СЕЗОННЫЙ ОТБОР ПО ИЗМЕНЧИВОСТИ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ В ПРИРОДНОЙ ПОПУЛЯЦИИ ДРОЗОФИЛЫ

Е. Л. Ермаков, Г. В. Гречаный

НИИ биологии при Иркутском государственном университете

Иркутск, Россия: ermakov_eugeny@mail. ru

В северокавказской природной популяции дрозофилы исследована возможность сезонного отбора по изменчивости счетного и мерного количественных морфоло — гических признаков: числу веточек аристы (ВА) и длины крыла (ДК). Показано, что сезонная динамика изменчивости в исследованной природной популяции дро — зофилы по количественным морфологическим признакам определяется изменением соотношения генотипов, детерминирующих низкую и высокую изменчивость. Характер этой динамики специфичен для счетного и мерного признаков. Обна — ружена взаимосвязь между динамикой соотношения регулируемого и нерегули — руемого генотипов по реакции на плотность и ДК. На основании этих результатов выдвигается предположение о влиянии сезонного отбора на изменчивость количе- ственных признаков в природной популяции дрозофилы. Обсуждаются возможные механизмы селекционно-генетического контроля модификационной и остаточной изменчивости количественных признаков в популяциях.

Ключевые слова: веточки аристы, длина крыла, генотипический класс, дрозофила, природная популяция, морфологические признаки, модификационная и остаточная изменчивость.

Введение

Проблема изменчивости со времен Ч. Дарвина была важным направлением эво — люционных исследований. С возникновением и развитием генетики были подробно изучены различные формы изменчивости и роль факторов, их определяющих. За это время накоплено множество подходов к исследованию данного явления: от мо — лекулярных (Инге-Вечтомов, 2003) до популяционных (Алтухов, 2003). В связи с этим особую актуальность приобретает исследование селекционно-генетических механизмов регуляции изменчивости на популяционном уровне по количествен — ным признакам (Гречаный и др., 2004б).

В предыдущих исследованиях (Гречаный и др., 1996) нами было показано, что в северокавказской природной популяции дрозофилы («Иноземцево») происходит сезонный отбор по реакции особей на увеличение плотности. Этот показатель пред — ставляет собой один из возможных подходов к оценке модификационной изменчи — вости плодовитости. По счетным и мерным морфологическим признакам был дока — зан отбор по средним значениям, а также получены некоторые сведения о сезонной динамике общепопуляционных показателей изменчивости (Гречаный и др., 1998;

2004а). В настоящей работе был продолжен анализ этого материала. В частности, мы более детально оценили различные компоненты изменчивости морфологиче — ских признаков, исследовали возможность селекционно-генетического контроля изменчивости в сезонном разрезе и сравнили полученные результаты по морфоло — гическим признакам с данными по плодовитости.

Материалы и методы

Исследовалась природная популяция плодовой мухи Drosophila melanogaster Mg., обитающая в одном из садов пос. Иноземцево (Северный Кавказ). Оплодо — творенные самки, от которых были заложены линии, отловлены в период 21–25 мая (весенняя выборка), 8–11 августа (летняя выборка) и 19–22 сентября (осенняя вы — борка). Выборки представлены 59–66 линиями, которые содержались на манно — дрожжевой среде. Тестирование линий проводили во втором (F2) и третьем (F3) поколении от начала их закладки (первый и второй опыты). У 5 самок и 5 самцов, взятых от каждой из линий, в данном опыте проводилась оценка счетного числа ве — точек аристы (ВА) и мерного — длины крыла (ДК) количественных морфологи — ческих признаков. Длина крыла определялась по расстоянию между дистальными концами 4 и 5-й продольных жилок (Тараканов и др., 1988). По длине крыла имаго можно с высокой степенью уверенности судить о размерах тела (Лазебный и др.,

1996). Все признаки учитывались с левой и правой сторон тела насекомого. За ва- рианту принималась сумма значений с обеих сторон тела.

Статистическую обработку результатов проводили стандартными методами (Рокицкий, 1973). Использовали критерии Стьюдента и «хи-квадрат», двухфактор — ный дисперсионный анализ (модель с взаимодействием). Выделение генотипиче — ских классов проводили по методике «редукции выборки» с использованием одно — факторной модели дисперсионного анализа (Гречаный и др., 1996, 1998, 2004а, б).

