Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии  

На правах рукописи

Москаев Антон Вячеславович

Экологическая специализация

видов-двойников малярийных комаров Европейской части России

03.02.08 - экология (биологические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на кафедре биологии и экологии животных биолого-химического факультета Московского государственного областного университета

Научный руководитель: Гордеев Михаил Иванович

доктор биологических наук,

профессор, заведующий кафедрой

Официальные оппоненты: Андрианов Борис Витальевич

доктор биологических наук,  Федеральное государственное

ведущий научный сотрудник  бюджетное учреждение науки

  Институт общей генетики

  им. Н.И. Вавилова

  Российской академии наук

 

  Федорова Марина Вадимовна

кандидат биологических наук,  ФБУН Центральный НИИ

старший научный сотрудник эпидемиологии Роспотребнадзора

Ведущая организация: Институт медицинской

  паразитологии и тропической 

  медицины им. Е.И. Марциновского

  при Первом Московском

  государственном медицинском

  университете имени И.М. Сеченова

Защита диссертации состоится л01 ноября 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.155.13 при Московском государственном областном университете по адресу: 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. В. Волошиной, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета по адресу: г. Москва, ул. Радио, 10а;

Автореферат разослан л28 сентября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук, доцент Снисаренко Т.А.

ОБЩАЯ ХАРРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Изучение экологической специализации популяций близкородственных видов имеет важное теоретическое значение для синэкологии и популяционной экологии. Экологическая специализация выражается в особенностях географического распространения видов, в экологических предпочтениях при выборе местообитаний, в несовпадении сроков развития, в использовании разного спектра пищевых ресурсов и т.д. Одним из проявлений экологической специализации является биотопическая подразделенность организмов, которая способствует избеганию межвидовой конкуренции, уменьшает степень перекрывания ниш и стабилизирует видовой состав сообществ.

Особый интерес представляет исследование биотопической подразделенности и экологических особенностей видов-двойников комаров рода Anopheles (Diptera, Culicidae). Виды-двойники малярийных комаров имеют перекрывающиеся ареалы, они обитают в одних и тех же экосистемах, часто развиваются в одних личиночных биотопах. Несмотря на морфологическое сходство и общие места выплода, эти виды экологически дифференцированы и имеют разное эпидемиологическое значение. Изучение малярийных комаров дает уникальную возможность рассматривать такие экологические проблемы, как характер взаимодействия и механизмы адаптации совместно обитающих видов, направления естественного отбора в популяциях, роль наследственной изменчивости в процессе расхождения экологических ниш.

Большое внимание к экологии малярийных комаров обусловлено их ролью в качестве переносчиков малярии и других трансмиссивных заболеваний. В начале 90-х гг. ряд стран Европейского региона Всемирной Организации Здравоохранения столкнулись с возвратом малярии. Широкомасштабные эпидемии возникли в Средней Азии и Закавказье. В период с 2000 по 2010 год происходил завоз малярии в Россию из эндемичных по малярии регионов на территории СНГ, главным образом из Татжикистана и Азербайджана. Отмечены случаи аутохтонной (местной) малярии в Российской федерации. Все это сделало актуальным проведение эпидемиологического надзора за малярией в РФ, состоящего из противоэпидемических и профилактических мероприятий, направленных на снижение риска восстановления малярии. Европейским региональным бюро ВОЗ разработана региональная стратегия, направленная на элиминацию малярии в Европейском регионе ВОЗ к 2015 году (Региональная стратегия Е, 2006). Для Российской Федерации наиболее актуальным являются следующие направления научно-практических исследований:  определение видового состава, численности и современных границ ареалов переносчиков; оценка эпидемиологической роли отдельных видов в условиях потепления климата; наблюдения за местами выплода и динамикой площадей личиночных биотопов. Эти направления исследований входят в комплекс мероприятий эпидемиологического надзора за малярией (СанПиН  3.2.1333-03, 2003).

Проведение экологических и эпидемиологических исследований предусматривает решение ряда фундаментальных научных проблем. Одной из таких проблем является анализ и прогнозирование последствий глобального потепления климата. Повышение температуры может привести к продвижению на север ряда переносчиков малярии. Отодвинется дальше на север и потенциальная граница максимально возможного распространения малярии, которая проходит примерно по июльской изотерме +16С. Теоретически возрастает потенциальная интенсивность возможной передачи малярии, которая связана с температурой воздуха. Следует также учитывать антропогенные факторы и их воздействия на переносчиков на многих территориях, которые в прошлом играли главенствующую роль в распространении и риске заражения малярией (Баранова, Сергиев, 2007).

Целью нашего исследования было изучение экологических и генетических механизмов адаптации видов-двойников малярийных комаров, совместно обитающих на территории Европейской части России.

В задачи  исследования входило:

1. Морфологический анализ малярийных комаров с использованием методов геометрической морфометрии.
2. Изучение географического распространения малярийных комаров на территории Европейской части России, уточнение границ ареалов, определение индексов доминирования совместно обитающих видов.
3. Анализ биотопической подразделенности видов-двойников на основе изучения экологических характеристик личиночных водоемов. Изучение хромосомного полиморфизма и пространственного распределения внутривидовых группировок с различным инверсиями в местах выплода комаров.
4. Определение зависимости между хромосомным составом популяций An. messeae и экологическими параметрами личиночных биотопов.
5. Оценка влияния глобального потепления на видовой состав и кариотипическую структуру популяций малярийных комаров на территории Европейской части России.

Научная новизна.

Впервые получены объемные фотографии и проведен сравнительный анализ структуры стигмальных пластинок личинок малярийных комаров с применением методов геометрической морфометрии.

Впервые определено соотношение видов-двойников малярийных комаров в ряде регионов Европейской части России; выделены зоны, отличающиеся по видовому составу и кариотипической структуре популяций.

Вскрыты закономерности биотопического распределения видов-двойников в условиях симпатрии, обнаружена пространственная дифференциация особей с разными кариотипами в локальных местообитаниях комаров. Установлена корреляция между определенными экологическими характеристиками личиночных биотопов (pH, содержание растворенного кислорода) и частотами хромосомных инверсий в популяциях малярийного комара Anopheles messeae.

Впервые показано изменение видового и хромосомного состава малярийных комаров на севере Европейской части России в условиях потепления климата.

Научно-практическая значимость работы.

Данные морфологического анализа малярийных комаров с применением методов геометрической морфометрии могут быть использованы для разработки региональных определителей переносчиков малярии. В работе составлен ключ для определения личинок видов-двойников комплекса An. maculipennis Армении.

Полученные данные свидетельствуют об изменении эпидемиологической обстановки на севере Европейской части России в результате глобального потепления климата. Результаты исследований могут использоваться органами Роспотребнадзора для планирования и проведения противомалярийных мероприятий на территориях, относящихся к зонам риска восстановления малярии.

Материалы работы используются при чтении курсов: Общая экология, Генетика и селекция, Зоология беспозвоночных, Экологический мониторинг, Популяционная генетика, - в Московском государственном областном университете, а также при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ студентов.

Апробация работы.

Основные результаты исследований были представлены в виде докладов на 3 международных и 3 российских конференциях: Научно-теоретической конференции студентов, аспирантов и преподавателей МГОУ (Москва, 2009), II Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы биоэкологи 26-28 октября 2010 г. (Москва, 2010), пленарном заседании научно-теоретической конференции студентов, аспирантов и преподавателей МГОУ (Москва, 2010), межрегиональной научно-практической конференции, посвященной 20-летию Национального парка Валдайский (Валдай, 2010), III Международной научно-практической конференции Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях (Москва, 2011), международной конференции Проблемы популяционной и общей генетики, посвященной памятной дате - 75-летию со дня рождения академика Ю.П.Алтухова  (Москва, 2011).

Публикации. По материалам исследования опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах из Перечня, утвержденного ВАК РФ.

ичный вклад соискателя.

Представленная диссертационная работа является обобщением результатов многолетней (с 2008 г.) работы автора. Все выносимые на защиту результаты и положения получены либо соискателем, либо при его непосредственном участии. Автором определены задачи, подготовлена программа исследований, выполнена работа по цитогенетическому анализу комаров. Основная часть полевого материала собрана автором лично, в экспедициях на территории Краснодарского края, Московской, Новгородской, Ленинградской областей, а также в республиках Адыгея, Карелия и Коми.

Связь с государственными научными программами, участие в выполнении грантов.

Работа выполнена в рамках темы кафедры биологии и экологии животных МГОУ Влияние разной степени хозяйственного освоения территории на изменение фауны и экологии животных, номер государственной регистрации 01950006375, а также при поддержке грантов РФФИ №08-04-01674-а, 09-04-10147-к, 10-04-10132-к, 12-04-31619,  внутриуниверситетского гранта МГОУ Изучение генетических последствий глобального потепления в популяциях малярийных комаров и научного гранта Губернатора Московской области Nа12-ПГ.

Благодарности

Благодарю за методическую поддержку доцента, к.б.н. С.В. Власова. Искренне признателен всем лицам, помогавшим собирать биологический материал, оказавшим содействие в выполнении работы и поддержавшим меня во время написания диссертации: доценту, к.б.н. В.П. Перевозкину, к.б.н. О.В. Безжоновой, Н.Ю. Трошкову, Д.А. Кузнецову, А.Д. Бугрину, А.М. Гордееву, А.Н. Кузнецову, Б.И. Морковину.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Существует зональность географического распределения малярийных комаров на территории Европейской части России, зоны различаются по видовому составу и кариотипической структуре популяций.

2. Биотопическая подразделенность способствует сохранению видового разнообразия и внутрипопуляционной изменчивости у малярийных комаров.

3. Хромосомный полиморфизм имеет адаптивную природу и частоты инверсий коррелируют с экологическими параметрами биотопов.

4. В условиях глобального потепления происходит изменение ареалов и трансформация исторически сложившейся генетической структуры популяций малярийных комаров.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы (150 источников, из них 39 иностранных). Работа изложена на 149 страницах, содержит 32 иллюстраций и 35 таблиц.

Глава 1. Экология и цитогенетика малярийных комаров  Европейской части России (Обзор литературы)

В главе приведен обзор литературы, посвященный экологии и цитогенетике малярийных комаров Европейской части России.

Глава 2. Материал и методы

Материалом для работы послужили выборки личинок и имаго малярийных комаров рода Anopheles (Diptera, Culicidae). Личинок малярийных комаров IV-го возраста собирали в водоемах медицинскими кюветами. Даты и места сбора личинок приведены в таблицах по разделам. С помощью оксиметра ExStik DO600 и мильтифункционального прибора HANNA Combo HI 98130 измеряли экологические характеристики водоемов: температуру,  pH, соленость, электрическую проводимость (S), число частей на триллион (ppt) и количество растворенного в воде кислорода. Кроме того, в личиночных местообитаниях  определяли: высоту над уровнем моря, течение и состав водной растительности. Учитывали плотность личинок всех возрастов и отдельно четвертого возраста (Service, 1993). При описании водной растительности использовали принципы типизации водоемов, предложенные В.Н. Беклемишевым (1944, 1970). Имаго малярийных комаров собирались в хлевах с домашним скотом. Самок имаго определяли по жилкованию крыльев. От ряда гоноактивных самок были получены кладки яиц с целью анализа структуры экзохориона и плодовитости малярийных комаров. Для получения кладок гоноактивных самок помещали в пенициллиновые флаконы, на заполненные водой.

Для цитодиагностики видов и изучения кариотипической структуры популяций готовили препараты политенных хромосом слюнных желез личинок по лактоацеторсеиновой методике (Кабанова и др., 1972). Сравнивали рисунок дисков политенных хромосом с фотокартами хромосом (Стегний, 1991). В кариотипах An. messeae регистрировали распространенные хромосомные инверсии: XL0, XL1, XL2, XL4, 2R0, 2R1, 2R2, 3R0, 3R1, 3L0, 3L1, 3L3. Определяли частоты гомо- и гетерозигот по инверсиям в популяциях хромосомно полиморфных видов An. messeae и An. beklemishevi. Всего были определены  кариотипы у 4835 комаров Европейской части России. Выборки были получены: в Республике Адыгея и Краснодарском крае (8 выборок, 366 кариотипов); Московской области (17 выборок, 1745 кариотип); Новгородской области (12 выборок, 721 кариотип); Ленинградской области (7 выборок, 718 кариотипов); Республике Карелия (8 выборок, 898 кариотип); Республике Коми (4 выборки, 417 кариотипов).

Материалом для морфометрического исследования стигмальных пластинок послужили личинки IV-го возраста малярийных комаров. Анализ стигмальных пластинок личинок проводили под микроскопом Micros (Австрия). Для получения цифровых микрофотографий использовали USB-фотонасадку ScopeTek DCM500.  Объемные фотографии стигмальных пластинок получены с помощью программы Helicon Focus. Для морфометрического анализа использовали программы: TPSDig, TPSRelw, TPSsplin, TPSSuper, TPSUtil (Bookstein, 1991; Rohlf, 1993, 2004, 2010; Павлинов, Микешина, 2002).

Для статистической обработки результатов (сравнения частот генотипов, оценки коэффициентов корреляции между частотами инверсий и экологическими параметрами биотопов) использовали программы Statistics Online Computational Resource (SOCR)аи  Microsoft Excel 2003 (Microsoft  Corporation).

Глава 3. Географическая зональность и экологическая специализация малярийных комаров Европейской части России

3.1. Морфологическое изучение видов-двойников малярийных комаров с использованием методов геометрической морфометрии

Метод геометрической морфометрии был использован для анализа стигмальных пластинок 5 видов малярийных комаров: An. claviger, An. maculipennis, An. messeae, An. sacharovi и An. superpictus. Выборки личинок были собраны из 7 местообитаний Армении, Турции и России. Получены объемные фотографии стигмальных пластинок, для характеристики их структуры использовали 16 меток. Виды сравнивали по усредненным конфигурациям. Всего было изучено 115 стигмальных пластинок.

Было установлено, что изученные виды хорошо расходятся в пространстве относительных деформаций RW1-RW3 (рис. 1,2). Разложение совокупных межвидовых различий на отдельные RW показывает, что значения долей объясненной дисперсии резко убывают от RW1 к последней RW4. На RW1 приходится 56.79%, на RW2 - 37.91%, на RW3 - 4.83%, на RW4 - 0.46% дисперсии. Анализ межвидовых различий показал, что виды подрода Cellia (An. superpictus) и подрода Anopheles (An. claviger и представители комплекса An. maculipennis) хорошо разделяются в градиенте RW1 (рис. 1). An. superpictus отличается от других видов расширенным передним отделом стигмальной пластинки. Виды подрода Anopheles хорошо расходятся по градиенту RW2. Например,  An. sacharovi отличается от других комаров узкой зоной пигментации в переднем и заднем отделах центральной пластинки. Наиболее широкие зоны пигментации выявлены у An. claviger. Виды-двойники An. maculipennis и An. messeae успешно дифференцируются между собой по градиентам RW2 и  RW3 (рис. 2).

Рис. 1. Распределение конфигураций стигмальной пластинки в пространстве первых двух относительных деформаций (RW1, RW2). Виды: 1 - An. superpictus; 2 - An. maculipennis; 3 - An. messeae; 4 - An. claviger; 5 - An. sacharovi.

Рис. 2. Распределение конфигураций стигмальной пластинки в пространстве относительных деформаций RW1, RW3. Цифрами обозначены виды: 1 - An. superpictus; 2 - An. maculipennis; 3 - An. messeae; 4 - An. claviger; 5 - An. sacharovi.

Степень межвидовых различий по структуре стигмальной пластинки отражает величины прокрустовых дистанций. Значения прокрустовых дистанций для четырех видов варьируют от 0,067 до 0,255. В наибольшей степени отличается от других видов An. superpictus. Наименьшая дистанция обнаружена у пары An. sacharovi-An. maculipennis.

Выявленные различия в строении стигмальных пластинок видов-двойников комплекса An. maculipennis дают возможность разрабатывать определители малярийных комаров по личинкам для некоторых регионов Кавказа.

3.2. Видовой состав и генетическая структура популяций малярийных комаров Юга Европейской части России (Краснодарский край и Республика Адыгея)

В Республике Адыгея и на сопредельной территории Краснодарского края нами обнаружены 4 вида малярийных комаров: An. messeae, An. maculipennis, An. hyrcanus, An. claviger (рис. 3).

Рис. 3. Видовой состав малярийных комаров в местообитаниях Республики Адыгея и Краснодарского края.

Установлено,  что в низинных районах Закубанской равнины преобладают  An. messeae и An. hyrcanus, а в предгорьях - An. maculipennis. Малярийный комар An. melanoon не обнаружен. Определена плодовитость гоноактивных самок видов двойников An. messeae и An. maculipennis. Установлено,  что в биотопах с повышенным содержанием растворенного кислорода наблюдается повышенная частота хромосомных вариантов с инверсиями XL0 и 3R1  в популяциях An. messeae. Показано, что в направлении с запада на восток Закубанской равнины происходит снижение частоты гомо- и гетерозигот с инверсией 3L1.

3.3. Видовой состав и генетическая структура популяций малярийных комаров центра Европейской части России

Рабочей гипотезой нашей работы является представление о политипическом виде как многоуровневой популяционной системе, закономерно организованной в пространстве ареала. Нижний уровень популяционно-видовой структуры представлен локальными популяциями. Генетический состав этих популяций различен в центре и на периферии ареала. Периферийные популяции соответствуют по составу узкоспециализированным видам. В центре ареала, напротив, популяции политипических видов состоят из генетически различающихся и экологически подразделенных внутривидовых группировок. Следующий уровень внутривидовой иерархии представлен популяционными кластерами, сходными по генетическому составу и занимающими значительные участки ареала. Такие генетически сходные популяции распределены зонально, и одной из задач работы было выявление этих кластеров и анализ их географического распространения.

3.3.1. Местообитания малярийных комаров Московской области

На территории Московской области нами были выявлены местообитания двух видов-двойников: An. maculipennis s. str. и An. messeae. Доля личинок An. maculipennis в постоянных водоемах варьировала от 1,2 до 56,8%. Высокий индекс доминирования An. maculipennis отмечен в Шатурском районе на востоке Московской области.

На основании изучения частот хромосомных вариантов An. messeae на территории Московской области выделено две зоны: северо-западная (включает Клинский, Талдомский, Дмитровский районы и г. Москву) и восточная (включает Шатурский, Ногинский, Воскресенский районы). Популяции восточной зоны отличаются от популяций северо-западной зоны более высокой частотой генотипов с инверсией XL0, частотами гомозигот 2R00 (p<0,001) и 3R00 (p<0,05).

3.3.2. Биотопическое распределение и пространственная организация популяций малярийных комаров поселка Вербилки Талдомского района

В окрестностях поселка были обследованы 4 личиночных биотопа: три в пос. Вербилки и один д. Князчино, в 3,7 км от Вербилок. Во всех биотопах доминировал An. messeae, доля личинок этого вида варьировала от 70,1 до 100%. Относительная численность личинок An. maculipennis зависела от близости к человеческому поселению. Наибольшая доля особей этого вида, 29,9%, отмечена в центре пос. Вербилки. В наиболее удаленном от поселка биотопе 1 (старое русло р. Дубна) за трехлетний период наблюдений личинок An. maculipennis не обнаружено.

Популяция An. messeae из пос. Вербилки значимо отличалась от других популяций северо-западной зоны по хромосомному составу. В популяции пос. Вербилки наблюдается повышенная частота инверсий XL1 и XL4, а также генотипов 2R01 и 2R11 (p<0,001). У личинок An. messeae из трех разных биотопов выявлены значимые различия по частотам инверсий XL0, XL1 и XL4 (p<0,05), а также по частотам инверсионных генотипов 3L00, 3L01(11) и 3L03 (p<0,001). В биотопе 1 зарегистрирована уникальная инверсия 3L3. В целом, для системы биотопов пос. Вербилки характерна межгодовая стабильность хромосомного состава личинок. Изменения частот отдельных инверсий не затрагивают популяционного ядра, и кариотипическая структура популяции остается устойчивой во времени и в пространстве.

3.3.3. Местообитания малярийных комаров Новгородской области

В результате цитогенетического анализа личинок было установлено, что на территории Валдайской возвышенности обитают 3 вида-двойника комплекса Anopheles maculipennis: An. beklemishevi, An. maculipennis, An. messeae (рис. 4). Обнаружена приуроченность видов к личиночным биотопам разного типа. Изученные местообитания значимо отличались по индексу доминирования видов (p<0,001).  В 6 из 12 выборок присутствовали комары всех трех видов. В 8 биотопах доминировал An. messeae, в 3 биотопах преобладал An. maculipennis, в 1 биотопе - An. beklemishevi. An. maculipennis доминировал во временных биотопах с ограниченной площадью водного зеркала, и, как правило, с низкой плотностью личинок. Только в колее дороги в окрестностях д. Березовка наблюдали высокую численность личинок на малой площади. Отдельный биотоп с высоким индексом доминирования An. beklemishevi впервые обнаружен  в пос. Дворец (заболоченность в старом русле р. Черная, 2009 г.). Следует отметить, что это единственное местообитание с высокой долей An. beklemishevi, обнаруженное в центральной части Русской равнины.  В 2010 году в условиях сильной засухи, когда пересохли все временные биотопы,  этот водоем в старом русле р. Черная сильно обмелел, произошло уменьшение плотности личинок, и изменился индекс доминирования видов-двойников. Доминирующим видом в этом биотопе стал An. maculipennis, и появились личинки An. messeae.

В кариотипах двух видов, An. beklemishevi и An. messeae, были обнаружены хромосомные инверсии. У малярийного комара An. beklemishevi инверсия XL1 (2c-5a) зарегистрирована только у самок. В популяции пос. Дворец доля гетерозигот по этой инверсии составила 64,711,6 % (число особей n=17).

Наибольший уровень хромосомного полиморфизма отмечен у комара An. messeae. В популяциях Валдайской возвышенности у этого вида выявлено 10 инверсионных последовательностей. Инверсия XL5 (1с-3с) выявлена впервые в виде гетерозиготы XL05. Поскольку данная инверсия возникла на основе последовательности XL1, инверсионная гетерозигота XL05 формирует сложную петлю в виде восьмерки. Еще одна новая инверсия 2R2 (7а-11а) обнаружена в выборке из д. Березовка (родниковый пруд). Как и все уникальные инверсии, эта перестройка найдена в виде гетерозиготы 2R02. Остальные хромосомные последовательности типичны для популяций центра ареала An. messeae.

Рис. 4. Видовой состав малярийных комаров в местообитаниях Новгородской области.

Отмечена межгодовая динамика частот хромосомных инверсий в местообитании г. Валдай. Выборки 2009 и 2010 гг. значимо отличаются по частотам инверсий половой хромосомы XL (p<0,001); а также по соотношению инверсионных вариантов плеча 3R (p<0,01) и плеча 3L (p<0,05).  В условиях сильной засухи в 2010 г. в популяции увеличилась доля люжных инверсионных последовательностей XL0, 3R0 и 3L0.

По характеру хромосомной изменчивости комары An. messeae Валдайской возвышенности значительно отличаются по хромосомному составу от популяций северо-запада Московской области и г. Москвы. При движении на северо-запад ареала происходит увеличение доли хромосомных вариантов с инверсиями XL0 (p<0,001), 2R0 и 3L0 (p<0,05).

3.4. Видовой состав и генетическая структура популяций малярийных комаров северо-запада Европейской части России

На территории Северо-Западного района России нами изучены три ландшафтно-климатические зоны, отличающиеся по видовому и кариотипическому составу комаров. Первая зона включает в себя южные и центральные районы Ленинградской области (Гатчинский, Волосовский, Всеволожский районы); вторая зона - территория Карельского перешейка (Выборгский и Приозерский районы); третья зона - Республика Карелия (Прионежский, Кондопожский, Медвежьегорский, Сегежский, Беломорский, Кемский районы).

3.4.1 Местообитания малярийных комаров Ленинградской области

На территории Ленинградской области выявлено 3 вида-двойника комплекса An. maculipennis: An. beklemishevi, An. maculipennis, An. messeae (рис. 5). В первой зоне, на юге,  выявлены высокие индексы доминирования An. messeae и An. maculipennis.  В окрестностях Пушкина-Павловска (пос. Антропшино) доминировал An. maculipennis. В двух других выборках преобладал An. messeae. В одном местообитании (д. Татьянино, рыборазводный пруд) обнаружен An. beklemishevi (0,7%). Во второй зоне во всех личиночных биотопах доминировал An. messeae, за исключением временного водоема в пос. Каннельярви, где найдены только личинки An. maculipennis. Этот биотоп находится на границе двух климатических зон. Как и в первой зоне, An. beklemishevi обнаружен с низкой частотой (8,3%) только в одном местообитании в г. Выборге.

В популяциях An. messeae наиболее высокий уровень хромосомного полиморфизма отмечен в первой зоне (Гатчинский, Волосовский, Всеволожский районы) Ленинградской области. По кариотипической структуре популяции этой зоны относятся к популяциям центра видового ареала и имеют сходство с комарами Валдайской возвышенности. Валдайские комары имеют тот же состав аутосом, но отличаются по частотам инверсий половой хромосомы XL (p<0,01). В популяциях Валдайской возвышенности наблюдается более низкая частота особей с инверсией XL1. В то же время, две климатические зоны Ленинградской области (зона 1 и зона 2) значительно различаются по хромосомному составу комаров An. messeae. В популяциях Карельского перешейка выявлена более высокая частота гомо- и гетерозигот с инверсиями XL0, 2R0, 3R0 (p<0,001). В целом, популяции второй зоны (Выборгский и Приозерский районы) более однородны по хромосомному составу и могут рассматриваться как краевые.

Рис. 5. Видовой состав малярийных комаров в местообитаниях Ленинградской области.

Особый интерес представляет изучение воздействия глобального потепления на генетическую структуру популяций малярийных комаров Северо-запада Европейской части России. Нами проведено сравнение кариотипического состава популяции пос. Антропшино с данными цитогенетического анализа комаров из окрестностей г. Пушкин, полученными в 1974 г., а также данных по хромосомному составу комаров из популяции пос. Татьянино за 1974 и 2009 гг. (Стегний с соавт., 1978, Стегний, 1983). Не выявлено однонаправленных изменений инверсионных частот в обоих местообитаниях. В пос. Антропшино в 2008 г. отмечена повышенная частота гомо- и гетерозигот по инверсии 2R1, кроме того,  выявлено увеличение доли особей с хромосомной последовательностью 3L0 (p<0,01). На частоты инверсий могло повлиять изменение мест выплода под воздействием антропогенной трансформации ландшафта. В настоящее время, города Пушкин и Павловск слились и вместе с пос. Антропшино вошли в городскую агломерацию Санкт-Петербурга. В отличие от популяции пос. Антропшино, в пос. Татьянино в 2009 г. увеличилась частота комаров с хромосомными вариантами 3R0 (2 =8.0, df=2, p<0,05). По нашему мнению, глобальное потепление пока не привело к существенной перестройке исторически сложившейся кариотипической структуры популяций  An. messeae в центре видового ареала.

Очевидно, более значительные изменения следует ожидать в краевых популяциях, где особенно выражено воздействие таких лимитирующих факторов, как температура зимовки или перегрев в летний период.

Несмотря на выявленные различия между двумя зонами, наблюдается принципиальное сходство по качественному составу инверсий у комаров An. messeae на территории всего моренного пояса северо-запада Русской равнины, сформировавшегося в ходе валдайского оледенения. Это подтверждают результаты цитогенетического анализа малярийных комаров Республики Карелия.

3.4.2 Местообитания малярийных комаров Республики Карелия

Обследование мест выплода Anopheles на территории Республики Карелия проводили в меридиональном направлении, с юга на север. Выявлено и изучено 6 личиночных местообитаний в следующих населенных пунктах: г. Петрозаводск, г. Кондопога, г. Медвежьегорск, г. Сегежа, г. Беломорск, г. Кемь (рис. 6). Самое северное местообитание находилось в г. Кемь (N6457.141Т; EO3433.769Т). Ранее было показано, что малярийные комары комплекса An. maculipennis в Карелии доходят почти до 65 параллели (Беклемишев, 1944). Самая северная находка малярийных комаров была сделана в 1966 году юго-западнее Мурманска, 69 с. ш. (Соловей и Лиходед, 1966; цит. по Гуцевич и др., 1970).  Нами проведено обследование водоемов в пос. Лоухи севернее 65 параллели. В этом местообитании комары рода Anopheles не обнаружены. Таким образом, в настоящее время северная граница распространения малярийных комаров на северо-западе Европейской части России проходит по 65 параллели.

В биотопах Карелии выявлено 3 вида малярийных комаров: An. beklemishevi, An. maculipennis, An. messeae. Установлено, что доля комаров An. beklemishevi значительно возрастает в биотопах севернее 63. Индекс доминирования An. beklemishevi был максимальным в тех местах выплода, в которых отсутствовал An. maculipennis (г. Сегежа, г. Беломорск). Показано, что эти биотопы отличаются пониженной температурой воды, низкими показателями проводимости и содержания общих растворенных веществ. Такие параметры характерны для заболоченностей. В четырех местообитаниях обнаружены все 3 вида Anopheles. Малярийный комар An. messeae обнаружен во всех биотопах. Это свидетельствует об экологической пластичности данного вида, обусловленной, в частности, высоким уровнем хромосомной изменчивости в популяциях. Следует отметить, что южный вид An. maculipennis отмечен в самом северном биотопе (г. Кемь). Ранее было известно, что в России северная граница ареала этого вида проходит в Ленинградской области, значительно южнее Карелии (Стегний, 1976, 1983). Это означает, что на северо-западе Европейской части России расширился ареал этого вида, и в настоящее время An. maculipennis достиг северной границы распространения малярийных комаров.

Отдельного обсуждения заслуживает вопрос о взаимодействии видов-двойников в условиях симпатрии.  Среди изученных видов самый северный ареал имеет An. beklemishevi (Стегний, 1991). Большая часть ареала этого вида перекрывается с An. messeae. Только в северной части Финляндии обнаружены изолированные местообитания An. beklemishevi (Саура и др., 1979). В Ленинградской области находиться зона контакта An. beklemishevi  с  An. maculipennis. Ранее считали, что эти два вида

Рис. 6. Видовой состав малярийных комаров в местообитаниях

Республики Карелия.

являются викарирующими, и их ареалы не перекрываются (Стегний, Кабанова, 1978). Южнее Ленинградской области расположена обширная зона симпатрии An. maculipennis и An. messeae (Стегний, 1991). На северном Кавказе проходит южная граница ареала An. messeae. В более южных районах ареал An. maculipennis перекрывается с ареалами других, более южных представителей комплекса maculipennis (Sedaghat,аHarbach, 2005;аDjadid et al., 2007). Таким образом, с севера на юг происходит последовательное замещение видов двойников комплекса maculipennis. Причиной такого вытеснения является разная жизнеспособность видов в период зимовки и разная конкурентоспособность личиночных стадий в летний репродуктивный период. Как правило, более северный вид лучше переносит диапаузу, но уступает по численности более южному виду в летний период. Экспериментально показано следующее соотношение видов двойников по жизнеспособности личинок в условиях высокой плотности: An. maculipennis > An. messeae > An. beklemishevi (Новиков и др., 1983). Обладая ключевым преимуществом - повышенной жизнеспособностью личинок, - более южный вид неминуемо должен вытеснить северный при одном условии - если сезон размножения достаточно продолжителен. Следовательно, основным необходимым условием устойчивого сосуществования видов является такое соотношение репродуктивного и зимовочного сезона, при котором оба достигают необходимой для переживания зимы численности имаго, а подавляющий вид не успевает достичь критической для подавляемого вида плотности в большинстве личиночных биотопов.

Вероятно, наблюдаемые изменения ареалов малярийных комаров на севере Европейской части России обусловлены глобальным потеплением. По данным Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, с 1976 г. наблюдается последовательное увеличение среднегодовых температур в России на 0,43C за десятилетие (Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации, 2008). Наибольшее потепление отмечено на северо-западе Европейской территории России, в Западной Сибири и на Северном Кавказе.

В местообитаниях Республики Карелия был проведен цитогенетический анализ личинок двух полиморфных видов -  An. beklemishevi и An. messeae. У малярийного комара An. beklemishevi определена хромосомная изменчивость в двух популяциях: г. Сегежа (n=64), г. Беломорск (n=36). В популяции г. Сегежа выявлены гетерозиготы по инверсии XL1 (2c-5a) с частотой 27,97,4 у самок. В популяции г. Беломорск обнаружены следующие хромосомные перестройки: XL1 (2c-5a), XL2 (2а-3a), 3R1 (23a-25a), 3R3 (26b-29b). Все перечисленные инверсии были зарегистрированы ранее в популяциях этого вида на территории Европейского Севера, Урала и Сибири (Стегний, 1991). Определены частоты инверсионных гетерозигот в популяции г Беломорска: XL01 - 10,06,7; XL02 - 15,08,0% (n=20); 3R01 - 8,34,6%; 3R03 - 2,82,8% (n=36). Кроме того, в популяции г. Беломорска обнаружена одна гетерозиготная особь с новой уникальной инверсией 2R3 (7c-9a) - 2,82,8%. Высокий уровень хромосомного полиморфизма свидетельствует о том, что карельские популяции An. beklemishevi относятся к популяциям центра ареала данного вида, приуроченного к резкоконтинентальным областям Северной Европы и Северной Азии.

В популяциях  An. messeae Карелии встречаются с высокой частотой эволюционно исходные для вида последовательности XL0, 2R0, 3R0, 3L0. В  Медвежьегорске обнаружена гетерозигота по эндемичной для Европейского Севера инверсии XL5. Показано, что популяции г. Петрозаводска и г. Беломорска значимо отличаются по соотношению инверсионных вариантов хромосомы 2R (p<0,001). В более северной популяции Беломорска наблюдается более высокая частота гомозигот 2R11, приуроченных к северу видового ареала. В целом, доля северных кариотипов была низкой во всех популяциях, даже на севере республики. Вероятно, в настоящее время происходит замещение особей с этими кариотипами на комаров с люжными инверсиями. Это подтверждают результаты сравнения кариотипического состава комаров An. messeae г. Петрозаводска в 1975 г. (Стегний, 1983) и в 2010 г. Установлено, что за 35 лет в популяции возросла доля люжных хромосомных последовательностей 3R0 (2=6.2, df=2, p<0,05). Таким образом, в условиях глобального потепления в местообитаниях Республики Карелия происходит одновременно изменение видового состава малярийных комаров и кариотипической структуры популяций An. messeae.

3.5. Видовой состав и генетическая структура популяций малярийных комаров северо-востока Европейской части России (Республика Коми)

Выборки личинок были взяты из биотопов г. Сыктывкара, пос. Палевицы Сыктывдинского района (1 зона) и г. Ухта (2 зона). Изученные местообитания первой зоны взяты в пойме р. Вычегды, относящейся к бассейну р. Северной Двины. Речная сеть г. Ухты относится к бассейну р. Печоры. На территории Республики Коми нами выявлены три вида малярийных комаров: An. beklemishevi, An. maculipennis и An. messeae (рис. 7). Во всех биотопах доминировал An. messeae, индекс доминирования комаров этого вида составил 93,2-100%. В 1 зоне найдены все три вида, во второй зоне (г. Ухта)  An. maculipennis не обнаружен. Необходимо подчеркнуть, что в местообитании  Республики Коми An. maculipennis найден впервые. В исследованиях В.Н. Стегния в биотопах г. Сыктывкара и пос. Палевицы в 1975 г. этот вид не был выявлен (Стегний, 1983). Очевидно, появление An. maculipennis на северо-востоке Европейской части России, значительно севернее его прежнего ареала (Стегний, 1983, 1991; Новиков, Алксеев, 1989; Остроушко, 1989), обусловлено глобальным потеплением климата. Доля An. maculipennis была максимальной в городском биотопе г. Сыктывкара (ручей). По-видимому, внедрение комаров этого вида начинается с распространения в человеческих поселениях, где комары могут найти подходящие зимовочные убежища.

