Геномный подход к установлению границ межвидовой и внутривидовой дивергенции у морских беспозвоночных

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-74-10006

НазваниеГеномный подход к установлению границ межвидовой и внутривидовой дивергенции у морских беспозвоночных

Руководитель Екимова Ирина Александровна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №111 - Конкурс 2025 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-101 - Зоология

Ключевые слова Моллюски, морфология, митохондриальные геномы, популяционная генетика, генетическая структура, филогения, филогеография, видообразование, гибридизация, адаптивная радиация, отбор

Код ГРНТИ34.33.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение явления высокого генетического полиморфизма, выявление механизмов формирования биологического разнообразия, изучение процессов видообразования и гибридизации, и установление видовых границ в контексте современной синтетической теории эволюции, что является одними из ключевых фундаментальных проблем современной биологии. Цель предлагаемого Проекта – сравнительный интегративный анализ природы высокого генетического полиморфизма в комплексах криптических видов морских беспозвоночных животных и между отдельными популяциями широко распространенных видов. В качестве объектов исследования выбраны различные представители голожаберных моллюсков, демонстрирующие высокий внутривидовой или небольшой межвидовой полиморфизм и обладающие широким ареалом. Выбор таксонов обусловлен полученными ранее результатами по биологическому и генетическому разнообразию широко распространенных видов. Задачи проекта подразумевают как сравнительный аспект по различным таксонам голожаберных моллюсков (подотряды Doridina и Cladobranchia), с различным географическим распространением (арктические, бореальные и тропические таксоны), так и по спектру применяемых молекулярно-генетических методов. Это позволит сравнить их эффективность в решении поставленных задач, а также дать полную характеристику изменчивости и дивергенции различных частей генома (митохондриального и ядерного), с высокой точностью оценить популяционную структуру, а также выявить случаи генетической изоляции или гибридизации удаленных популяций. Кроме того, в рамках проекта будут проведены морфологические и экологические исследования, что позволит дать практически полную характеристику изучаемых видовых комплексов на различных уровнях организации – от геномных до организменных и популяционных. Полученные данные позволят четко установить наличие или отсутствие потока генов между популяциями и однозначно выявить случаи гибридизации, а также установить общие критерии и подходы для разделения близких, криптических комплексов видов. Будут впервые получены полные митохондриальные геномы представителей родов Cadlina, Zelentia, Pteraeolidia, Dendronotus и на их базе проведен молекулярно-филогенетический анализ с учетом не только последовательностей отдельных генов, но и структуры митохондриальных геномов. Впервые будет проведено секвенирование с использованием технологии получения длинных прочтений (системы Nanopore, PacBio) и анализ полногеномных данных для представителей рода Cadlina. Впервые будет оценена структура популяций голожаберных моллюсков методом секвенирования последовательностей, прилегающих к сайтам рестрикции методом двойной рестрикции (ddRADseq), что позволит с высокой точностью оценить популяционную структуру, а также выявить случаи генетической изоляции или гибридизации удаленных популяций. В этом случае полученные результаты будут сравнены с классическими подходами к изучению структуры популяций по отдельным митохондриальным маркерам (COI), а также с полученными результатами по филогении полных митохондриальных геномов.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будет впервые с применением полного спектра современных молекулярно-генетических подходов, а также морфологических и экологических исследований, исследованы комплексы криптических видов четырех родов голожаберных моллюсков, что позволит дать практически полную характеристику изучаемых видовых комплексов на различных уровнях организации – от геномных до организменных и популяционных. Полученные данные позволят четко установить наличие или отсутствие потока генов между популяциями и однозначно выявить случаи гибридизации, а также установить общие критерии и подходы для разделения близких, криптических комплексов видов. В результате выполнения предлагаемого проекта предполагается получение системно значимых результатов, необходимых для установления объективных критериев оценки биоразнообразия морских беспозвоночных животных. Поскольку в центре предлагаемого Проекта стоит изучение явления высокого генетического полиморфизма, полученные данные не будут ограничены объектом исследования (голожаберные моллюски), а будут иметь общебиологическое значение и могут быть экстраполированы на широкий спектр таксонов. Будут впервые получены полные митохондриальные геномы представителей родов Cadlina, Zelentia, Pteraeolidia, Dendronotus и на их базе проведен молекулярно-филогенетический анализ с учетом не только последовательностей отдельных генов, но и структуры митохондриальных геномов. Впервые будет проведено секвенирование с использованием технологии получения длинных прочтений (системы Nanopore, PacBio) и анализ полногеномных данных для представителей рода Cadlina. Впервые будет оценена структура популяций голожаберных моллюсков методом секвенирования последовательностей, прилегающих к сайтам рестрикции методом двойной рестрикции (ddRADseq), что позволит с высокой точностью оценить популяционную структуру, а также выявить случаи генетической изоляции или гибридизации удаленных популяций. В этом случае полученные результаты будут сравнены с классическими подходами к изучению структуры популяций по отдельным митохондриальным маркерам (COI), а также с полученными результатами по филогении полных митохондриальных геномов. Исследования будут проводиться на высоком методическом уровне, включающим современные молекулярные методы, включая методы ДНК-штрихкодирования, молекулярного разделения видов, анализа полногеномных данных (анализ митохондриальных геномов и ddRADseq), молекулярной филогении, филогеографии, популяционной генетики; морфологические методы: световую и сканирующую электронную микроскопию; экологические методы: прижизненные наблюдения за процессом питания, анализ содержимого желудков с применением современных методов микроскопии и молекулярно-генетических методов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2026 году
В первый год реализации проекта проведены запланированные полевые исследования, а также ряд дополнительных экспедиций и лабораторных работ, позволивших получить новые фундаментальные данные о молекулярной эволюции, филогеографии и скрытом разнообразии морских голожаберных моллюсков северной Пацифики и прилегающих морей. Полевые и экспедиционные работы. В апреле–мае 2025 года выполнена экспедиция в бухту Рудная (Японское море) с легководолазными погружениями, для сбора материала, в том числе живых особей Cadlina spp. для последующего геномного секвенирования. В мае–июне 2025 года будет проведена экспедиция на Сахалин (залив Анива). Дополнительно осуществлён выезд во Владивосток для работы с музейными коллекциями Национального научного центра морской биологии ДВО РАН, включая уникальные сборы с Курильских островов и из Вьетнама. Основные научные результаты. 1. Криптическое разнообразие и гетероплазмия у Cadlina laevis complex. Выявлена гетероплазмия митохондриальной ДНК у дальневосточных популяций Cadlina spp.: у 13 проанализированых особей из Японского, Охотского морей и с Курильских островов обнаружены два варианта мтДНК – «мажорный» и «минорный». У беломорских особей гетероплазмия отсутствует. Минорные геномы имеют делеции в регионах рибосомальных генов (16S, 12S) и контрольном регионе; секвенирование по Сэнгеру подтвердило, что это не артефакт сборки. При этом в сборках присутствуют фрагменты минорных 16S и 12S. Филогенетический анализ показал: мажорные геномы формируют четыре филогенетические линии, тогда как минорные представлены всего двумя вариантами, что указывает на сложную эволюционную историю и возможную функциональную редукцию. В мажорных геномах обнаружен протяжённый регион (около 600 п.н.) с открытой рамкой считывания, отсутствующий в одном из вариантов минорного генома. Выявлены образцы Cadlina с Курильских островов, глубоко расходящиеся по молекулярным данным (сестринский ко всему роду) и имеющие уникальную морфологию радулы (отсутствие рахидиального зуба и зубчиков на латеральных зубах). 2. Комплекс видов Pteraeolidia semperi во Вьетнаме. На основе ядерных и митохондриальных маркеров подтверждено, что P. semperi представляет собой комплекс видов. В прибрежных водах Вьетнама выявлены две глубоко дивергировавшие клады (А и Б), различающиеся окраской, пигментацией оральных щупалец и характером ветвления церат, но не имеющие различий в строении радулы и половой системе. Показана географическая структурированность, наибольшее разнообразие (обе клады) отмечено в центральном Вьетнаме (Нячанг). Полные митохондриальные геномы обеих клад сохраняют типичный для Metazoa набор генов, но различаются по длине, нуклеотидной асимметрии и структуре межгенных регионов. У представителя Клады А выявлена утрата консервативного N-концевого мотива MPQL в гене atp8 при сохранении гидрофобного профиля, что свидетельствует об ускоренной эволюции митохондриального генома в этой линии. 3. Пересмотр видов Zelentia На основе интегративного подхода (молекулярная филогения, морфология, экология) предложено синонимизировать Z. roginskae с Z. pustulata. Выявлено четыре клады, при этом представители трёх из них обитают симпатрически в Белом море, иногда на одних колониях гидроидов, но не имеют значимых морфологических отличий. Значения p-дистанций по COI внутри клад перекрываются с межвидовыми, автоматические делимитационные методы не подтверждают самостоятельный статус этих видов. Анализ транскрибируемых спейсеров (ITS1-ITS2) не выявил разделения на митохондриальные гаплогруппы, что указывает на существующий поток генов. Оценка времени дивергенции (~0,79 млн лет назад, плейстоцен) и популяционный анализ показывают, что наблюдаемая митохондриальная изменчивость – следствие временных изоляций в ледниковые периоды, а не видообразования. 4. Новые виды и метабаркодинг у Dendronotus lacteus complex. Идентифицировано три новых для науки вида в составе комплекса D. lacteus по молекулярным и морфологическим данным. В митохондриальных геномах обнаружена гетероплазмия в контрольном регионе. Изучено содержимое желудков у дендронотусов по маркеру 28S: выявлен широкий спектр пищевых объектов – гидроиды рода Thuiaria, морские перья (Pennatulacea), губки, асцидии, полихеты Sabellidae, офиуры (Gorgonocephalus, Ophiopholis), а также морские грибы и гастротрихи. Маркер 16S оказался непригоден из-за неспецифической амплификации мтДНК хозяина. 5. Филогеография Diaphoreolis viridis Для комплекса D. viridis показана дивергенция по COI, интерпретируемая как криптические виды, однако морфологических отличий не обнаружено. Выявлено четыре симпатрические гаплогруппы в северо-западной Пацифике. Время дивергенции общего предка (~1,2 млн лет назад) значительно превышает оценки для других трансарктических голожаберных моллюсков. Спейсерный регион идентичен у всех гаплогрупп, что доказывает поток генов между ними. Установлена связь времен дивергенции с палеоклиматическими событиями позднего плейстоцена (изменения уровня моря, изоляция Арктики и Японского моря).

Публикации

1. Гришина Д.Ю., Щепетов Д.М., Михлина А.Л., Антохина Т.И., Деарт Ю.В., Екимова И.А. What You Can See From here: A Critical Role of Integrative Approach and Sample Size in Defining Species Boundaries for Trans-Arctic Nudibranchs (Gastropoda: Heterobranchia) Zoologica Scripta, C. 1-17 (год публикации - 2026)
10.1111/zsc.70058