Метод выявления и определения типов несоответствий между филогенетическими деревьями, построенными по ядерным и митохондриальным маркерам

В древних пресноводных озерах наблюдается аномально большой видовой состав организмов. Механизмы, которые обусловили формирование биоразнообразия в древних озерах, еще недостаточно изучены. Микроэволюционные процессы, приводящие в конечном итоге к видообразованию, включают в себя в качестве элементарных процессов изменения численности особей, миграцию и репродуктивную изоляцию. В природных условиях, особенно в такой сложной экосистеме, как экосистема Байкала, комбинации микроэволюционных процессов могут носить самый причудливый характер и порождать необычные «узоры» генетической изменчивости видов. К наиболее необычным следам сложных видообразовательных процессов относятся унаследованный полиморфизм, а также митохондриальная и ядерная интрогрессии. Эти явления диагностируются на основании сравнения топологий филогенетических деревьев, построенных по ядерным и митохондриальным молекулярным маркерам эволюции. Особенно интересный и сложный случай – митохондриальная и ядерная интрогрессия, представляющая собой процесс включения аллелей генов одного вида в генофонд сестринского вида при межвидовой гибридизации (интрогрессивная гибридизация). Часто существующие методы анализа генетического полиморфизма не позволяют автоматически находить объяснение наблюдаемых картин полиморфизма и, следовательно, предлагать гипотезы, которые бы раскрыли механизмы, породившие эти картины. В настоящей работе мы используем модели адаптивной динамики для изучения нейтральной молекулярной эволюции при различных сценариях взаимодействия между сестринскими видами и окружающей средой. Мы предлагаем набор критериев для определения того, как могут различаться два эволюционных дерева, построенных с использованием последовательностей ядерной и митохондриальной ДНК. Моделирование показывает, что критерии позволяют быстро и автоматически выявлять различные типы интрогрессии, вторичные нарушения репродуктивных барьеров и неполное расхождение видов.

митохондриальная интрогрессия, неполная сортировка родословной, древние озера, симпатрическое видообразование, парапатрическое видообразование, разногласия между филогениями, озеро Байкал

1. Anisimova M., Gascuel O. Approximate likelihood-ratio test for branches: a fast, accurate, and powerful alternative. Syst. Biol. 2006; 55(4):539-552. DOI 10.1080/10635150600755453.

2. Brooks J.L. Speciation in ancient lakes (concluded). Quart. Rev. Biol. 1950;25(2):131-176. DOI 10.1086/397539.

3. Felsenstein J., Felenstein J. Inferring Phylogenies. Vol. 2. Sinauer Associates. Sunderland, 2004.

4. Folmer O., Black M., Hoeh W., Lutz R., Vrijenhoek R. DNA primers for amplification of mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I from diverse metazoan invertebrates. Mol. Mar. Biol. Biotechnol. 1994;3:294-299.

5. Grimm V., Railsback S.F. Individual-Based Modeling and Ecology. Princeton: Princeton University Press, 2005.

6. Guindon S., Dufayard J.F., Lefort V., Anisimova M., Hordijk W., Gascuel O. New algorithms and methods to estimate maximum-likelihood phylogenies: assessing the performance of PhyML 3.0. Syst. Biol. 2010;59(3):307-321. DOI 10.1093/sysbio/syq010.

7. Huerta-Cepas J., Dopazo J., Gabaldón T. ETE: a python environment for tree exploration. BMC Bioinformatics. 2010;11(1);24. DOI 10.1186/1471-2105-11-24.

8. Kéver L., Parmentier E., Derycke S., Verheyen E., Snoeks J., Steenberge M., Poncin P. Limited possibilities for prezygotic barriers in the reproductive behaviour of sympatric Ophthalmotilapia species (Teleostei, Cichlidae). Zoology. 2018;126:71-81. DOI 10.1016/j.zool.2017.12.001.

9. Nazar R.N., Roy K.L. Nucleotide sequence of rainbow trout (Salmo gairdneri) ribosomal 5.8 S ribonucleic acid. J. Biol. Chem. 1978; 253(2):395-399.

10. Nevado B., Koblmüller S., Sturmbauer C., Snoeks J., Usano-Alemany J., Verheyen E. Complete mitochondrial DNA replacement in a Lake Tanganyika cichlid fish. Mol. Ecol. 2009;18(20):4240-4255. DOI 10.1111/j.1365-294X.2009.04348.x.

11. Peretolchina T.E., Bukin Y.S., Sitnikova T.Y., Sherbakov D.Y. Genetic differentiation of the endemic Baikalian mollusk Baicalia carinata (Mollusca: Caenogastropoda). Russ. J. Genet. 2007;43(12):14001407. DOI 10.1134/S1022795407120095.

12. Salzburger W., Van Bocxlaer B., Cohen A.S. Ecology and evolution of the African Great Lakes and their faunas. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 2014;45:519-545. DOI 10.1146/annurev-ecolsys-120213-091804.

13. Schön I., Martens K. Molecular analyses of ostracod flocks from Lake Baikal and Lake Tanganyika. Hydrobiologia. 2012;682(1):91-110. DOI 10.1007/s10750-011-0935-6.

14. Semovski S.V., Verheyen E., Sherbakov D.Y. Simulating the evolution of neutrally evolving sequences in a population under environmental changes. Ecol. Modelling. 2004;176(1-2):99-107. DOI 10.1016/j.ecolmodel.2003.07.013.

15. Sherbakov D.Y. Molecular phylogenetic studies on the origin of biodiversity in Lake Baikal. Trends Ecol. Evol. 1999;14(3):92-95. DOI 10.1016/S0169-5347(98)01543-2.

16. Sitnikova T., Kovalenkova M., Peretolchina T., Sherbakov D. A new, genetically divergent species of Pseudobaikalia Lindholm, 1909 (Caenogastropoda, Baicaliidae). ZooKeys. 2016;593:1. DOI 10.3897/zookeys.593.8511.

17. Sokolov E.P. An improved method for DNA isolation from mucopolysaccharide-rich molluscan tissues. J. Moll. Stud. 2000;66(4):573-575. DOI 10.1093/mollus/66.4.573.

18. Sturmbauer C., Salzburger W., Duftner N., Schelly R., Koblmüller S. Evolutionary history of the Lake Tanganyika cichlid tribe Lamprologini (Teleostei: Perciformes) derived from mitochondrial and nuclear DNA data. Mol. Phylogenet. Evol. 2010;57(1):266-284. DOI 10.1016/j.ympev.2010.06.018.

19. Toews D.P.L., Brelsford A. The biogeography of mitochondrial and nuclear discordance in animals. Mol. Ecol. 2012;21(16):3907-3930. DOI 10.1111/j.1365-294X.2012.05664.x.

20. Zubakov D.I., Shcherbakov D.I., Sitnikova T.I. Analysis of phylogeny of endemic mollusca of family Baicaliidae, Clessin 1878 (Gastropoda, Pectinibranchia) from Baical lake using fragments of nucleotide sequences of the mitochondrial gene CO1. Mol. Biol. (Moscow). 1997;31(6):1092-1097.