от OTU, входящих в группы, до общего предка этой группы и E. muelleri. Выборку производили из бутстрепных реплик второй половины поиска BEAST, то есть после достижения равновесия. В процессе поиска топология дерева была зафиксирована по образцу оптимальной полностью разрешенной топологии, полученной при филогенетическом анализе того же набора данных. Результаты этого анализа подтверждают гипотезу об ускорении эволюции у Swartschewskia и об отсутствии достоверных различий между E. muelleri и байкальскими губками кроме Swartschewskia (рис. 2).

Рис. 1.

Байесовское дерево, основанное на 14 белок-кодирующих генах мтДНК. Цифры возле узлов означают постериорные вероятности.

Рис. 2.

Распределение длин ветвей на основе 14 белок-кодирующих митохондриальных генов. Название видов губок: Bi – B. intermedia, Re – Rezinkovia echinata, Bip – B. intermedia profundalis, Em – Ephydatia muelleri, Bb – B. bacillifera, Lb – Lubomirskia baikalensis, Sk – S. khanaevi, Sp – S. papyracea. Виды байкальского эндемичного семейства Lubomirskiidae показаны черным цветом, вид космополитного семейства Spongillidae – серым.

С помощью байесовского анализа подтверждено достоверное ускорение фиксации нуклеотидных замен в белок-кодирующих генах у S. khanaevi (95% highest posterior density (HPD) interval >1 (2.105962), variance >1 (4.117008)) относительно других байкальских эндемичных губок и космополитного вида E. muelleri, что также характерно и для другого представителя этого же рода – S. papyracea [5]. Таким образом, повышенная скорость накопления нуклеотидных замен в белок-кодирующих митохондриальных генах является характерной особенностью рода Swartschewskia.

Ранее уже сообщалось о значительном ускорении эволюции митохондриальных последовательностей у филогенетически достаточно отдаленных видов, относящихся к разным отрядам класса Demospongiae [17], у байкальских же губок это наблюдается для филогенетически близкородственных видов внутри одного семейства. Ранее было показано, что ускорение накопления нуклеотидных замен приводит к большей скорости диверсификации видов [18]. Можно предположить, что хорошая морфологическая и генетическая обособленность видов рода Swartschewskia связана с увеличением скорости фиксации нуклеотидных замен в геноме. Обнаружение у представителей Lubomirskiidae различных стратегий молекулярной эволюции делает это семейство еще более интересным для исследования микроэволюционных процессов, что и будет более подробно изучено в следующей работе.

Протяженность межгенных районов у S. khanaevi составляет 8237 пн, или 31% от общей длины генома. Байкальские эндемичные губки обладают самым протяженным митохондриальным геномом среди других представителей класса Demospongiae, длина которого варьирует от 26 518 до 28 958 пн [9, 10], тогда как у большинства губок класса Demospongiae – от 16 000 до 25 000 пн [17, 19]. Такое отличие по длине генома у байкальских губок связано с удлинением некодирующих последовательностей, которые составляют от 28.6 до 33.6% от общего размера генома по сравнению с 2–24% у космополитических и морских губок [17]. Вариабельность межгенных районов мтДНК байкальских губок обусловлена в большей степени инвертированными повторами, скорость вставок и делеций которых в 4–4.5 раза превышает скорость накопления одиночных нуклеотидных замен [10, 20]. Вообще, распространение инвертированных повторов характерно для мтДНК губок класса Demospongiae, которые обнаружены в разных филогенетических линиях. Например, у S. domuncula обнаружено около 700 прямых повторов с преобладающей длиной в 12–15 пн, 100 инвертированных повторов (самый протяженный составляет 44 пн) и 10 палиндромов [21]. Тем не менее, мтДНК большинства представителей класса Demospongiae, у которых длина межгенных районов варьирует от 340 до 2134 пн, либо вообще не содержат инвертированные повторы, либо имеют короткие G+C-богатые шпильки. Предполагается, что внедрение и распространение инвертированных повторов среди губок происходило неравномерно – одни семейства губок более восприимчивы к их внедрению (Keratosa и Myxospongiae), другие менее (Hexactinellida и Homoscleromorpha). Вероятнее всего внедрение таких элементов происходило независимо и неоднократно в течение эволюции губок [10, 21, 22].

