Karyotype and molecular genetic differentiation of a 24-chromosomal form of the gray hamster Nothocricetulus migratorius from the Tien Shan

封面

如何引用文章

全文:

详细

The widespread Palaearctic rodent species gray hamster Nothocricetulus migratorius has a karyotype with a stable number of chromosomes 2n = 22 throughout the entire range of its habitat. We found gray hamsters with diploid number of chromosomes 2n = 24 locally distributed in the Qurama Ridge of the Tyan Shan. A new karyotype and analysis of G- and NORs-bands of differentially stained chromosome sets were described for the first time. The described karyotype differs from the 22-chromosomal karyotype of gray hamsters by the Y-chromosome morphology and the presence of an additional pair of heteromorphic small chromosomes. Molecular genetic analysis revealed genetic divergence of 24- and 22-chromosomal forms of N. migratorius, and the differences between them in mitochondrial markers are comparable, and in nuclear markers exceed the differences between C. barabensis (2n = 20) and C. psevdogriseus (2n = 24). The data obtained give grounds to discuss the taxonomic status of the 24-chromosomal form of gray hamsters from the Qurama Ridge and consider the differentiation of N. migratorius karyomorphs as a stage of chromosomal speciation.

全文:

Серый хомячок Nothocricetulus migratorius Pallas, 1773 имеет один из самых больших ареалов среди грызунов Старого Света, занимающий территорию от Восточных Балкан на западе до Центрального Китая и Монголии на востоке и от Волжско-Камского междуречья на севере до Ирана, Афганистана и Пакистана на юге [1–3]. Обитает в равнинной и горной степи. Обладает широкой морфологической изменчивостью, что нашло отражение в описании более полутора десятков подвидов [1], которые образуют две группы – западную phaeus и восточную migratorius [2], которые также поддерживаются молекулярно-генетическими данными [4]. В отличие от морфологических и молекулярно-генетических признаков кариотип N. migratorius, изученный в разных частях ареала, стабилен и имеет 2n = 22, NF = 44 (Nombre Fundamentale) [5–7]. В связи с этим было неожиданным обнаружение нами серых хомячков в Тянь-Шане с отличающимся кариотипом [8]. В настоящей работе мы впервые описываем характеристики нового кариотипа с использованием дифференциальных окрасок хромосом и оцениваем молекулярно-генетические отличия и филогенетические связи данной хромосомной формы в пределах вида N. migratorius и с рядом других видов хомячков рода Cricetulus.

Были исследованы хромосомные наборы трех самцов серых хомячков с Ангренского плато, расположенного на Кураминском хребте Тянь-Шаня (41.20° с. ш., 70.62° в. д.), отловленных нами в 1995 г. Для получения хромосомных препаратов использована стандартная методика, обычно применяющаяся при работе с мелкими млекопитающими [9]. Для G-окрашивания хромосом применялся метод, предложенный М. Сибрайт [10]. Дифференциальное окрашивание ядрышкообразующих районов (ЯОР) хромосом выполнено по методу окраски Ag-NOR У. Хоуэла и Д. Блэка [11].

Для оценки филогенетических связей тянь-шаньских хомячков с другими представителями Cricetulus был проведен сравнительный молекулярно-генетический анализ этих животных с тремя особями N. migratorius из разных частей ареала (Семипалатинской обл. Казахстана, Монголии и Украины), а также с представителями двух других видов хомячков – барабинского Cricetulus barabensis Pallas, 1770 (две особи из аймака Ховсгел Монголии и Павлодарской области Казахстана) и забайкальского C. pseudogriseus Orlov and Iskhakova, 1975 (три особи из аймака Дорнод Монголии). Материалом для данного исследования послужили образцы тканей хомячков, хранящихся в УНУ “Коллекция тканей диких животных для генетических исследований” при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН (КТЖ ИБР, рег. номер 3579666).

