ИСТОРИЯ ОДНОГО ВИДА

В. Микрюков: Изучение живых организмов на загрязненных человеком территориях не только необходимо для поиска путей восстановления экосистем, но и чрезвычайно интересно само по себе. В популяциях растений и животных в таких местообитаниях за относительно короткий, конечно, в эволюционном масштабе, промежуток времени проходят процессы приспособления к новым условиям. Эти процессы — своеобразная модель микроэволюции, и в них, как и вообще в эволюции, ключевую роль играют механизмы размножения.

О колоссальном значении для современной биосферы насекомых-опылителей в наше время известно даже детям. Например, в рассказе Виталия Бианки «Сова» описаны печальные последствия исчезновения опылителей клевера — шмелей: «… Шмели на чужих лугах гуляют, а на Стариков луг и не заглядывают. Клевер на лугу не родится. Корова без клеверу тощает…». А в мультфильме «Медовый заговор» (“Bee movie”) и вовсе представлена катастрофа планетарного масштаба — в течение лета без пчел гибнут все растения.

О. Дуля: На самом деле примерно для 60% видов цветковых растений вряд ли немедленно наступят катастрофические последствия, поскольку эти виды способны к самоопылению, при котором пыльца из пыльников переносится и прорастает на рыльце пестика того же цветка. Вообще самоопыление выполняет главным образом страхующую функцию, т.е. обеспечивает выживание популяции при нехватке партнеров для скрещивания или недостатке опылителей. Как и продолжительное близкородственное скрещивание, самоопыление в течение многих поколений отрицательно сказывается на генетическом разнообразии и жизнеспособности популяции, поскольку увеличивает частоту встреч одинаковых аллелей (т.е. вариантов какого-либо гена) и тем самым повышает вероятность встречи вредных аллелей, а значит, и вероятность проявления неблагоприятных признаков (так называемую инбредную депрессию). По этой причине у многих видов растений в ходе эволюции появились разнообразные механизмы, препятствующие попаданию или прорастанию собственной пыльцы на рыльце пестика. Но в некоторых случаях самоопыление может играть положительную роль, так как способствует закреплению в популяции аллелей, ответственных за полезные для новых условий признаки, или изоляции от соседних популяций, обитающих в других условиях. Этот феномен исследователи наблюдали при заселении загрязненных территорий особями с повышенной металлоустойчивостью. Изучение целого ряда видов, обитающих на отвалах горнодобывающих шахт Великобритании, Бельгии и Франции, показало, что естественный отбор по признаку повышенной металлоустойчивости увеличивает частоту особей, склонных к самоопылению, поскольку семенное потомство самоопыляющихся материнских растений с повышенной металлоустойчивостью также устойчиво к тяжелым металлам. По данным ученых из Университета Монпелье (Франция), только для одного вида — ярутки лесной — верна обратная закономерность: частота самоопыления в металлоустойчивых популяциях этого вида на загрязненных территориях ниже, чем на чистых.

О. Дуля: Этот вид принадлежит к семейству гвоздичных, уже более ста лет привлекающего внимание исследователей высоким разнообразием систем размножения. Представители этого семейства сильно различаются по склонности к самоопылению. Некоторые виды, например, смолевка безлепестная и смолевка ночецветная, размножаются почти только самоопылением, другие — исключительно перекрестным опылением, а у остальных доля потомства, получившегося в результате самоопыления, меняется в зависимости от условий среды. К числу последних относится и кукушкин горицвет, самоопыление которого ограничивается тем, что созревание пыльников происходит раньше созревания пестиков. Этот широко распространенный вид можно встретить на сырых лугах, лесных полянах и лесных просеках. Кукушкин горицвет не считается исчезающим видом, но в некоторых странах Европы из-за расширения сельхозугодий луга фрагментируются и деградируют, и луговые виды оказываются под угрозой.

Вопрос о том, каков вклад самоопыления в размножении этого вида, уже давно интересовал разных исследователей. А для нас кукушкин горицвет любопытен еще и тем, что на Урале он встречается в районах, сильно загрязненных промышленными выбросами, в частности вблизи крупнейшего металлургического предприятия Свердловской области — Среднеуральского медеплавильного завода. В 1980-е ежегодная масса выбросов СУМЗа достигала 225 тыс. тонн, и хотя к 2010 году они постепенно снизились до 5 тыс. тонн, содержание тяжелых металлов в почве вблизи завода еще долго будет оставаться в десятки и сотни раз выше, чем на чистых территориях. Ранее мы установили, что вблизи СУМЗа кукушкин горицвет более устойчив к тяжелым металлам и имеет карликовые размеры, т.е. обладает признаками приспособления к условиям загрязнения. Нас заинтересовало, какова история металлоустойчивых популяций этого вида  и какую роль самоопыление может играть в его приспособлении к таким условиям. В поисках ответов на эти вопросы мы сравнили молекулярно-генетические данные, полученные для популяций кукушкина горицвета из чистых, а также из умеренно и сильно загрязненных местообитаний.

В. Микрюков: Для реконструкции истории популяции уже достаточно давно используют генотипирование особей из популяции с помощью микросателлитных маркеров ядерной ДНК. Мы провели генотипирование взрослых растений и их семян с использованием шести микросателлитных локусов, т.е. участков ДНК. Этот метод анализа аналогичен тому, который применяется для ДНК-идентификации человека, но из-за сложности последующих расчетов, связанных с такими особенностями размножения растений, как самоопыление, мужская и женская полигамия, для анализа репродуктивных процессов в популяциях растений его только начинают использовать. С помощью метода реконструкции родственных отношений по полученным генетическим данным мы рассчитали, какие из собранных семян вероятнее всего образовались в результате самоопыления, а какие появились в ходе скрещивания разных особей. В основе этого метода лежит простое предположение о том, что если у потомка обнаружены аллели, отличные от аллелей материнского организма, то наиболее вероятно, что они были принесены с пыльцой чужеродного отцовского растения. Отсутствие же различий между аллелями материнского растения и потомка скорее всего свидетельствует о его происхождении путем самоопыления.

Но не все так просто: расчет вероятностей этих событий не сводится только к поиску совпадений аллелей между особями. Необходимо учитывать скорость мутирования микросателлитов, чтобы исключить долю несовпадений, обусловленных случайными мутациями. А поскольку в генетическом анализе, как и в любом другом, есть свои погрешности измерения, то необходимо рассчитать и учесть частоту погрешностей генотипирования и так называемых нуль-аллелей, то есть тех аллелей, которые не проявляются на генетическом профиле из-за мутаций в месте прикрепления праймера. Праймер — это такая искусственная короткая молекула ДНК, которую используют для затравки синтеза интересующего участка генома. Если у организма мутировал участок, используемый для прикрепления праймера, то праймер не «сядет» на него, и интересующий нас участок не синтезируется.

Кроме того в ходе работы мы столкнулись с трудностями в анализе данных: из-за сниженного генетического разнообразия в некоторых популяциях сильно загрязненной территории результаты, полученные с помощью разных методов реконструкции родственных отношений, значительно расходились. И все же в результате анализа генетического разнообразия нам удалось реконструировать историю исследуемых популяций.

В. Микрюков: Оказалось, что в популяциях, обитающих в непосредственной близости от источника загрязнения — СУМЗа, сильно снижено аллельное разнообразие. Это означает, что эти популяции взяли начало от очень малого количества особей, испытав «эффект основателя» или же «эффект бутылочного горлышка», когда, например, из-за токсического стресса погибло большинство особей. Однако в последних поколениях их плотность значительно увеличилась, а также усилился обмен генами между соседними популяциями. В отношении одной из популяций кукушкина горицвета мы даже можем говорить о «популяционном взрыве», т.е. резком росте численности особей в ней. Вероятно, это происходит из-за того, что лесные массивы становятся менее густыми под действием загрязнения, а значит, расширяются подходящие для этого вида местообитания и интенсифицируется перенос пыльцы между соседними популяциями. Также возможно снижение негативного влияния кислотных выпадений вследствие уменьшения выбросов завода в последнее десятилетие.

Выяснилось также, что только от 7 до 23% семенного потомства в популяции кукушкина горицвета образуется в результате самоопыления, т.е. роль его невелика. При этом частота самоопыления у особей из чистых и загрязненных местообитаний одинакова и не изменяется по мере приближения к заводу. Эти результаты согласуются с результатами, полученными коллегами из Франции для ярутки лесной с отвалов шахт по добыче цинка и свинца.

Таким образом, результаты реконструкции родственных отношений опровергли исходное предположение о том, что самоопыление у кукушкина горицвета выступает в качестве механизма приспособления вида к загрязнению или изоляции от соседних не устойчивых к тяжелым металлам популяций. Очевидно, у этого вида оно выполняет только страхующую функцию.

О. Дуля: У этого вида действительно интересное название. В некоторых языках есть варианты, не имеющие ничего общего с кукушкой. Так, в Великобритании его принято называть ragged robin, что, вероятно, связано с сильной рассеченностью лепестков (rag по-английски — лохмотья) и ярко-розовым цветом, поскольку слово robin есть в названиях таких певчих красногрудых птиц, как зарянка, дрозд, малиновка, снегирь. В Исландии это мю́нкахета (munkahetta), т.е. капюшон монаха. В других странах это свадебный, змеиный, шелковый цветок. Но кукушка все-таки упоминается в названии этого вида во многих европейских языках, к примеру, в немецком: ку́кукснёльке (Kuckucksnelke) — кукушкина гвоздика, во французском — флёр де ку́ку (fleur de coucou) — цветок кукушки. Кто-то это связывает с тем, что растение массово цветет во время кукования кукушек. Его сложно не заметить на лугу — у него цветы яркие, и иногда кажется, что они флуоресцируют. В России его называют горицвет кукушкины слезки или кукушкины слюнки. Похожее название есть в финском языке – кя́рменсюлкеа (käärmeensylkeä), что дословно означает змеиная слюна. Некоторые объясняют такое название тем, что на цветоносе растения часто встречаются хлопья пены (вы могли заметить такие хлопья на стеблях некоторых других растений). Они безопасны для нас и представляют собой вспененные выделения личинок пенницы слюнявой, насекомого из подотряда цикадовых, которые питаются соком растения. А примерно в 1730 году Карл Линней, основоположник биноминальной системы названий в биологии, закрепил имя кукушки в латинском научном названии растения Lychnis flos-cuculi. Начиная с 1940-х годов в гербарных коллекциях можно встретить около 11 синонимов его научного названия. Биологи-систематики постоянно дискутировали на эту тему, поскольку таксономическую принадлежность разных видов в пределах семейства гвоздичных долгое время основывали на строении репродуктивного аппарата (а он, как мы уже говорили, очень изменчивый в этом семействе). Только совсем недавно ясность внесли филогенетики, доказав, что этот вид эволюционно близок к представителям рода Silene. Но в течение этой пятидесятилетней дискуссии изменялся только родовой эпитет, а видовой по-прежнему представляет частицу фольклора.

Вообще проблемы таксономических названий живых организмов постоянно о себе напоминают, независимо от того, в какой области биологии вы работаете. Хотя наши диссертации, как и работы многих наших коллег, посвящены экологии живых объектов и далеки от таксономии, нам приходится отдельно и подробно обосновывать выбор таксономического названия объектов исследования. Как правило, мы придерживаемся компромисса между использованием новейших результатов в области классификации живых организмов и постоянством их названий. И последнее обстоятельство — постоянство названия — особенно важно для специалистов в областях, напрямую не связанных с систематикой. В работе, которую мы с вами сейчас обсуждаем, мы придерживаемся названия Lychnis flos-cuculi (хотя согласно последней систематической сводке это растение правильно было бы называть Silene flos-cuculi). Это название используется как основное в 85% работ, посвященных экологии, физиологии, популяционной генетике и биохимии этого вида, и служит основным ориентиром при поиске исследователями необходимой информации в библиотеках и электронных ресурсах.