Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В 2014 году главный акцент исследований был сделан на получении конкретных данных, которые будут необходимы в 2015 году для анализа таксономического и генетического разнообразия выбранных модельных групп насекомых. Вначале мы привели в порядок имеющиеся в нашем распоряжении коллекционные сборы. В результате систематизации всех образцов и унификации системы их хранения, фактически была создана коллекция тканей насекомых, пригодных для проведения молекулярных, цитогенетических и морфологических исследований. Затем были проведены подготовительные работы для анализа ДНК. Особое внимание было уделено отработке и модификации методов кариотипического анализа с целью получения цитологических маркеров для последующей делимитации видов. При этом отрабатывались как методы, основанные на рутинной окраске хромосом, позволяющие производить массовый кариотипический анализ, так и тонкие, более трудоемкие молекулярно-цитогенетические подходы (например, флуоресцентная гибридизация in situ), позволяющие выявлять локализацию отдельных генов на хромосомах. На основании этой работы совместно с коллегами из других стран подготовлена коллективная монография Protocols for cytogenetic mapping of Arthropod genomes, вышедшая в 28 октября 2014 года в известном научном издательстве CRC Press (Tailor & Francis Group). Получены данные по молекулярным маркерам, кариотипам и морфологии для примерно 200 видов, представляющих следующие группы насекомых: Parnassius (Lepidoptera, Papilionidae), Leptidea (Lepidoptera, Pieridae), Oeneis (Lepidoptera, Nympalidae), Davidina (Lepidoptera, Nympalidae), Polyommatus (Lepidoptera, Lycaenidae), Empoasca (Homoptera, Cicadellidae, Auchenorrhyncha), Alebra (Homoptera, Cicadellidae), Psylla и Cacopsylla. (Homoptera, Psyllidae), Alebra (Homoptera, Cicadellidae), (семейства Myrmeleontidae и Ascalaphidae) (отряд Neuroptera). Проведен хромосомный и молекулярно-генетический анализ 6 популяций партеногенетического вида Cacopsylla myrtilli в северной Европе (северо-запад России, Финляндия, Норвегия и Швеция). Показано, что в каждой популяции, наряду с триплоидными апомиктическими самками, с низкой (в среднем, 1 самец на 563 самки), но равной частотой встречаются самцы и диплоидные самки, при этом самцы скрещиваются с самками обоих типов. Самки и самцы одной популяции имеют одинаковые гаплотипы, что подтверждает их общее происхождение. Проведено ДНК-штрихкодирование булавоусых чешукрылых юго-востока Европейской России, в ходе которого получены баркоды для приблизительно 150 видов. Первичный анализ этих данных выявил значительное число серьезных несоответствий между видовыми определениями, полученными на основании анализа морфологии, и кластерами ДНК-штрихкодов. Мы рассматриваем эти несоответствия как сигнал к тому, что выявленные ситуации нуждаются в более глубоком генетическом и таксономическом анализе на предмет выявления реальных видовых границ. В целом, полученные данные свидетельствуют о необходимости таксономической ревизии дневных бабочек этого региона, несмотря на кажущуюся их хорошую изученность. Анализ ДНК-штрихкодов бабочек рода Oeneis (Lepidoptera, Nympalidae), напротив, показал, что границы между многими номинальными (формально описанными) видами эфемерны, если рассматриваются не отделено вырванные немногочисленные популяции, а большие выборки, адекватно представляющие географическую изменчивость. По всей вероятности, недооценка непрерывности эволюционного процесса в пространстве и во времени явилась причиной неадекватной видовой делимитации в роде Oeneis, и число дискретных реальных эволюционных линий в этом роде меньше, чем число описанных видов. Проведены эксперименты по гибридизации между хромосомными расами белянки Leptidea sinapis. Ранее нами было показано, что это вид имеет крайне высокий уровень внутривидовой кариотипической изменчивости: число хромосом в пределах вида плавно меняется от 2n=106 в Испании до 2n=56 в восточном Казахстане. Поскольку гетерозиготность по множественным хромосомным перестройкам, как правило, приводит к стерильности (King, 1993), то можно было предполагать, что хромосомные формы, представляющие крайние звенья обнаруженной хромосомной клины, репродуктивно изолированы. Для проверки этой гипотезы в 2014 году мы в лабораторных условиях осуществили эксперименты по скрещиванию между представителями крайних звеньев обнаруженной хромосомной клины. Вопреки ожиданиям, мы обнаружили что гибриды первого поколения были жизнеспособны и плодовиты . В 2014 году были также получены гибридные особи второго поколения, которые также оказались вполне жизнеспособными. Изучение мейоза и сперматогенеза у гибридов первого поколения показало, что все самцы имели нормальные сперматозоиды без заметных морфологических отклонений от нормы. В первой метафазе мейоза наблюдалось 28-30 крупных элементов, большинство из которых были явными мультивалентами. Наблюдалось также небольшое (1-3) число мелких унивалентов. У гибридов второго поколения в первой метафазе мейоза наблюдалось от 32 до 35 хромосомных элементов, большинство из которых также были мультивалентами. Таким образом, предварительные данные свидетельствуют в пользу в целом сбалансированной сегрегации хромосом у гибридов, что соответствует нашим же наблюдениям о сохранении у гибридов жизнеспособности и даже фертильности. Тем не менее, наличие унивалентов все же говорит о том, что незначительные нарушения мейоза наблюдаются, и это может приводить к частичному снижению плодовитости, что предполагается проверить в 2015 году. Итак, гипотеза о репродуктивной изоляции между крайними звеньями обнаруженной хромосомной клины пока не подтвердилась. Тем не менее, мы не исключаем, что обмен генами между этими хромосомным формами может быть подавлен за счет подавления рекомбинации. Таким образом, все запланированные на 2014 год научные результаты достигнуты, а по числу изученных видов (200 против запланированных 150) объем выполненных работ превышает плановые.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В 2015 году исследовательской группой В.А.Лухтанова, работающей над проектом РНФ № 14-14-00541 "Генетическая структура и механизмы формирования биологического разнообразия (на примере насекомых)" в Зоологическом институте РАН: 1) сделано открытие в области изучения механизмов биологической эволюции, в частности механизмов эволюции геномов и механизмов формирования биологического разнообразия, 2) получено теоретическое обобщение, потенциально приводящее к прорыву в области изучения криптического биологического разнообразия, 3) выполнен ряд конкретных работ, имеющих прямой выход в разработку таких общих проблем учения о биоразнообразии как неопределённость видовых границ и делимитация таксонов, выявление морфологически неразличимых видов-двойников и интерпретация генетического и цитогенетического разнообразия в терминах таксономии. 1) Открытие в области изучения механизмов биологической эволюции До настоящего времени считалось, что межвидовая гибридизация играет серьезную роль в возникновении новых полиплоидных форм растений и, в меньшей степени, животных. Что касается диплоидных организмов, которые преобладают среди эукариот, особенно среди животных, то считалось, что межвидовая гибридизация либо вообще не играла роли в их появлении и эволюции, либо роль гибридизации была пассивной и сводилась к формирования гибридных популяций, дальнейшая эволюция которых принципиально не отличается от эволюции негибридных линий. В нашем исследовании мы впервые показываем активную роль гибридизации в формировании постзиготической репродуктивной изоляции между диплоидными родительскими и дочерней формами и, соответственно, в видообразовании. Кроме того, мы описываем новый, ранее неизвестный механизм эволюции диплоидного генома. Этот механизм основан на гибридизации двух видов, различающихся по нескольким хромосомным слияниям/разделениям хромосом, и последующей сегрегации хромосом у гибридных потомков. Это приводит к появлению нового, полностью реорганизованного кариотипа, в котором каждая из хромосом получена от одного из предков, но их комбинация уникальна. Мы также предлагаем новую модель видообразования, основанную на том, что возникающий в результате гибридизации диплоидный кариотип с измененным числом хромосом непосредственно приводит к частичной репродуктивной изоляции с предковыми формами. Это происходит в результате подавления рекомбинации и, соответственно, обмена генами между дочерней и предковыми видам. Предпосылкой для реализации этой модели видообразования является условие, что формы, гетерозиготные по множественным хромосомным перестройкам, должны быть частично фертильными. Поэтому мы приводит оригинальные и почерпнутые из литературы сведения о том, что это условия часто выполняется в природе. Исследование опубликовано в одном из наиболее авторитетных научных журналов мира Proceedings of the Royal Society B, издаваемом Лондонским королевским обществом (http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/282/1807/20150157). Работа получила широкое освещение в средствах массовой информации: http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=96661#.VmQDBf_ou48 https://www.nkj.ru/news/26366/ http://argumenti.ru/science/n496/407594 http://scientificrussia.ru/articles/vidoobrazovanie-v-rezultate-skreschivania http://spbu.ru/news-spsu/23650-uchenye-iz-spbgu-i-ran-obnaruzhili-v-prirode-ranee-neizvestnyj-mekhanizm-vidoobrazovaniya http://www.inkapspb.ru/?p=12701 http://chrdk.ru/news/2015/5/27/novyi_mehanizm_vidoobrazovaniya/ http://pda.newsme.com.ua/tech/2970077/ 2) Теоретическое обобщение в области изучения криптического биологического разнообразия Современные молекулярные методы биологической систематики, основанные на анализе множественных генов, являются мощным инструментом для выявления и анализа криптического биологического разнообразия, т.е. для выявления видов, которые не могут быть распознаны традиционными способами. Однако недостатком этих методов является то, что в действительности они выявляют не биологические виды, а так называемые филогенетические линии. Увеличение мощности коалесцентного мультилокусного анализа приводит к ситуации, в которой почти каждая географически изолированная или частично изолированная популяция может быть идентифицирована как линия и, соответственно, повышена в ранге до вида. Это приводит к искусственному завышению числа единиц биоразнообразия и, как следствие, вызывает многочисленные проблемы в природоохранной практике (надо ли охранять искусственно созданные виды?). Чтобы решить эту проблему, мы предлагаем объединить современные молекулярные методы делимитации филогенетических линий с основополагающими принципами, которые положены в основу биологической концепции вида. Мы также предлагаем конкретный алгоритм, как это объединение может быть сделано. В частности для криптических видов, обитающих симпатрично (т.е. на одной территории), был разработан метод их выявления, основанный на анализе двух и более физически несцепленных (то есть находящихся на разных хромосомах) молекулярных маркеров. Разработанные принципы были использованы нами для выявления и описания новых, ранее не известные науке криптических таксонов насекомых. Исследование опубликовано в авторитетном международном журнале по биологии Biological Journal of the Linnean Society http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/bij.12596/abstract 3) Конкретные работы по изучению неопределённости видовых границ и делимитация таксонов, выявление видов-двойников и интерпретация генетического и цитогенетического разнообразия насекомых в терминах таксономии изложены в 14 дополнительных статьях (все статьи индексируются в базах WEB of Sciences, Scopus и РИНЦ). http://zookeys.pensoft.net/articles.php?id=6724 http://zookeys.pensoft.net/articles.php?id=6655 http://compcytogen.pensoft.net/articles.php?id=5609 http://www.eje.cz/artkey/eje-201502-0001_evidence_for_ttagg_telomere_repeats_and_rrna_gene_clusters_in_leafhoppers_of_the_genus_alebra_hemiptera_auche.php http://compcytogen.pensoft.net/articles.php?id=5760 http://zookeys.pensoft.net/articles.php?id=6689 http://compcytogen.pensoft.net/articles.php?id=5020 http://zookeys.pensoft.net/articles.php?id=6605 http://zookeys.pensoft.net/articles.php?id=6559 http://compcytogen.pensoft.net/articles.php?id=5429 http://zookeys.pensoft.net/articles.php?id=6722 http://compcytogen.pensoft.net/articles.php?id=4715 doi:10.3409/fb63_4.257 doi:10.3409/fb63_4.295

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В 2016 году исследования велись по трем основным направлениям: 1) разработка общих принципов и подходов к анализу биологического разнообразия, 2) изучение генетических механизмов гибридогенного видообразования на диплоидном уровне, и 3) анализ генетической структуры и ее таксономическая интерпретация для модельных групп членистоногих. 1) Разработка общих принципов и подходов к анализу биологического разнообразия В 2016 году нами разработаны и апробированы общие принципы и подходы к решению проблемы видовых границ, основанные на включении молекулярных данных в существовавшие ранее, основанные на морфологии таксономические гипотезы (Lukhtanov et al. 2016, опубликовано в Systematics and Biodiversity). Оригинальность и новизна нашего подхода состоит в следующем: (а) современные, основанные на анализе молекулярных маркеров методы делимитации (де факто эти методы выявляют филогенетические линии, а не виды) были дополнены эффективными способами выявления замкнутых (или частично замкнутых) генетических систем (биологических видов). (б) показано, что существует два источника первичных таксономических гипотез, которые следует тестировать в ходе анализа структуры биологического разнообразия. Один источник - это молекулярный анализ, выявляющий генетически сходные кластеры организмов, которые можно и нужно проверять на предмет, являются ли они видами или не являются. Другой источник – это существующая таксономическая литература, которая де факто уже содержит гипотезы о видах. (в) показано, что даже очень скромные молекулярные данные (например, ДНК-баркоды), объединенные с ранее известной информацией о таксоне (морфология, география, экология), приводят к серьезному усовершенствованию предложенных ранее таксономических гипотез; (г) разработан конкретный алгоритм интеграции молекулярных данных с предложенными ранее таксономическими гипотезами. (2) Продолжение исследований генетических механизмов гибридогенного видообразования на диплоидном уровне Было осуществлено полногеномное секвенирование и сборка геномов для гибридного вида Polyommatus peilei и его родительских видов P. morgani и P. karindus. Сам по себе факт получения и сборки и полных геномов трех близкородственных видов голубянок является серьезным шагом на пути к переходу на принципиально новый уровень исследований по изучению генетической структуры биологического разнообразия. Кроме того, полногеномное секвенирование позволило получить детальную информацию о структуре гибридного и родительских геномов. Так, до получения полногеномных данных, нерешенной проблемой гибридогенного видообразования в изученном комплексе являлось неполное соответствие данных, полученных в результате цитогенетических исследований, AFLP-анализа и секвенирования отдельных митоходриальных и ядерных генов. Несмотря на серьезную дифференциацию по кариотипам и анонимным AFLP маркерам, P. karindus и P. peilei были неразличимы по митохондриальным маркерам и почти неразличимы по ядерным маркерам. Полногеномный анализ показал идентичность митохондриальных геномов P. karindus и P. peilei, что является следствием митохондриальной интрогрессии от P. karindus к P. peilei, и глубокую дифференциацию всех трех видов по ядерному геному. Таким образом, сходство по ядерным маркерам, которое было выявлено ранее, является артефактом, связанным с недостаточным разрешением молекулярного анализа, основанного на единичных ядерных локусах. (3) Анализ генетической структуры и ее таксономическая интерпретация для модельных групп насекомых и эриофиоидных клещей с использованием оригинальных наработок в области выявления криптических видов и тестирования таксономических гипотез Помимо теоретических разработок в области теории изучения биоразнообразия, была проведена серия работ по эмпирической проверке наших разработок и конкретному анализу генетических и цитогенетических маркеров и морфологических признаков в разных группах членистоногих. Получаемые данные по разнообразию признаков затем интерпретировались в терминах таксономии и доводились до логического конца, то есть до описания новых видов и создания ревизий и списков таксонов. Первый этап этих исследований, как правило, осуществлялся с применением методологии ДНК-баркодинга. Этот подход на основании анализа одного гена (COI) выявлял генетические кластеры организмов, которые рассматривались в качестве первичных таксономических гипотез - единиц для дальнейшего углубленного генетического, морфологического и таксономического анализа. В случае эриофиоидов был применен еще один прием поиска кандидатов на новые, еще не описанные виды. С учетом тесной связи этой группы с кормовыми растениям кандидаты на новые виды целенаправленно искались на реликтовых видах растений, особенно в районах плейстоценовых рефугиумов, которые можно рассматривать как потенциальные центры формирования биологического разнообразия. На втором этапе исследований производился анализ выявленных потенциальных таксономических единиц на основания изучения множественных генетических маркеров (включая хромосомные) и морфологических признаков. При изучении очень мелких эриофиоидов использовалась конфокальная микроскопия, которая принципиально повышала уровень разрешения морфологического, в частности приводила к открытию неизвестных ранее морфологических структур. Известные из литературы таксоны также рассматривались в качестве первичных таксономических гипотез, которые тестировались путем интеграции морфологических данных с ДНК-баркодами. Таким образом, решалась проблема уменьшения уровня неопределенности видовых границ, связанной с недостаточной изученностью таксонов и с объективными трудностями делимитации молодых видов, хиатусы между которыми еще недостаточно четко выражены. На третьем этапе производилась интерпретация полученных данных в зависимости от применяемой видовой концепции (узкий филогенетический вид и широкий политипический вид, претендующий на то, что он является репродуктивно изолированной единицей). Результатом этих исследовании стали работы, рассматривающие структуру биологического разнообразия нескольких изученных модельных групп на видовом уровне. Подготовлены и опубликованы видовые списки родов Parnassius, Melitaea и Polyommatus (Agrodiaetus), в которых статус и положение каждого таксона обсуждены с учетом полученных данных и разработанных методологических подходов к проблеме неопределенности видовых границ. Cтруктура биологического разнообразия на макротаксономическом уровне (уровне родов, триб и подсемейств) изучена для семейств Hesperiidae (Lepidoptera), Issidae (Hemiptera) и Myrmeleontidae (Neuroptera). Для семейства сем Hesperiidae были проанализированы представители 270 родов, для представителя каждого рода были секвенированы 10 генов (COI, EF1a, wingless, ArgKin, CAD, GAPDH, IDH, MDH, RpS2 и RpS5), общая длина конкатенированного выравнивания, которое использовалось в анализе, составила 7726 пар нуклеотидов. В результате впервые получена филогения и разработана система высших таксонов Hesperiidae мировой фауны. В итоге по результатам исследования в 2016 году опубликованы две монографии и 11 статей в журналах Nature, PeerJ, Systematics and Biodiversity, Comparative Cytogenetics, Systematic & Applied Acarology, Zootaxa, Folia Biologica-Krakow (все журналы индексируются в базах WEB of Science, Scopus и РИНЦ). Суммарный импакт-фактор публикаций 2016 года (по WEB of Science) составил 52.686 (максимальный импакт-фактор=38.13, минимальный импакт-фактор=0.562). Четыре статьи из 11 опубликованы в журналах из первого квартиля (WEB of Science) в своей категории: Nature (1), PeerJ (1) и Systematic & Applied Acarology (2). По материалам исследований сделано 10 докладов на международных конференциях.