Геномную ДНК выделяли солевым методом [12]. Для анализа использовали последовательности двух митохондриальных молекулярно-генетических маркеров: ген цитохрома b (cytb) – 1140 пн и фрагмент первой единицы гена цитохромоксидазы (СО1) – 662 пн, а также два ядерных маркера: фрагмент гена BGN – 750 пн и фрагмент гена C-myc – 685 пн. Реакции амплификации проводили с опубликованными ранее парами праймеров в соответствии с предложенными для них протоколами: cytb – L14727-SP и H15915-SP [13]; СО1 – L5310 и R6036R [14]; BGN – BGN-f и BGN-r [15]; С-myc – S92-F и S91-R [16]. ПЦР проводили в конечном объеме 25 мкл, содержащем 30–50 нг тотальной ДНК, 0.2 mM dNTP, 4 pmol каждого праймера, ПЦР буфер в однократной финальной концентрации и 1 единицу HS-Taq ДНК полимеразы (Евроген, Россия) на термоциклере AB Veriti 96 well TC (Applied Biosystems). Результаты ПЦР оценивались электрофорезом 2 мкл реакционной смеси в 1.5% агарозном геле, окрашенном бромистым этидием. Для очистки продукта ПЦР использовались наборы для выделения ДНК из агарозного геля и реакционных смесей Cleanup Standart (Евроген, Россия) в соответствии с инструкцией производителя. Реакцию секвенирования проводили в 10 мкл реакционной смеси с теми же праймерами, что и в реакциях амплификации, с использованием набора BigDye v.3.1 (“Applied Biosystems”, США) по протоколам производителя. Полученные фрагменты анализировали в ЦКП ИБР РАН на автоматическом генетическом анализаторе ABI 3500 (“Applied Biosystems”).

Корректировку хроматограмм проводили с помощью программы SeqMan пакета Lasergene 11 (DNASTAR, США). Неоднозначно расшифрованные позиции редактировали вручную. Последовательности по всем четырем маркерам выравнивались независимо с помощью алгоритма MUSCLE [17] в пакете программ MEGA Х [18]. Все вновь полученные последовательности депонированы в GenBank NCBI с номерами доступа: PP457730–PP457740, PP481634–PP481644, PP477416–PP477426, PP477427–PP477437. Выравненные фрагменты генов каждого образца были объединены в суммарные последовательности мтДНК (1802 пн) и яДНК (1435 пн). Выбор наилучших моделей эволюции объединенных нуклеотидных последовательностей для анализа по методу максимального правдоподобия (ML) выполнен в программе MEGA X на основе байесовского информационного критерия (BIC). Филогенетический анализ (ML) проводили в программе MEGA X с использованием HKY+G модели нуклеотидной эволюции для объединенных последовательностей мтДНК и Kimura 2-параметрической модели для объединенных последовательностей яДНК. Генетические различия оценивались по попарным дистанциям (p-distance, dp). Устойчивость узлов филогенетических деревьев оценивали, применяя бутстрэп-анализ по 1000 репликам.

Исследованные кариотипы трех самцов серого хомячка с Ангренского плато не отличаются друг от друга. Все три особи имеют 2n = 24, NF = 46. Аутосомы представлены пятью парами крупных и средних мета- и субметацентриков, составляющих постепенно убывающий по величине ряд; двумя парами крупных субтелоцентриков; тремя парами мелких субмета- субтелоцентриков и одной самой мелкой гетероморфной парой набора, состоящей из субметацентрика и акроцентрика. Х-хромосома – средней величины субметацентрик; Y-хромосома – акроцентрик, практически равный по длине Х-хромосоме (рис.1,а–в). Данный кариотип отличается от ранее описанного для N. migratorius [5 и др.] наличием дополнительной самой мелкой гетероморфной пары аутосом и морфологией Y-хромосомы, которая у всех других серых хомячков субметацентрическая. При сравнении G-окрашенных хромосом 24- и 22-хромосомных кариотипов N. migratorius [19] прослеживается парная гомология аутосом, за исключением 11-й пары. Степень детализации G-бэндов полученных препаратов также не позволила идентифицировать возможные гомологичные 11-й паре участки в 22-хромосомном кариотипе с более детальной G-окраской [20]. В то же время элементы 11-й пары проявляют сходство с коротким плечом субметацентрической Y-хромосомы N. migratorius.

Предположение о возможности происхождения крупных Y-хромосом у хомяков в результате слияния с аутосомами дискутируется длительное время [21, 22], однако прямых доказательств таких хромосомных перестроек до настоящего времени не получено. Образование неополовой хромосомы путем слияния предковой Y-хромосомы и аутосомы обнаружено у рыб с множественной системой половых хромосом [23]. Вопрос, имели ли место подобные перестройки в эволюции половых хромосом у хомячков, требует дальнейшего изучения.

В 24-хромосомном наборе гетероморфная 11-я пара состоит из двуплечей и одноплечей хромосом. Ранее описанный для хомячков из Армении [5] и Таджикистана [7] гетероморфизм по величине двуплечих хромосом одной из мелких мета-, субметацентрических пар (№ 8) связывался с изменчивостью гетерохроматинового материала. Гомологичная пара (№ 8) в 24-хромосомном кариотипе является субметацентрической и изоморфной (рис. 1,а).

Ag-NOR-окраска стабильно выявляла ЯОР на 3-й и 8-й парах аутосом (рис. 1,в). На гомологах этих хромосом в 22-хромосомном кариотипе обнаружена аналогичная локализация ЯОР [22]. В той же работе ЯОР обнаружены еще на двух парах хромосом, на гомологах которых в описываемом нами кариотипе ЯОР проявлялись нестабильно, что может быть связано с недостаточно высоким качеством препаратов.

Результаты филогенетического анализа, представленные на кладограммах (рис. 1,г, д), показывают сходные результаты по митохондриальным (г) и ядерным (д) маркерам. Все последовательности образуют две клады, одна из которых включает всех N. migratorius, а вторая объединяет C. barabensis и C. pseudogriseus. При этом все три хомячка с описанным нами кариотипом (2n = 24) c Ангренского плато образуют компактные кластеры с высокой бутстрэп-поддержкой внутри клад N. migratorius. Митохондриальные последовательности C. barabensis и C. pseudogriseus, имеющих разные кариотипы 2n = 20 и 2n =24 соответственно [24], также образуют отдельные видовые кластеры с высокой бутстрэп-поддержкой внутри общей клады, но последовательности яДНК этих видов объединены в единый слабо дифференцированный кластер. Генетические различия по мтДНК между хромосомными формами N. migratorius в два раза ниже (dp = 0.02 по cytb), чем между C. barabensis и C. pseudogriseus (dp = 0.04). При этом различия по ядерным маркерам N. migratorius с разными кариотипами на порядок выше (dp = 0.01), чем между C. barabensis и C. pseudogriseus (dp = 0.001).

 

Рис. 1. Кариотип самца серого хомячка N. migratorius 2n = 24. а – рутинная окраска, б – G-окраска, в – Ag-NOR-окраска. Стрелками указано положение ЯОР, подчеркнута хромосома с ЯОР на обоих плечах. Кладограммы объединенных нуклеотидных последовательностей хомячков по результатам анализа ML: г – мтДНК (cytb и COI), д – яДНК (BGN и C-myc). Цифры в наименовании ветвей соответствуют регистрационным номерам образцов в КТЖ ИБР. Цифрами у узлов обозначены индексы бутстрэп-поддержки.

 

В проведенных ранее молекулярно-генетических исследованиях N. migratorius, в которых использовались образцы двух из трех хомячков с Ангренского плато, эта форма образовывала отдельную филетическую линию с базальным расположением на дереве [4]. Среди других видов Cricetidae только C. longicaudatus и C. pseudogriseus имеют 2n = 24 [25], и лишь у последнего Y-хромосома является относительно мелким акроцентриком, что рассматривается как архаичный признак для хомяков [26] и для Muroidea в целом [25]. Можно предположить, что серые хомячки из западного Тянь-Шаня являются предковой формой для всех остальных N. migratorius, 22-хромосомный кариотип которых произошел от описываемого 24-хромосомного набора.

Место находки 24-хромосомных хомячков расположено в пределах распространения группы подвидов coerulescens [4]. Однако отсутствие морфологического материала от кариотипированных особей не позволяет отнести хомячков Кураминского хребта к какой-либо из центральноазиатских морфологических групп. Тем не менее полученные данные позволяют обсуждать таксономический статус 24-хромосомной формы серых хомячков с Кураминского хребта и рассматривать дифференциацию N. migratorius как пример хромосомного видообразования [27].

Работа финансировалась из средств Договора НИР № 261 от 08.11.2021, выполняемого в рамках проекта № 075-15-2021-1069 от 28.09.2021 г. ФНТП развития генетических технологий на 2019 – 2027 гг. (II очередь. Биоресурсные коллекции) Минобрнауки России.

Исследование одобрено Этическим комитетом ИБР РАН им. Н.К. Кольцова, протокол № 70 от 25.05.2023 г.

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

作者简介

O. Brandler

Koltzov Institute of Developmental Biology of Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: rusmarmot@yandex.ru
俄罗斯联邦, 119334, Moscow

A. Blekhman

Koltzov Institute of Developmental Biology of Russian Academy of Sciences

Email: rusmarmot@yandex.ru
俄罗斯联邦, 119334, Moscow

参考

  1. Громов И.М., Ербаева М.А. Млекопитающие фауны России и сопредельных территорий. Зайцеобразные и грызуны. СПб.: Наука. 1995. 522 с.
  2. Лебедев В.С. Cricetinae – Млекопитающие России. Систематико-географический справочник // Сб. тр. Зоол. музея МГУ. Т. 52 / под ред. Павлинов И.Я., Лисовский А.А. М.: Т-во научн. изданий КМК, 2012. С. 211–220.
  3. Lebedev V.S., Bannikova A.A., Neumann K. et al. Molecular phylogenetics and taxonomy of dwarf hamsters Cricetulus Milne-Edwards, 1867 (Cricetidae, Rodentia): Description of a new genus and reinstatement of another // Zootaxa. 2018. V. 4387. P. 331–349. https://doi.org/10.11646/zootaxa.4387.2.5
  4. Lebedev V., Poplavskaya N., Bannikova A. et al. Genetic differentiation in Cricetulus migratorius Pallas, 1773 (Rodentia, Cricetidae) // Mammalian Biology. 2018. V. 92. P. 115–119. https://doi.org/10.1016/j.mambio.2018.05.001
  5. Yerganian G., Papoyan S. Isomorphic sex chromosomes, autosomal heteromorphism, and telomeric associations in the grey hamster of Armenia, Cricetulus migratorius, Pall. // Hereditas. 1965. V. 52. № 3. P. 307–319. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.1965.tb01963.x
  6. Гайченко В.А. Хромосомный набор серого хомячка с территории Украины // Вестник зоологии. 1974. № 2. С. 79–80.
  7. Картавцева И.В. Внутривидовой хромосомный полиморфизм широкоареальных видов: краснохвостой песчанки и серого хомячка // Фенетика популяций. Саратов: 1985. С. 84–85.
  8. Брандлер О.В. Новая хромосомная форма серого хомячка Cricetulus migratorius Pallas, 1773 из Тянь-Шаня // VI съезд Териологического об-ва. Москва, 13–16 апреля 1999. Тез. докл. М.: 1999. С. 37.
  9. Ford C.E., Hamerton J.L. A colchicine, hypotonic citrate, squash sequence for mammalian chromosomes // Stain Technol. 1956. V. 31. № 6. P. 247–251.
  10. Seabright M. A rapid banding technique for human chromosomes // Lancet. 1971. V. 11. P. 971–972.
  11. Howell W.M., Black D.A. Controlled silver staining of nucleolus: A 1-step method // Experientia. 1980. V. 36. P. 1014–1015.
  12. Aljanabi S.M., Martinez I. Universal and rapid salt-extraction of high quality genomic DNA for PCR-based techniques // Nucl. Ac. Res. 1997. V. 25 (22). https://doi.org/10.1093/nar/25.22.4692
  13. Jaarola M., Searle J.B. Phylogeography of field voles (Microtus agrestis) in Eurasia inferred from mitochondrial DNA sequences // Mol. Ecol. 2002. V. 11. P. 2613–2621. https://doi.org/10.1046/j.1365-294X.2002.01639.x
  14. Nakamura I., Ohnuma A., Ichihashi T. Mus musculus mitochondrial COI gene for cytochrome c oxidase subunit I, partial cds. 2008. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/193248428, дата обращения 30.11.2023 г.
  15. Lyons L.A., Laughlin T.F., Copeland N.G. et al. Comparative anchor tagged sequences (CATS) for integrative mapping of mammalian genomes // Nature Genetics. 1997. V. 15. № 1. P. 47–56.
  16. Steppan S.J., Storz B.L., Hoffmann R.S. Nuclear DNA phylogeny of the squirrels (Mammalia: Rodentia) and the evolution of arboreality from c-myc and RAG1 // Mol. Phylog. and Evol. 2004. V. 30. № 3. P. 703–719. https://doi.org/10.1016/S1055-7903(03)00204-5
  17. Edgar R.C. MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput // Nucl. Ac. Res. 2004. V. 32 № 5. P. 1792–1797. https://doi.org/10.1093/nar/gkh340
  18. Kumar S., Stecher G., Li M. et al. MEGA X: Molecular evolutionary enetics nalysis across computing platforms // Mol. Biol. and Evol. 2018. V. 35. P. 1547–1549. https://doi.org/10.1093/molbev/msy096
  19. Lavappa K.S. Chromosome banding patterns and idiogram of the Armenian hamster, Cricetulus migratorius // Cytologia. 1977. V. 42. № 1. P. 65–72.
  20. Radjabli S.I., Sablina O.V., Graphodatsky A.S. Selected karyotypes // Atlas of Mammalian Karyotypes / Eds O’Brien S.J., Nash W.G., Menninger J.C. Chichester: John Wiley, 2006. P. 209–221.
  21. Matthey R. Cytologie comparee des Cricetinae palearctiques et americains // Rev. Suisse Zool. 1961. V. 68. P. 41–61.
  22. Ахвердян М.Р. Особенности поведения половых хромосом в мейозе у серого хомячка (Cricetulus migratorius Pallas, 1770) // Генетика. 1993. Т. 29. № 6. С. 950–959.
  23. Kitano J., Peichel C.L. Turnover of sex chromosomes and speciation in fishes // Environ. Biol. of Fishes. 2012. V. 94. P. 549–558. https://doi.org/10.1007/s10641-011-9853-8
  24. Poplavskaya N., Bannikova A., Neumann K. et al. Phylogeographic structure in the chromosomally polymorphic rodent Cricetulus barabensis sensu lato (Mammalia, Cricetidae) // J. Zool. Syst. and Evol. Res. 2019. V. 57. № 3. P. 679–694. https://doi.org/10.1111/jzs.12251
  25. Romanenko S.A., Volobouev V.T., Perelman P.L. et al. Karyotype evolution and phylogenetic relationships of hamsters (Cricetidae, Muroidea, Rodentia) inferred from chromosomal painting and banding comparison // Chromosome Research. 2007. V. 15. P. 283–298. https://doi.org/10.1007/s10577-007-1124-3
  26. Орлов В.Н., Исхакова Э.Н. Таксономия надвида Cricetulus barabensis (Rodentia, Cricetidae) // Зоол. журн. 1975. Т. 54. В. 4. С. 597–604.
  27. Воронцов Н.Н. Развитие эволюционных идей в биологии. М.: И-во Отдел УНЦ ДО МГУ. Прогресс-Традиция, АБФ. 1999. 640 с.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Karyotype of the male gray hamster N. migratorius 2n = 24. a – routine coloration, b – G-coloration, c – Ag-NOR-coloration. The arrows indicate the position of the YAP, the chromosome with the YAP on both shoulders is underlined. Cladograms of combined nucleotide sequences of hamsters based on the results of ML analysis: g – mtDNA (cytb and COI), d–nucleotide (BGN and C-myc). The numbers in the branch names correspond to the registration numbers of the samples in the IBR KTZ. The numbers at the nodes indicate bootstrap support indexes.

下载 (277KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».