Результаты

Для оценки общепопуляционной изменчивости по каждой сезонной выборке мы использовали три показателя, выраженные в коэффициентах вариации (CV): об — щая (CV1), внутрилинейная (CV2) и межлинейная (CV3) изменчивость. CV1 пред — ставляет собой общую фенотипическую изменчивость популяции по исследован — ным признакам. Предполагается, что этот показатель включает и негенетическую и генетическую компоненты. Показатель CV2 представляет собой CV, вычисленные для каждой линии, а затем усредненные на выборку. Это внутрилинейная измен- чивость, с помощью которой мы старались оценить негенетический компонент фе — нотипической изменчивости. Через CV3 оценивалась изменчивость усредненных показателей линий, принадлежащих трем выборкам. Поскольку исследуемые при — знаки у линий оценивались при относительно одинаковых условиях лабораторного содержания, можно сделать предположение о том, что CV3 определяется в основ — ном генетическими различиями линий, а следовательно, и особей, от которых ли — нии были заложены.

Показано (рис. 1), что CV1 и CV2 по ВА увеличиваются летом и сокращаются к осени, что противоположно динамике средних тех же признаков (Гречаный и др.,

1998, 2004а). CV1 и CV2 по ДК весной и летом были высокие, между этими сезонами достоверно не отличаясь, а осенью — гораздо ниже. CV3 во всех случаях характери — зовался отсутствием достоверной сезонной динамики. Отсутствие сезонных раз — личий по межлинейной изменчивости говорит о стабильности генетического со- става популяции по исследованным признакам, что и было показано в (Гречаный и др., 1998, 2004а). Это объясняется разнонаправленностью селекционных векто — ров, действующих на популяцию в различные сезоны года. С другой стороны, при

выраженной сезонной динамике по CV1 и CV2, возникает вопрос о механизмах это — го явления. Можно ли предполагать влияние селекционно-генетических факторов на выявленную сезонную динамику изменчивости, или она определяется действием экологических факторов?

Для решения этого вопроса мы провели оценку CV2 в первом и втором поко — лениях, а также вычислили CV2 за оба поколения. Эти три показателя оценивали по каждой линии. В предыдущих работах нами было установлено, что достоверные отличия внутри поколения и между поколениями отсутствовали. Кроме того, дис — персионный анализ по изученным признакам также показал, что внутрилинейная дисперсия как внутри поколения, так и между поколениями в пределах каждой ли — нии несопоставима с межлинейной. Следовательно, вычисленные нами CV пред — ставляют собой гомогенный в пределах линии вариационный ряд, отражающий внутрилинейную изменчивость. К случайной компоненте в данном случае отнесли вариацию показателя CV2 между поколениями. Затем с помощью однофакторного дисперсионного анализа сравнили межлинейную дисперсию по изменчивости со случайной.

Было установлено, что по всем трем сезонным выборкам у самцов и у самок по ВА и ДА межлинейная дисперсия по внутрилинейной изменчивости статистически достоверно отличается от случайной (табл. 1). Отсюда следует, что отловленные особи, от которых были заложены линии, а следовательно, и в целом популяция

«Иноземцево» характеризуется генотипической гетерогенностью по изменчивости

Дисперсионный анализ изменчивости ВА и ДК у самок

Таблица 1

Признак

Сезон

Источник изменчивости

df

MS

F

ВА

Весна

Общая

194

3,91

Линия (генотип)

64

6,94

2,87*

Случайное

130

2,42

Лето

Общая

197

2,98

Линия (генотип)

65

6.07

4,17*

Случайное

129

1,46

Осень

Общая

194

2,23

Линия (генотип)

64

3,43

2,09*

Случайное

130

1,64

ДК

Весна

Общая

194

1,70

Линия (генотип)

64

2,41

1,78*

Случайное

130

1,35

Лето

Общая

197

2,11

Линия (генотип)

65

3,29

2,09*

Случайное

129

1,57

Осень

Общая

194

1,36

Линия (генотип)

64

2,19

2,32*

Случайное

130

0,95

Примечание: * Р<0,001

Рис. 1. Общепопуляционные показатели трех компонентов изменчивости в природной популяции дрозофилы и их сезонная динамика (объяснения в тексте)

количественных морфологических признаков в течение всего периода активной жизни, т. е. от весны до осени. Наличие генотипической гетерогенности по факто — ру «линия» дает основание оценить генотипический состав популяции в различные сезоны по изменчивости морфологических признаков и характер взаимодействия этого показателя с экологическими условиями.

