Генетическая концепция вида в приложении к мультилокусным ядерным данным

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

На примере целого ряда видовых групп и сложных видовых комплексов млекопитающих эмпирически показано, что для изучения их генетической дифференциации разрешающей способности набора из 10–20 ядерных локусов недостаточно. Для удовлетворительного анализа филогенетических отношений (включая события ретикуляций) и определения уровня дивергенции в пределах таких групп близкородственных видов необходимо умножение числа ядерных локусов и переход на уровень глубокого секвенирования нового поколения. Однако вопрос о том, какая часть исследуемого генома позволит достигнуть желаемого результата, иными словами, какое именно количество генов необходимо для того, чтобы получить генетическую дистанцию, разрешающую отношения ветвей филогенетического дерева комплекса близкородственных видов, остается открытым. В качестве стандартного набора маркеров мы выбрали белок-кодирующие участки генов. Дистанции для 160–180 генов общей длиной 270–300 тыс. п. н. использовали для оценки уровня дивергенции близких видов млекопитающих. Выяснено, что в большинстве случаев дистанции между видами находятся в диапазоне от 0.15 до 0.75% (медиана 0.33%). Диапазон дистанций между полувидами составляет от 0.12 до 0.28% (медиана 0.14%). Внутривидовые дистанции всегда меньше 0.11%. У грызунов наблюдаются более высокие значения межвидовых дистанций – от 0.25 до 2.3% (медиана 0.72%); дистанции между полувидами находятся в диапазоне от 0.1 до 0.35%. Для определения числа ядерных локусов и их совокупной длины, необходимых для расчета генетической дистанции, использовали симуляции на основании модели, включавшей следующие параметры: средняя скорость эволюции генов, ее дисперсия, уровень полиморфизма в современных и предковых популяциях. Предварительно был проведен анализ распределения скоростей локусов среди таксонов млекопитающих на основе ранее опубликованных данных по ~50 тыс. ядерных маркеров. Показано, что относительная ошибка в 10–15%, сопоставимая с аналогичной величиной для митохондриальных дистанций по отдельным генам (длиной примерно 1000 п. н.) между близкими видами, достигается при использовании около 100 локусов длиной 300 п. н. На основе этих данных выдвинуто следующее предположение: порог межвидовой/внутривидовой генетической дистанции, рассчитываемой по наиболее часто используемым в молекулярной филогенетике млекопитающих экзонам, составляет около 0.15%. Данная гипотеза предполагает признание за формами in statu nascendi видовой ранг. Следует заметить, что не все “хорошие” виды имеют значительные генетические дистанции в связи с тем, что репродуктивные барьеры иногда формируются быстрее, чем накапливаются замены по геному.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Л. Лебедев

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: wslebedev@mail.ru

Зоологический музей

Россия, Москва

С. А. Косушкин

Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН

Email: toki@mail.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32

А. А. Банникова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: hylomys@mail.ru

биологический факультет, кафедра зоологии позвоночных

Россия, 119234, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12

Список литературы

  1. Грицышин В.А., Лисенкова А.А., Сперанская А.С., Артюшин И.В., Шефтель Б.И. и др., 2023. Мультилокусный анализ филогенетических отношений в видовом комплексе Crocidura suaveolens sensu lato: сравнение с митохондриальными данными // Докл. РАН. T. 509. № 3. С. 147–154. https://doi.org/10.1134/S0012496623700308
  2. Лисенкова А.А., Лебедев В.С., Ундрахбаяр Э., Богатырева В.Ю., Мельникова М.Н. и др., 2023. Филогения видового комплекса Dipus sagitta по результатам секвенирования ядерных генов // Докл. РАН. Т. 509. С. 155–160. https://doi.org/10.1134/S0012496623700230
  3. Allio R., Delsuc F., Belkhir K., Douzery E.J., Ranwez V., Scornavacca C., 2024. OrthoMaM v12: A database of curated single-copy ortholog alignments and trees to study mammalian evolutionary genomics // Nucleic Acids Res. V. 52. № D1. Р. D529–D535.
  4. Avise J.C., Ball R.M., 1990. Principles of genealogical concordance in species concepts and biological taxonomy // Oxford Surveys in Evolutionary Biology. V. 7 / Еds Futuyma D.J., Antonovics J. Oxford: Oxford Univ. Press. P. 45–67.
  5. Avise J.C., Johns G.C., 1999. Proposal for a standardized temporal scheme of biological classification for extant species // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 96. P. 7358–7363.
  6. Avise J.C., Liu J.X., 2011. On the temporal inconsistencies of Linnean taxonomic ranks // Biol. J. Linn. Soc. V. 102. P. 707–714. https://doi.org/10.1111/j.1095-8312.2011.01624.x
  7. Avise J.C., Mitchell D., 2007. Time to standardize taxonomies // Syst. Biol. V. 56. № 1. P. 130–133. https://doi.org/10.1080/10635150601145365
  8. Baird S.J., Macholan M., 2012. What can the Mus musculus musculus/M. m. domesticus hybrid zone tell us about speciation? // Turkish J. Zool. V. 30. P. 459–464.
  9. Baker R.J., Bickham J.W., 1986. Speciation by monobrachial centric fusions // Proc. Natl. Acad. Sci. V. 83. P. 8245–8248. https://doi.org/10.1073/pnas.83.21.8245
  10. Baker R.J., Bradley R.D., 2006. Speciation in mammals and the genetic species concept // J. Mammal. V. 87. № 4. P. 643–662. https://doi.org/10.1644/06-MAMM-F-038R2.1
  11. Bateson W., 1909. Heredity and variation in modern lights // Darwin and Modern Science / Еd. Seward A.C. Cambridge: Cambridge Univ. Press. P. 85–101.
  12. Bergeron L.A., Besenbacher S., Zheng J., Li P., Bertelsen M.F., et al., 2023. Evolution of the germline mutation rate across vertebrates // Nature. V. 615. P. 285–290. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05752-y
  13. Bergström A., Stanton D.W., Taron U.H., Frantz L., Sinding M.H.S., et al., 2022. Grey wolf genomic history reveals a dual ancestry of dogs // Nature. V. 607. № 7918. P. 313–320. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04824-9
  14. Bradley B.D., Baker R.J., 2001. A test of the genetic species concept: cytochrome-b sequences and mammals // J. Mammal. V. 82. № 4. P. 960–973. https://doi.org/10.1644/1545-1542(2001)082<0960: ATOTGS>2.0.CO;2
  15. Butlin R.K., 2005. Recombination and speciation // Mol. Ecol. V. 14. № 9. P. 2621–2635.
  16. Coyne J.A., Orr H.A., 2004. Speciation. Sunderland: Sinauer Associates. 545 p.
  17. Dobzhansky T., 1937. Genetics and the Origin of Species. N.-Y.: Columbia Univ. Press. 364 p.
  18. Dobzhansky T., 1950. Mendelian populations and their evolution // Am. Nat. V. 84. № 819. P. 401–418.
  19. Dufresnes C., Lymberakis P., Kornilios P., Savary R., Perrin N., Stöck M., 2018. Phylogeography of Aegean green toads (Bufo viridis subgroup): continental hybrid swarm vs. insular diversification with discovery of a new island endemic // BMC Evol. Biol. V. 18. P. 1–12. https://doi.org/10.1186/s12862-018-1179-0
  20. Fedorova L., Fedorov A., 2003. Introns in gene evolution // Origin and Evolution of New Gene Functions / Ed. Long M. Dordrecht: Springer. 199 p.
  21. Feng Y.-J., Blackburn D.C., Liang D., Hillis D.M., Wake D.B., et al., 2017. Phylogenomics reveals rapid, simultaneous diversification of three major clades of Gondwanan frogs at the Cretaceous–Paleogene boundary // Proc. Natl. Acad. Sci. V. 114. № 29. P. E5864–E5870. https://doi.org/10.1073/pnas.1704632114
  22. Fletcher W., Yang Z., 2009. INDELible: A flexible simulator of biological sequence evolution // Mol. Biol. Evol. V. 26. № 8. P. 1879–1888. https://doi.org/10.1093/molbev/msp098
  23. Gavrilets S., 2003. Perspective: Models of speciation: What have we learned in 40 years? // Evolution. V. 57. № 10. P. 2197–2215. https://doi.org/10.1111/j.0014-3820.2003.tb00233.x
  24. Good J.M., Dean M.D., Nachma M.W., 2008. A complex genetic basis to X-linked hybrid male sterility between two species of house mice // Genetics. V. 179. P. 2213–2228. https://doi.org/10.1534/genetics.107.085340
  25. Gorin V.A., Solovyeva E.N., Hasan M., Okamiya H., Karunarathna D.M.S.S., et al., 2020. A little frog leaps a long way: compounded colonizations of the Indian Subcontinent discovered in the tiny Oriental frog genus Microhyla (Amphibia: Microhylidae) // Peer J. V. 8. Art. e9411. https://doi.org/10.7717/peerj.9411
  26. Grubb P., 2005. Order Artiodactyla // Mammal Species of the World: A Taxonomic and Geographic Reference. 3rd ed. / Eds Wilson D.E., Reeder D.M. Maryland: Johns Hopkins Univ. Press. P. 637–722.
  27. Hecker N., Hiller M., 2020. A genome alignment of 120 mammals highlights ultraconserved element variability and placenta-associated enhancers // Gigascience. V. 9. № 1. Art. giz159. https://doi.org/10.1093/gigascience/giz159
  28. Hedges S.B., Kumar S., 2003. Genomic clocks and evolutionary timescales // Trends Genet. V. 19. № 4. P. 200–206. https://doi.org/10.1016/S0168-9525(03)00053-2
  29. Hennig W., 1966. Phylogenetic Systematic. Urbana: Univ. of Illinois Press. 284 p.
  30. Hofman S., Spolsky C., Uzzell T., Cogălniceanu D., Babik W., Szymura J.M., 2007. Phylogeography of the fire‐bellied toads Bombina: independent Pleistocene histories inferred from mitochondrial genomes // Mol. Ecol. V. 16. № 11. P. 2301–2316. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2007.03309.x
  31. Kamei R.G., Mauro D.S., Gower D.J., Bocxlaer I., van, Sherratt E., et al., 2012. Discovery of a new family of amphibians from northeast India with ancient links to Africa // Proc. Roy. Soc. Lond. B. Biol. Sci. V. 279. № 1737. P. 2396–2401. https://doi.org/10.1098/rspb.2012.0150
  32. Katoh K., Standley D.M., 2013. MAFFT multiple sequence alignment software version 7: Improvements in performance and usability // Mol. Biol. Evol. V. 30. № 4. P. 772–780. https://doi.org/10.1093/molbev/mst010
  33. Lebedev V.S., Shenbrot G.I., Krystufek B., Mahmoudi A., Melnikova M.N., et al., 2022. Phylogenetic relations and range history of jerboas of the Allactaginae subfamily (Dipodidae, Rodentia) // Sci. Rep. V. 12. № 1. Art. 842. https://doi.org/10.1038/s41598-022-04779-x
  34. Mackiewicz P., Matosiuk M., Świsłocka M., Zachos F.E., Hajji G.M., et al., 2022. Phylogeny and evolution of the genus Cervus (Cervidae, Mammalia) as revealed by complete mitochondrial genomes // Sci. Rep. V. 12. Art. 16381. https://doi.org/10.1038/s41598-022-20763-x
  35. Mallet J., 2007. Subspecies, semispecies, superspecies // Encyclop. Biodivers. V. 5. P. 523–526.
  36. Masters J.C., Spencer H.G., 1989. Why we need a new Genetic Species Concept // Syst. Biol. V. 38. № 3. P. 270–279. https://doi.org/10.2307/2992287
  37. Mayden R.L., 1997. A hierarchy of species concepts: The denouement in the saga of the species problem // Species: the Units of Biodiversity / Eds Claridge M.F., Dawah H.A., Wilson M.R. L.: Chapman & Hall. P. 381–424.
  38. Mayr E., 1942. Systematics and the Origin of Species. N.-Y.: Columbia Univ. Press. 334 p.
  39. Mayr E., 1969. The biological meaning of species // Biol. J. Linn. Soc. V. 1. № 3. P. 311–320.
  40. Meredith R.W., Janecka J.E., Gatesy J., Ryder O.A., Fisher C.A., et al., 2011. Impacts of the Cretaceous Terrestrial Revolution and KPg extinction on mammal diversification // Science. V. 334. № 6055. P. 521–524. https://doi.org/10.1126/science.1211028
  41. Muller H.J., 1939. Reversibility in evolution considered from the standpoint of genetics // Biol. Rev. V. 14. № 3. P. 261–280.
  42. Nei M., 1976. Mathematical models of speciation and genetic distance // Population Genetics and Ecology / Eds Karlin S., Nevo E. N.-Y.: Academic Press. P. 723–765.
  43. Poyarkov N.A., Orlova V.F., Chirikova M.A., 2014. The mitochondrial phylogeography and intraspecific taxonomy of the Steppe Racerunner, Eremias arguta (Pallas) (Lacertidae: Sauria, Reptilia), reflects biogeographic patterns in Middle Asia // Zootaxa. V. 3895. № 2. P. 208–224.
  44. Queiroz K., de, Gauthier J., 1992. Phylogenetic taxonomy // Annu. Rev. Ecol. Syst. V. 23. P. 449–480.
  45. Raspopova A.A., Lebedev V.S., Searle J.B., Bannikova A.A., 2023. Discordant phylogenies in the Sorex araneus group (Soricidae, Mammalia): Footprints of past reticulations? // Zool. Scr. V. 52. № 4. P. 331–344. https://doi.org/10.1111/zsc.12590
  46. Reis M., dos, Inoue J., Hasegawa M., Asher R.J., Donoghue P.C., Yang Z., 2012. Phylogenomic datasets provide both precision and accuracy in estimating the timescale of placental mammal phylogeny // Proc. Roy. Soc. Lond. Ser. B. Biol. Sci. V. 279. № 1742. P. 3491–3500. https://doi.org/10.1098/rspb.2012.0683
  47. Salvi D., Pinho C., Mendes J., Harris D.J., 2021. Fossil-calibrated time tree of Podarcis wall lizards provides limited support for biogeographic calibration models // Mol. Phyl. Evol. V. 161. Art. 107169. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2021.107169
  48. Schilthuizen M., 2000. Dualism and conflicts in understanding speciation // BioEssays. V. 22. № 12. P. 1135–1141.
  49. Schöneberg Y., Winter S., Arribas O., Nicola M.R., Master M., et al., 2023. Genomics reveals broad hybridization in deeply divergent Palearctic grass and water snakes (Natrix spp.) // Mol. Phyl. Evol. V. 184. Art. 107787. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2023.107787
  50. Simpson G.G., 1943. Criteria for genera, species, and subspecies in zoology and paleontology // Ann. N.Y. Acad. Sci. V. 44. № 2. P. 145–178.
  51. Singh B.N., 2021. Taxonomic status of Drosophila pallidosa: A species in statu nascendi // J. Sci. Res. V. 65. № 1. P. 85–87.
  52. Swofford D.L., 2003. PAUP*. Phylogenetic analysis using parsimony (*and other methods). v. 4.0b10. Sunderland: Sinauer Associates.
  53. Taverner P.A., 1920. A test of the subspecies // J. Mammal. V. 1. № 3. P. 124–127.
  54. Veith M., Kosuch J., Vences M., 2003. Climatic oscillations triggered post-Messinian speciation of Western Palearctic brown frogs (Amphibia, Ranidae) // Mol. Phyl. Evol. V. 26. № 2. P. 310–327. https://doi.org/10.1016/S1055-7903(02)00324-X
  55. Webster A.J., Payne R.J.H., Pagel M., 2003. Molecular phylogenies link rates of evolution and speciation // Science. V. 301. № 5632. P. 478. https://doi.org/10.1126/science.1083202
  56. Yang B.T., Zhou Yu., Min M.S., Matsui M., Dong B.J., et al., 2017. Diversity and phylogeography of Northeast Asian brown frogs allied to Rana dybowskii (Anura, Ranidae) // Mol. Phyl. Evol. V. 112. P. 148–157. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2017.04.026
  57. Zhang D.X., Hewitt G.M., 2003. Nuclear DNA analyses in genetic studies of populations: practice, problems and prospects // Mol. Ecol. V. 12. № 3. P. 563–584. https://doi.org/10.1046/j.1365-294X.2003.01773.x
  58. Zhang P., Wake D.B., 2009. Higher-level salamander relationships and divergence dates inferred from complete mitochondrial genomes // Mol. Phyl. Evol. V. 53. № 2. P. 492–508. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2009.07.010

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Диапазон межвидовой и внутривидовой изменчивости: а – для разных отрядов млекопитающих, б – для отряда Rodentia.

Скачать (311KB)
Метаданные
3. Приложение
Скачать (457KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024