Ранее Д.В. Лавровым [10] были описаны и классифицированы инвертированные повторы в межгенных районах мтДНК Lubomirskia baikalensis. Мы провели поиск и анализ этих повторов в межгенных районах семи митохондриальных геномов байкальских эндемичных губок и обнаружили: у L. baikalensis – 197 инвертированных повторов, у R. echinata – 175, у B. bacillifera – 137, у B. intermedia – 157, у B. intermedia profundalis – 168, у S. papyracea – 141 и у S. khanaevi – 144. Чтобы исследовать закономерность наследования инвертированных повторов, мы провели их сравнительный анализ. Поскольку поиск инвертированных повторов велся по комплементарным нуклеотидным последовательностям в шпилечной структуре (ножке), то есть последовательность петель не учитывалась, то из поиска мы исключили те шпилечные структуры, которые по различающейся последовательности петель были описаны Д.В. Лавровым и отнесены к разным типам. Для сравнения состава шпилечных структур был выбран космополитный пресноводный вид Ephydatia muelleri, который является ближайшим сестринским видом по отношению к Lubomirskiidae. Результат сравнения представлен в табл. 1.

Таблица 1.  

Инвертированные повторы в мтДНК видов Lubomirskiidae согласно предложенной ранее их классификации [10]

Вид H1 H2 H3 H4 H6 H7 Общее количество инвертированных повторов
L. baikalensis 13 18 7 7 16 7 197
R. echinata 16 14 0 7 14 14 177
B. bacillifera 5 4 5 4 11 13 144
B. intermedia 5 5 5 0 13 17 163
B. intermedia profundalis 0 0 5 0 9 20 168
S. papyracea 1 0 0 0 16 18 145
S. khanaevi 1 2 1 0 15 18 143
E. muelleri (Spongillidae) 0 0 0 0 0 7 59

Из табл. 1 видно, что у всех байкальских губок в митохондриальном геноме обнаружены инвертированные повторы Н6 и Н7, остальные присутствовали не во всех геномах. Наименьшее разнообразие повторов найдено у глубоководного вида B. intermedia profundalis. Таким образом, мы видим, что митохондриальный геном губок семейства Lubomirskiidae обладает повышенной восприимчивостью к внедрению инвертированных повторов по сравнению с ближайшим предковым космополитным видом E. muelleri. Каких-то значимых отличий в количестве и распределении разных типов инвертированных повторов среди представителей Lubomirskiidae не выявлено. Наибольшее сходство по количеству каждого типа инвертированных повторов наблюдается у видов рода Swartschewskia.

Таким образом, определена нуклеотидная последовательность полного митохондриального генома описанного недавно нового вида байкальской эндемичной губки S. khanaevi. Филогенетический анализ на основе последовательностей белок-кодирующих митохондриальных генов подтвердил принадлежность этого вида к роду Swartschewskia. Вероятнее всего, хорошую морфологическую и генетическую обособленность этого рода внутри Lubomirskiidae можно объяснить в большей степени повышенной скоростью молекулярной эволюции, а не более ранней дивергенцией видов Swartschewskia от общего предка байкальских губок. Показано, что все проанализированные нами виды данного семейства содержат в межгенных областях мтДНК повышенные (по сравнению с космополитным ближайшим предком E. muelleri) количество и разнообразие инвертированных повторов.

Работа выполнена в рамках бюджетных тем ЛИН СО РАН: № 121032300196-8 “Генетика сообществ байкальских организмов: структура генофонда, стратегии консервации”, № 121032300224-8 “Исследование трансформаций состояния водоемов и водотоков Восточной Сибири в сезонных и долговременных аспектах в контексте изменений климата, геологической среды и антропогенных нагрузок”.

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Список литературы

  1. Manconi R., Pronzato R. Phylum Porifera // Ecology and General Biology: Thorp and Covich’s Freshwater Invertebrates. Amsterdam: Elsevier, 2015. P. 133–157. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385026-3.00008-5

  2. Manconi R., Pronzato R. Phylum Porifera // Keys to Palaearctic Fauna: Thorp and Covich’s Freshwater Invertebrates. Amsterdam: Elsevier, 2019. P. 45–87. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385024-9.00003-4

  3. Bukshuk N.A., Maikova O.O. A new species of Baikal endemic sponges (Porifera, Demospongiae, Spongillida, Lubomirskiidae) // ZooKeys. 2020. V. 906. P. 113–130. https://doi.org/10.3897/zookeys.906.39534

  4. Itskovich V., Gontcharov A., Masuda Y. et al. Ribosomal ITS sequences allow resolution of freshwater sponge phylogeny with alignments guided by secondary structure prediction // J. Mol. Evol. 2008. № 67. P. 608–620.