Для выделения линий с различными генотипами по изменчивости морфологи — ческих признаков был использован метод редукции выборки. Суть его сводится к следующему. Вначале проводили ранжирование линий по CV2. Из ранжированного

по этому показателю массива данных последовательно удалялись линии, вносящие

наибольший вклад в дисперсию по фактору «линия», после чего массив каждый раз обрабатывался дисперсионным анализом по вышеописанной схеме. Этот алгоритм применялся до тех пор, пока дисперсионный анализ не показал, что величина фак — тора «линия» в редуцированной группе стала недостоверной, т. е. в ней остались линии с одинаковым генотипом по данному признаку, конечно, в пределах разре — шающей способности нашего метода. Далее дисперсионному анализу подвергались отсеченные группы линий с низкими или высокими значениями изменчивости. От — сутствие в них влияния фактора «линия» дает основание сделать вывод о том, что в выборке имеется две или три генотипически различных группы особей (о некото — рых деталях метода см.: Гречаный и др., 1996, 1998, 2004а, б).

Оказалось, что как у самок, так и у самцов по ВА популяция включает три ге — нотипических класса особей, различающиеся по уровню изменчивости, а по ДК — только два. Результаты по самкам представлены в рис. 2. Важно подчеркнуть, что CV2 между поколениями в пределах каждого класса статистически не различаются,

что свидетельствует о наследственной преемственности этого показателя. Зато раз-личия между выделенными классами очень четкие, что допускает эффективность отбора по изменчивости в изученной популяции дрозофилы.

Рис. 2. Значения внутрилинейной изменчивости самок в выделенных генотипических классах линий в двух последовательных поколениях. Верхний ряд — ВА (А — весна, Б — лето и В — осень); нижний ряд — ДК (Г — весна, Д — лето и Е — осень)

Рис. 3. Сезонная динамика генотипической структуры природной популяции дрозофилы по изменчивости ВА (верхний ряд) и ДК (нижний ряд) у самок

С помощью критерия «хи-квадрат» показано отсутствие достоверных половых различий генотипической структуры в различные сезоны года по изменчивости всех изученных признаков. Ее изменение при движении популяции от весны к осе — ни статистически достоверно. Результаты анализа сезонной динамика выделенных генотипов по самкам представлены в рис. 3 (у самцов картина аналогичная).

Характерной особенностью генотипической структуры по изменчивости ВА

является наличие мощного П-класса, почти всегда имеющего статус модального.

Иными словами, в течение всех трех сезонов в популяции доминируют особи с ге — нетически детерминированным промежуточным уровнем изменчивости, а сезонная динамика определяется изменением соотношения особей в Н — и В-классах. При этом количество линий Н-класса уменьшается от весны к лету и увеличивается к осени. Сезонная динамика особей В-класса имеет обратный характер. Количество линий, генетически детерминирующих низкую изменчивость по ДК, последовательно уве- личивается от весны — к лету и далее к осени. Количество линий, детерминиру — ющих высокую изменчивость, последовательно снижается в том же направлении. Эта картина вполне соответствует результатам анализа структуры изменчивости на общепопуляционном уровне.

Обсуждение

Общеизвестно, что количество форм изменчивости в настоящее время очень велико, что вносит путаницу в понимание механизмов, определяющих и контроли — рующих изменчивость. «Негенетическая» изменчивость, т. е. изменчивость, опре — деляемая преимущественно флуктуацией условий жизни, также может включать несколько форм и, соответственно, подходов к их оценке. Можно выделить как минимум три разновидности такой изменчивости: модификационная, остаточная и флуктуирующая асимметрия (ФА). Некоторые авторы предлагают объединить по крайней мере последние две формы под термином «автономная» изменчивость (Тиходеев, Журина, 2004). Модификационная изменчивость, в классической тер- минологии — «норма реакции фенотипа» представляет собой изменение признака в контрастных экологических условиях. Эта форма изменчивости изучена достаточ — но хорошо (Орбович, Тарасьев, 1999; Leroi et al., 1994) и исследовалась нами ранее как признак «реакция на плотность», выражающаяся в подавлении плодовитости плотностью. Этот признак — не что иное, как «норма реакции» по плодовитости в градиенте условий плотности популяции. Было показано, что в исследуемой при — родной популяции дрозофилы присутствуют два наследственно обусловленных типа особей, качественно различающихся подавлением плодовитости плотностью: р-тип и н-тип (Гречаный и др., 2004б). Особи р-типа, или регулируемые, адаптиро — ваны к пониженной плотности населения, при которой имеют высокую плодови — тость. Особи н-типа, или нерегулируемые, адаптированы к повышенной плотности, при которой обладают более высокой плодовитостью. Таким образом, р-тип харак — теризуется высокой модификационной изменчивостью по плодовитости, а н-тип — низкой. Сезонная динамика соотношения этих двух типов в популяции сводится к последовательному сокращению количества особей р-типа и увеличению н-типа от весны к лету и далее — к осени (Гречаный и др., 1996).

Остаточная изменчивость является предметом интенсивных исследований лишь в последние десятилетия. Эта форма изменчивости определяется вариацией количественных признаков у особей в чистых линиях или в клонах клеток (Семё — нова, Гречаный, 2002; Paldi, 2003). Происхождение и сущность этой изменчивости не ясны. В настоящей работе мы предприняли анализ остаточной изменчивости по морфологическим признакам дрозофилы. Оказалась, что эта форма изменчи — вости встречается не только у чистых линий, инбредных сортов или клонов, но и среди генотипов в природной популяции. В настоящем исследовании показано, что линии, заложенные от самок из природной популяции, находясь в абсолютно

одинаковых условиях, обладали различной изменчивостью количественных мор — фологических признаков и эти различия наследуются в ряду поколений. Более того, различные сезонные выборки обладали статистически достоверным отли- чием в соотношении линий с низкой (Н-класс) и высокой (В-класс) остаточной изменчивостью морфологических признаков. Динамика этого соотношения по ДК была идентична динамике, обнаруженной при исследовании плодовитости, то есть и в обоих случаях происходило последовательное увеличение линий с низкой изменчивостью и сокращение — с высокой при сезонной смене условий жизни от весны к осени.

Эти результаты позволили выдвинуть предположение о том, что в природной популяции «Иноземцево» идет сезонный отбор изменчивости по комплексу количе — ственных признаков. Для проверки этого предположения мы отобрали по 10 линий р — и н-типов по плодовитости и оценили у самок из этих линий ВА и ДК. Результа — ты, представленные в таблице 2, свидетельствуют о том, что р-тип по плодовитости обладает высокой остаточной изменчивостью по ВА и ДК, а н-тип, соответственно, низкой остаточной изменчивостью морфологических признаков.

Таким образом, предположение подтвердилось, что, в свою очередь, позволя — ет прийти к заключению о принципиальном сходстве генетических процессов, от — ветственных за модификационную и остаточную изменчивость у количественных признаков. К сходным выводам приходят и другие исследователи (Тиходеев, Жу — рина, 2004). Следовательно, отбор на высокую или низкую модификационную из — менчивость может приводить к соответствующему увеличению или сокращению изменчивости остаточной. Этот процесс захватывает не отдельные количественные признаки, а их комплексы.

Изменчивость плодовитости и морфологических признаков у особей р — и н-особей

Таблица 2

Признак

Сезон

Р-тип

Н-тип

Плодовитость

(CV, доли)

Весна

1,08±0,010

0,68±0,078

Лето

0,96±0,023

0,57±0,026

Осень

0,92±0,019

0,41±0,040

ВА (CV, %)

Весна

3,97±0,659

3,58±0,580

Лето

4,89±0,485

3,91±0,153

Осень

4,23±0,358

3,85±0,060

ДК (CV, %)

Весна

4,05±0,367

3,97±0,349

Лето

3,65±0,348

3,59±0,238

Осень

3,97±0,460

3,48±0,091

Как воздействие селекционно-генетических механизмов на популяционную структуру по количественным признакам связано с экологическими факторами? На основании результатов, полученных в настоящем исследовании, можно заклю — чить, что в условиях адаптации к биотическим, плотностно-зависимым факторам селективное преимущество получают стабильные, малоизменчивые генотипы. При сезонной смене условий жизни такая ситуация характерна для активного периода

жизнедеятельности (летом и осенью). В условиях доминирования абиотических, в значительной степени случайных, не зависящих от плотности факторов селектив — ное превосходство получают нестабильные, высокоизменчивые генотипы. В приро — де такая ситуация характерна для периода зимовки и сразу после нее.

Автор приносит благодарность и. о. директора НИИ биологии при ИГУ Н. И. Гра — ниной и зав. лаб. гидробиологии Л. Р. Изместьевой за решение организационных и финансовых вопросов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Литература

Алтухов Ю. П. Генетические процессы в популяциях. М. : Академкнига, 2003. 431 с.

Гречаный Г. В., Сосунова И. А., Гордеева И. В., и др. Фенотипическая и генотипическая струк-тура природной популяции дрозофилы по реакции особей на увеличение плотности и ее

сезонное изменение // Генетика. 1996. T. 32. № 10. С. 1341–1348.

Гречаный Г. В., Ермаков Е. Л., Сосунова И. А. Фенотипическая и генотипическая структура

природной популяции дрозофилы по счетным морфологическим признакам и ее сезон-ное изменение // Генетика. 1998. Т. 34. № 12. С. 1619–1629.

Гречаный Г. В., Ермаков Е. Л., Сосунова И. А. Популяционная структура дрозофилы по коли-чественным мерным признакам и ее сезонное изменение // Журнал общей биологии.

2004а. Т. 65. №. 1. С. 39–51.

Гречаный Г. В., Никитин А. Я., Корзун В. М., Сосунова И. А. Эколого-генетическая детермина-ция динамики численности популяций. Иркутск : Иркутский гос. ун-т, 2004б. 302 с.

Инге-Вечтомов С. Г. Матричный принцип в биологии (прошлое, настоящее, будущее?) // Эко-логическая генетика. 2003. Т. 1. № 0. С. 6–15.

Лазебный Е. Б., Захарчук Е. Б., Имашева А. Г. Личиночная плотность и изменчивость раз-меров в лабораторных культурах Drosophila melanogaster // Генетика. 1996. Т. 32. №. 7.

С. 1010–1012.

Орбович В., Тарасьев А. Генетические различия между экотипами Arabidopsis thaliana по пла-стическому ответу на плотность // Генетика. 1999. Т. 35. № 5. С. 631–640.

Рокицкий П. Ф. Биологическая статистика. Минск : Вышэйшая школа, 1973. 320 с.

Семёнова Л. А., Гречаный Г. В. Остаточная изменчивость морфохронометрических признаков

гибридных томатов, ее анализ и возможный механизм возникновения // Генетика. 2002.

Т. 39. № 3. С. 323–331.

Тараканов В. В., Корзун В. М., Ряжева Т. П., Гречаный Г. В. Эколого-генетическая структура

популяций дрозофилы (Drosophila melanogaster): влияние плотности личинок // Журнал

общей биологии. 1988. Т. 49. № 4. С. 493–500.

Тиходеев О. Н., Журина Т. В. Автономная изменчивость: феномен и возможные механизмы //

Экологическая генетика. 2004. Т. 2. № 2. С. 3–10.

Leroi A. M. Chippendale A. K., Rose M. R. Long-term laboratory evolution of genetic life-history

trade-off in Drosophila melanogaster. 1. The role of genotype-by-environment interaction //

Evolution. 1994. Vol. 46. № 4. P. 1244–1257.

Paldi A. Stochastic gene expression during cell differentiation: order from disorder? // Cellular and

Molecular Life Science. 2003. Vol. 60. № 9. Р. 1775–1778.

Seasonal Selection on Variability of the Quantitative Morphological

Characters in Natural Drosophila Population

E. L. Ermakov, G. V. Grechanyi

Scientific-Research Institute of Biology Irkutsk State University

Irkutsk, Russia: ermakov_eugeny@mail. ru

The possible of seasonal selection on variability meristic and morphometric traits: number arista branches (AB) and wing length (WL) in nature Drosophila population from Northern Caucasus was studies. It was shown that seasonal dynamics of variability in researching nature Drosophila population on quantitative traits determined by change of genotypes ratio with low and high variability. The character of this dynamics is specify for meristic and morphometric traits. Relationship between dynamics regulatory and nonregulatory genotypes ratio on reaction to density and WL was obtain. On basic this results has been proposes hypothesis about of action seasonal selection on variability quantitative traits in nature Drosophila population. Possible mechanisms of selection and genetics controls on modify and resudial variability of quantitative traits in nature populations was discussed.

Keywords: arista branches, wing length, genotypical class, drosophila, nature population, morphological traits, modifical and resudial variability.

Материал взят из: Чарльз Дарвин и современная биология. Труды Международной научной конференции (21–23 сентября 2009 г., Санкт — Петербург)