Исследование кариотипической структуры популяций у доминирующего вида An. messeae показало, что  в условиях Европейского Севера в кариотипах преобладают северные хромосомные последовательности XL1, 2R1, 3R1 (табл.).

Рис. 7. Видовой состав малярийных комаров в местообитаниях

Республики Коми.

В Республике Коми популяции значительно более однородны по хромосомному составу, чем в центре ареала An. messeae. Две изученные зоны значимо не различались по частотам инверсий, однако два биотопа г. Сыктывкар отличались по соотношению инверсионных вариантов хромосом XL, 2R и 3R (p<0,05) у особей An. messeae. Установлено, что в городском биотопе (ручей) с низкой плотностью личинок, слабым течением и нехарактерном физиономическим типом растительности (линнеиды) значительно возросла доля люжных хромосомных последовательностей XL0, 2R0, 3R0. Кроме того, в этом биотопе обнаружена новая уникальная инверсия 3L4 (34b-37c). Именно в этом биотопе найдена самая высокая доля личинок An. maculipennis. Таким образом, именно в городском биотопе одновременно происходит развитие комаров An. maculipennis и особей с люжными генотипами An. messeae.

Таблица. Хромосомный состав комаров An. messeae  в местообитаниях Республики Коми

Хромосом-ные варианты	Частоты хромосомных вариантов, f sf, %
	г. Сыктывкар, ручей	г. Сыктывкар, старица	пос. Палевицы, протока	г. Ухта, пруд
Самцы, n	43	42	55	31
XL0	7,03,9	2,42,4	0	0
XL1	93,03,9	97,62,4	100	100
Самки, n	67	62	55	49
XL00	6,02,9	3,22,2	1,81,8	0
XL01	8,93,5	0	1,81,8	6,13,4
XL11	85,14,4	96,82,2	96,42,5	91,83,9
XL12	0	0	0	2,12,1
Оба пола, n	110	104	110	80
2R00	16,43,5	2,91,6	2,81,6	8,753,2
2R01	14,53,4	16,33,6	13,63,3	8,753,2
2R11	69,14,4	80,83,9	83,63,5	82,54,3
3R00	37,34,6	22,14,1	20,03,8	23,754,8
3R01	46,44,7	43,34,9	49,14,8	58,755,5
3R11	16,33,5	34,64,7	30,94,4	17,54,2
3L00	80,93,7	72,14,4	75,54,1	87,53,7
3L01	14,63,4	25,04,2	21,83,9	11,253,5
3L11	1,81,3	2,91,6	2,71,6	1,251,25
3L04	2,71,6	0	0	0

Проведено сравнение данных по хромосомному составу комаров г. Сыктывкара и пос. Палевицы в 1975 г. (Стегний, 1983) с результатами наших исследований в 2011 г.  Показано, что за прошедшие 35 лет в популяции г. Сыктывкара значительно  увеличилась частота гомо- и гетерозигот с люжными инверсиями: XL0, 2R0, 3R0, 3L0 (2=13.1, 28.3, 46.6 и 21.6 соответственно, df=2, p<0,01). Аналогичные изменения обнаружены в популяции пос. Палевицы в отношении инверсий  2R0, 3R0, 3L0 (2=11.2, 21.6 и 19.1 соответственно, df=2, p<0,001). Следует отметить, что в популяциях поймы р. Вычегды (бассейн р. Северной Двины) произошло качественное изменение хромосомного состава комаров: варианты  с инверсией XL0 и 2R0  ранее не встречались. Особи с этими инверсиями также впервые выявлены в бассейне р. Печоры (г. Ухта).

Следовательно, в двух географически удаленных популяциях An. messeae произошли однонаправленные изменения хромосомного состава комаров. Такие же генетические изменения, обусловленные глобальным потеплением климата, были выявлены в популяциях Западной Сибири после 1985 г. (Гордеев, Ежов, 2004). Полученные данные свидетельствуют о том, что на всем севере Палеарктики, от Карелии до Сибири, происходит один и тот же процесс замещения северных видов и северных кариотипов у An. messeae. Таким образом, глобальное потепление привело к изменению соотношения близкородственных видов в сообществах, а также к трансформации исторически сложившейся генетической структуры популяций.

Для анализа причин трансформации кариотипической структуры малярийных комаров в изменяющихся условиях среды рассмотрим влияние экологических факторов на частоты хромосомных инверсий в популяциях An. messeae.

3.6 Влияние экологических факторов на генетическую структуру популяций малярийных комаров Европейской части России

В задачи данной работы входило изучение влияния ряда экологических характеристик водоемов, таких как температура,  pH,  проводимость, соленость и количество растворенного кислорода, на хромосомный состав личинок  малярийного комара An. messeae. Экологические параметры измеряли в типичных местах выплода малярийных комаров, характерных для исследуемых регионов Европейской части России (Ленинградская, Новгородская, Московская области, Республика Карелия и Республика Адыгея). Было обследовано 24 маляриогенных биотопа и определены кариотипы 1780 комаров An. messeae. Установлено, что в типичных местах выплода комаров An. messeae температура варьировала в пределах 18,4-33,3C; pH - 6,20-8,65; электрическая проводимость Ц  0,01-1,79 S (число частей на триллион ppt  - 0,005-0,90); содержание растворенного кислорода - 0,45-15,07 mg/l. Высота над уровнем моря изменялась от 73 до 217 метров; плотность личинок комаров колебалась в пределах 0,4-208 особей на м2.