  5. Maikova O., Khanaev I., Belikov S. et al. Two hypotheses of the evolution of endemic sponges in Lake Baikal (Lubomirskiidae) // J. Zoolog. Syst. Evol. Res. 2015. V. 53. P. 175–179.

  6. Schroder H.C., Efremova S.M., Itskovich V.B. et al. Molecular phylogeny of the freshwater sponges in Lake Baikal // J. Zool. Syst. Evol. Research. 2002. V. 40. P. 1–7.

  7. Yakhnenko A.S., Itskovich V.B. Analysis of mtDNA variability in closely related Baikal sponge species for new barcoding marker development // Limnology. 2020. V. 21. № 1. P. 49–57. https://doi.org/10.1007/s10201-019-00599-7

  8. Itskovich V., Belikov S., Efremova S. et al. Phylogenetic relationships between freshwater and marine Haplosclerida (Porifera, Demospongiae) based on the full length 18S rRNA and partial COXI gene sequences // Porifera Research Biodiversity, Innovation and Sustainability. Rio de Janeiro: Museu Nacional, 2007. P. 1–9.

  9. Maikova O., Sherbakov D., Belikov S. The complete mitochondrial genome of Baikalospongia intermedia (Lubomirskiidae): description and phylogenetic analysis // Mitochondrial DNA. Part B: Resources. 2016. V. 1. P. 569–570. https://doi.org/10.1080/23802359.2016.1172273

  10. Lavrov D.V. Rapid proliferation of repetitive palindromic elements in mtDNA of the endemic Baikalian sponge Lubomirskia baicalensis // Mol. Biol. Evol. 2010. V. 27. P. 757–760.

  11. Ефремова С.М. Губки (Porifera) // Аннотированный список фауны озера Байкал и его водосборного бассейна. Т. 1. Озеро Байкал. Кн. 1. Новосибирск: Наука. 2001. С. 179–192.

  12. Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Д. Методы генетической инженерии. Молекулярное клонирование. М.: Мир, 1984. 480 с.

  13. Katoh K., Toh H. Recent developments in the MAFFT multiple sequence alignment program // Brief Bioinform. 2008. V. 9. P. 286–298.

  14. Ronquist F., Huelsenbeck J.P. MrBayes 3: Bayesian phylogenetic inference under mixed models // Bioinformatics. 2003. V. 19. P. 1572–1574.

  15. Kalyaanamoorthy S., Minh B.Q., Wong T.K.F. et al. Model Finder: Fast Model Selection for Accurate Phylogenetic Estimates // Nature Methods. 2017. V. 14. P. 587–589.

  16. Lavrov D.V., Maikova O.O., Pett W. et al. Small inverted repeats drive mitochondrial genome evolution in Lake Baikal sponges // Gene. 2012. V. 505. P. 91–99.

  17. Wang X., Lavrov D.V. Seventeen new complete mtDNA sequences reveal extensive mitochondrial genome evolution within the Demospongiae // PLoS One. 2008. V. 3. № 7. P. 1–11.

  18. Eo S.H., De Woody J.A. Evolutionary rates of mitochondrial genomes correspond to diversification rates and to contemporary species richness in birds and reptiles // Proc. Biol. Sci. 2010. V. 277. P. 3587–3592.  https://doi.org/10.1098/rspb.2010.0965

  19. Gazave E., Lapebie P., Renard E. et al. Molecular phylogeny restores the supra-generic subdivision of homoscleromorph sponges (Porifera, Homoscleromorpha) // PLoS One. 2010. V. 5. № 12. e14290.

  20. Майкова О.О., Степнова Г.Н., Беликов С.И. Вариабельность некодирующих последовательностей митохондриальной ДНК губок семейства Lubomirskiidae // ДАН (Биохимия и Биофизика). 2012. Т. 442. № 5. С. 709–711.

  21. Lukic-Bilela L., Brandt D., Pojskic N. et al. Mitochondrial genome of Suberites domuncula: Palindromes and inverted repeats are abundant in non-coding regions // Gene. 2008. V. 412. P. 1–11.

  22. Erpenbeck D., Voigt O., Wörheide G. et al. The mitochondrial genomes of sponges provide evidence for multiple invasions by repetitive hairpin-forming elements (RHE) // BMC Genomics. 2009. V. 10. № 591. P. 1–14.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Генетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал