Лекция 10 Идентификация видов на основе анализа ДНК

Лекция 10 Идентификация видов на основе анализа ДНК Генетическая концепция вида Специальный курс лекций «Генетические аспекты биотехнологии животных»

Молекулярная таксономия – систематика живых организмов, проводимая на основе анализа сходства и различия состава и структуры молекулярных компонентов клеток: аминокислотного состава белков, нуклеотидного состава ДНК, генной структуры геномов (числа и расположения конкретных генов), вторичной структуры транспортных и рибосомальных РНК, аллозимного состава и т. д. Молекулярная филогения – раздел систематики живых организмов, связанный с установлением эволюционного родства таксонов, проводимого на основе анализа сходства и различия состава и структуры молекулярных компонентов клеток

Рассматриваемые вопросы: 1 Концепция «генетического вида» 2 Криптические виды и механизмы их возникновения. Значение выявления существующих, но не описанных видов 3 Значение корректной идентификации принадлежности в биотехнологии животных 4 Контроль идентификации видовой

1 Концепция вида Вид (species) — основная структурная единица биологической систематики живых организмов; таксономическая, систематическая единица, группа особей с общими морфофизиологическими, биохимическими и поведенческими признаками, способная к взаимному скрещиванию, дающему в ряду поколений плодовитое потомство, закономерно распространённая в пределах определённого ареала и сходно изменяющаяся под влиянием факторов внешней среды

1 Концепция вида Homo sapiens Pan paniscus Pongo abelii Canis lupus ssp.

1 Концепция вида. Существование хиатусов в значении или состоянии признака между видами Длина тела А В 2 1 2 max 3 1 2 2 1 4 min 5 5 6 7 6 6 5 4 6 6

1 Концепция вида Вид (species) — основная структурная единица биологической систематики живых организмов; таксономическая, систематическая единица, группа особей с общими морфофизиологическими, биохимическими и поведенческими признаками, способная к взаимному скрещиванию, дающему в ряду поколений плодовитое потомство, закономерно распространённая в пределах определённого ареала и сходно изменяющаяся под влиянием факторов внешней среды Canis lupus ssp.

1 Основные концепции вида: • Биологическая концепция, Poulton 1904, Mayr 1970 • Генеалогическая концепция, Baum and Shaw 1995 • Кладистическая Ridley 2004 • Генетическая Mallet 1995, 2001 концепция, • Морфологическая концепция, Darwin 1859 • Фенетическая концепция, Sokal and Crovello 1970 • Филогенетическая концепция, Cracraft 1989 • Политипическая концепция, Mayr 1970 • Экологическая концепция, Van Valen 1976 • Популяционная концепция, Ehrlich and Raven 1969 • Эволюционная Simpson 1951 • Концепция «узнаваемых видов» , Paterson 1985 концепция, • Концепция «таксономии без видов» , Mishler 1999, Hendry et al. 2000

1 Генетическая (геномная) концепция вида Автор James Mallet Department of Biology University College London

1 Генетическая (геномная) концепция вида Варианты окраски шафранной желтушки (Colias crocea FOURCROY, 1758) Изображение с www. papillon-poitou. Некоторые варианты окраски степной charentes. org желтушки (Colias erate ESPER, 1805 ) Изображения с rusinsects. com и www. biolib. cz

1 Генетическая (геномная) концепция вида Генетический вид – группа особей, изолированная от других таких же групп генетически Свидетельство существования генетической изоляции: наличие «генетической дистанции» между группами Генетическая дистанция – мера любых генетических различий между двумя особями

1 Генетические различия между видами Полиморфизм Поток генов Стационарное (равновесное) состояние генетического вида a a a b b d d a a b b b d d d Возникновение новых генетических видов a a b b b c c d d Поток генов Генетическая изоляция b b b c c f f f Полиморфизм a a a d e e e Полиморфизм

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Морфотип - морфологически отличающаяся часть популяции одной и той же таксономической единицы Морфотипы самцов жука-оленя Основные формы слева направо: f. minor, f. media, f. major, отличающиеся не только размером, но и величиной мандибул, формой и пропорциями переднеспинки Экотип - совокупность особей любого вида, приспособленная к условиям места обитания и обладающая наследуемыми признаками, экологически обусловленными. Признаки, определяющие характер экотипа, сохраняются при перенесении в иные экологические условия, особи разных экотипов свободно скрещиваются Норма реакции — способность конкретного генотипа формировать в онтогенезе, в зависимости от условий среды, разные фенотипы

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Принцип Пирсона: Консервативно то, что важно Индивидуальные генетические различия Эволюционные генетические различия

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Близкие виды – виды, обладающие определенным сходством морфологии и экологии вследствие общности происхождения Сестринские виды – обычно молодые виды, обладающие высоким сходством морфологии вследствие единства происхождения Криптические (скрытые) виды – виды, не различимые по морфологическим признакам, но имеющие различия в маркерных областях геномов 1 Предковый вид 3 4 2 Дочерние виды

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Расписные пеночки комплекса видов Seicercus burkii. S. soror, S. tephrocephalus, S. valentini обычны на разных высотах в горах по вертикальному разрезу в горах a) Prepona laertes. ECO 01 и b) Prepona laertes. ECO 02. Криптические виды бабочек из Латинской Америки

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Виды А В Аллели (Маркеры) a g b h c i d j e k f Генетический вид – группа особей, генетически изолированная от других таких же групп l Свидетельство существования генетической изоляции: наличие «генетической дистанции» между группами Генетическая дистанция – мера любых генетических различий между двумя особями

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Виды А В Аллели (Маркеры) a g b h c i d j e k f l Свидетельство существования генетической изоляции: наличие «генетической дистанции» между группами 1 Предковый вид 3 4 2 Дочерние виды

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Виды Нуклеотидная последовательность гена (маркера) А В А A Т T С T Т G G A G G Генетическая дистанция – мера любых генетических различий между двумя особями

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Виды Нуклеотидная последовательность гена (маркера) А В C А A A Т T C С T C Т G G G A T GD = Np / N G G A GD – генетическая дистанция Np – число полиморфных сайтов N – общее число сравниваемых сайтов Генетическая дистанция – мера любых генетических различий между двумя особями Наиболее простая формула для расчета генетической дистанции между двумя сравниваемыми последовательностями

2 Криптические виды и механизмы их возникновения Многие виды морских и наземных животных оказались комплексами криптических видов, расходившихся в течении миллионов лет Мшанки Жирафы Полихеты Амазонские лягушки

2 Значение выявления криптических видов 1. Понимание характера эволюционных процессов, протекающих в животном мире 2. Изучение биологии, экологии и вредоносности различных криптических видов с целью выявления наиболее опасных/полезных представителей комплекса 3. Внесение поправок в существующие научные представления о составе и экологии сообществ живых существ

3 Значение корректной идентификации видовой принадлежности в биотехнологии животных Manihot esculenta Pseudococcidae Phenacoccus manihoti Matile-Ferrero, 1977

3 Значение корректной идентификации видовой принадлежности в биотехнологии животных Ph. manihoti на листьях маниоки Epidinocarcus lopezi, откладывающая яйца в червеца

3 Биологически активные вещества животного происхождения, получаемые в настоящее время • Гормоны и гормоноподобные соединения • Иммуномодуляторы • Витамины • Нейромедиаторы • Микроэлементы • Ферменты • Биогенные амины

4 Контроль идентификации видов с помощью глобальных систем данных 1. Коллекции тотальных образцов животных, костей, яиц 2. Коллекции ваучеров законсервированных для выделения ДНК) (тотальных образцов, возможного последующего 3. Коллекции проб биоматериала 4. Коллекции образцов нативной ДНК 5. Базы данных секвенированных последовательностей ДНК (полногеномные сиквенсы, сиквенсы маркерных последовательностей, сиквенсы последовательностей хозяйственно значимых генов)

4 Контроль идентификации видов с помощью глобальных систем данных Организации – участники проекта The Frozen Ark The Natural History Museum The Zoological Society of London University of Bedfordshire University of Portsmouth Bristol Zoo Dublin Zoo The Cryo-Brehm Deutsche Zellbank fur Wildtiere, Fraunhofer Institute The Animal Gene Resource Centre Perth Zoo New Zealand Centre for Conservation Medicine The Laboratory for the Conservation of Endangered Species Conservation and Research for Endangered Species (CRES) The Ambrose Monell Laboratory The Wildlife Biological Resource Centre The North of England Zoological Society Vietnam National Museum of Nature and Hoang Lien National Park Cryobiology Research Group The Reproductive Biology Unit, Perth Zoo The New Zealand Centre for Conservation Medicine Coldgene Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig (ZFMK) Kaunas Zoological Museum Leibniz Institute for Zoo & Wildlife (IZW) London Luton, UK Portsmouth, UK Bristol, UK Dublin, Ireland St. Ingbert, Germany Monash University, Melbourne, Australia. Perth, Australia Auckland, New Zealand Hyderabad, India. The Zoological Society of San Diego, California, USA. The American Museum of Natural History, New York, USA. Endangered Wildlife Trust, The National Zoo, South Africa. Chester, UK. Hanoi, Vietnam Luton Institute of Research in the Applied Natural Sciences, UK. Western Australia Auckland Zoological Park, New Zealand. Norway Bonn, Germany Lithuania Berlin, Germany

4 Контроль идентификации видов с помощью глобальных систем данных 1. Коллекции тотальных образцов животных, костей, яиц 2. Коллекции ваучеров законсервированных для выделения ДНК) (тотальных образцов, возможного последующего 3. Коллекции проб биоматериала 4. Коллекции образцов нативной ДНК 5. Базы данных секвенированных последовательностей ДНК (полногеномные сиквенсы, сиквенсы маркерных последовательностей, сиквенсы последовательностей хозяйственно значимых генов)

4 Контроль идентификации видов с помощью глобальных систем данных

4 Установление сроков и путей происхождения животных путем анализа ископаемой ДНК Фрагмент кости предка современной лошади (700 000 лет), найденный в Канаде. ДНК расшифрована в 2013 г. Кости древней собаки (33 000 лет), найденные в 1975 г на Алтае, Россия. ДНК расшифрована в 2012 г.

4 В основе методов молекулярной таксономии и филогении лежат не только законы генетики, но и знания об эволюции живого мира

То, ЧТО мы думаем, гораздо менее сложно, чем то, ЧЕМ мы думаем Станислав Лем