Установлено, что хромосомный состав личинок в различных биотопах коррелирует с величиной рН и количеством растворенного кислорода. Обнаружена отрицательная корреляция между величиной pH и долей самок с инверсионными вариантами XL00 и XL01 (r = - 0,420,19; p<0,05). Очевидно, гомо- и гетерозиготы An. messeae с инверсией XL0 способны развиваться в водоемах с более высокой сапробностью, в которых разложившиеся органические вещества подкисляют воду. Выявлена отрицательная связь между концентрацией растворенного кислорода и частотами инверсионных вариантов половой хромосомы XL0 у самцов (r = - 0,570,17; p<0,01); а также с частотами вариантов XL00 и XL01 у самок An. messeae (r = - 0,540,17; p<0,01). Кроме того, содержание растворенного в воде кислорода коррелирует с частотой гомозигот 2R00 (r = - 0,690,15; p<0,001) и 3R00 (r = -0,400,19; p<0,05). Известно, что инверсии XL0, 2R0 и 3R0 доминируют на юге и юго-западе видового ареала, где чаще встречаются биотопы с низким содержанием кислорода в воде. Вероятно, личинки с хромосомными вариантами XL1, 2R1 и 3R1, в отличие от особей с инверсиями  XL0, 2R0 и 3R0, более чувствительны к недостатку кислорода. Это подтверждают экспериментальные данные по устойчивости к асфиксии личинок с разными кариотипами (Гордеев, Перевозкин, 1995). Полученные данные демонстрируют адаптивное значение хромосомного полиморфизма в популяциях малярийных комаров.

ВЫВОДЫ

1. Определена структура стигмальных пластинок личинок 5 видов малярийных комаров с использованием методов геометрической морфометрии. Установлено, что комары подрода Cellia (An. superpictus) и подрода Anopheles (An. claviger, An. maculipennis, An. messeae, An. sacharovi) хорошо разделяются в пространстве относительных деформаций. Показано, что величины прокрустовых дистанций отражают степень родства исследуемых видов. Выявлены различия у видов-двойников An. maculipennis и  An. sacharovi по характеру срединной пигментации.
2. Обнаружено зональное распределение малярийных комаров на территории Европейской части России. Выделенные зоны различаются по соотношению видов-двойников и кариотипической структуре популяций An. messeae. Показано расширение ареала An. maculipennis на север в условиях потепления климата.
3. Вскрыты закономерности биотопического распределения видов-двойников в условиях симпатрии. Отмечено, что субдоминантные виды развиваются преимущественно во временных биотопах и водоемах с низкой плотностью личинок. В популяциях An. messeae выявлена биотопическая подразделенность особей с разными кариотипами.
4. Установлена связь между хромосомным составом An. messeae и экологическими характеристиками личиночных биотопов. Выявлена отрицательная корреляция между величиной pH и долей самок с гомо- и гетерозиготами  XL00 и XL01. Установлена отрицательная зависимость частот люжных инверсионных вариантов XL00 (XL0), XL01, 2R00 от содержания растворенного в воде кислорода (mg/l).
5. На севере Европейской части России (Республика Карелия, Республика Коми) обнаружена трансформация кариотипической структуры популяций An. messeae. Показано, что за последние 35 лет в северных популяциях значительно увеличилась частота гомо- и гетерозигот с люжными хромосомными инверсиями XL0, 2R0, 3R0, 3L0.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Гордеев М.И., Москаев А.В., Перевозкин В.П. Анализ видового и хромосомного состава малярийных комаров Республики Адыгея // Вестник МГОУ. Серия Естественные науки. - 2010. №3. - М.: Изд-во МГОУ, 2010. С. 64-71.

2. Перевозкин В.П., Гордеев М.И.,аМоскаев А.В.,аАхметова Н.М., Бондарчук С.С. Распространение и инверсионный полиморфизм малярийных комаров Карелии // Генетика. 2012. Том 48, № 7. С. 806-811.

3. Гордеев М.И., Безжонова О.В., Москаев А.В. Хромосомный полиморфизм в популяциях малярийного комара Anopheles messeae (Diptera, Culicidae) на юге Русской равнины // Генетика. 2012. Том 48. № 9. С. 1124-1128.

4. Москаев А.В., Гордеев М.И. Влияние экологических характеристик биотопов на хромосомный состав личинок малярийного комара Anopheles messeae (Diptera, Culicidae) // Вестник МГОУ. Серия Естественные науки. - 2012. №3. - М.: Изд-во МГОУ, 2012. С. 28-37.

Публикации в периодических изданиях и материалах конференций:

1. Москаев А.В. Цитогенетический анализ комаров Ленинградской области // Материалы научно-теоретической конференции студентов, аспирантов и преподавателей. - М.: ООО Диона, 2009. С. 19-22.

2. Москаев А.В., Гордеев М.И.  Изучение видового и хромосомного состава малярийных комаров национального парка Валдайский // Природный, культурно-исторический и туристический потенциал Валдайской возвышенности, его охрана и использование. Материалы межрегиональной научно-практической конф., посвященной 20-летию Национального парка Валдайский, 14-17 апреля 2010 года. - ФГУ Национальный парк Валдайский ИП - СПГУТД, 2010. С. 185-190.

3. Гордеев М.И., Москаев А.В. Цитогенетический анализ малярийных комаров Валдайской возвышенности // Актуальные проблемы биоэкологи. Сборник материалов II Международной научно-практической конференции 26-28 октября 2010 г. - М.: Изд-во МГОУ, 2010. С. 107-109.

4. Москаев А.В. Генетический анализ малярийных комаров с целью снижения риска восстановления малярии // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: сб. докладов III Международной научно-практической конференции. - М.: ООО Эй Би Ти Групп, 2011. С. 121-123.

5. Гордеев М.И., Москаев А.В. Динамика видового и кариотипического состава популяций малярийных комаров севера Европейской части России в условиях глобального потепления // Проблемы популяционной и общей генетики. Материалы международной конференции, посвященной памятной дате - 75-летию со дня рождения академика Ю.П.Алтухова. 14-16 ноября 2011, Москва, Россия.  - М.: Цифровичок, 2011. С. 59-61.

6. Гордеев М.И.,аМоскаев А.В.,аМанукян Д.В.,аМелик-Андреасян Г.Г.,аКешишян А.Ш.,аАрутюнова М.В., Арутюнова К.В., Топлолгоу С. Морфометрический анализ стигмальных пластинок личинок малярийных комаров. Электронная версия журнала Вестник МГОУ. - М. 2012. №2. С. 1-13.

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии