Добавить в корзинуПозвонить
Найти в Дзене
Бионаука

Современная систематика

Вступление Все мы знаем, кто такой К. Линней, он стал почти синонимом к слову систематика. Систематика Линнея основывалась на морфологических признаках, однако морфология штука загадочная и сложная, использование морфологии не может гарантировать достоверное систематизирование видов. Другое дело - молекулярные данные, они ускоряют описание видов, а часто бывают единственной возможностью для исследователей дать какое-либо описание, что очень актуально для вымерших организмов. Морфологическая систематика и ее недостатки И здесь на помощь приходит молекулярная биология! В настоящее время для идентификации и систематики видов используют молекулярные методы. При этом используются молекулярные маркеры, позволяющие обойти ограничения морфологических исследований. Однако, только оценивая комплекс данных можно достоверно определить, к какому виду относится организм. Это называется «интегративная таксономия», в ней используются молекулярные, экологические, морфологические и поведенческие данные
Оглавление

Вступление

Все мы знаем, кто такой К. Линней, он стал почти синонимом к слову систематика. Систематика Линнея основывалась на морфологических признаках, однако морфология штука загадочная и сложная, использование морфологии не может гарантировать достоверное систематизирование видов.

Другое дело - молекулярные данные, они ускоряют описание видов, а часто бывают единственной возможностью для исследователей дать какое-либо описание, что очень актуально для вымерших организмов.

Фото: Карл Линней
Фото: Карл Линней

Морфологическая систематика и ее недостатки

  1. Морфологическая идентификация основана на сравнительной анатомии, для этой работы нужен профессионал-анатом, а где его взять?
  2. На сравнение сложных образцов могут уйти годы.
  3. А если образцы повреждены? Что делать?
  4. Филогенетическая реконструкция – непростая задача даже для профессионала.
  5. Сколько профессионалов-анатомов, столько и мнений.

И здесь на помощь приходит молекулярная биология!

В настоящее время для идентификации и систематики видов используют молекулярные методы. При этом используются молекулярные маркеры, позволяющие обойти ограничения морфологических исследований.

Однако, только оценивая комплекс данных можно достоверно определить, к какому виду относится организм. Это называется «интегративная таксономия», в ней используются молекулярные, экологические, морфологические и поведенческие данные и довольно достоверно определяется видовая принадлежность организма.

Какие же маркеры используются для молекулярной систематики?

Маркеры представляют собой последовательности ДНК, по которым можно найти схожие участки у родственных видов. К таким маркерам относятся:

  1. микросателлитные локусы
  2. случайно амплифицированная полиморфная ДНК (RAPD)
  3. полиморфизм длины рестрикционных фрагментов
  4. полиморфизм длины амплифицированных фрагментов
  5. экспрессированные теги последовательностей
  6. однонуклеотидные полиморфизмы

Эти маркеры различны в отношении их геномной распространенности, они широко используются для анализа генетического разнообразия, к тому же все маркеры можно исследовать одновременно.

Выбор маркеров обусловлен той проблемой, которую мы хотим решить, уровнем полиморфизма, технической оснащенностью исследователей и доступными методиками.

Митохондриальная ДНК как молекулярный маркер

Митохондрии являются ключевыми производителями энергии в эукариотических организмах, поэтому их справедливо называют «электростанцией клетки». Это небольшие цитоплазматические органеллы, окруженные двойной мембраной, которые, как полагают, произошли от прокариотических симбионтов (α-протеобактерий) в результате процесса, называемого эндосимбиозом.

Независимо от их происхождения, митохондрии сохранили свой собственный геном. Длина митохондриального генома практически не зависит от сложности организма. Их геном включает в себя структурные гены, кодирующие цитохром-с-оксидазы, НАДН-дегидрогеназы, рибосомные РНК и др. Но, также геном митохондрий включает некодирующую область, которая используется как надежный индикатор эволюционной истории.

Почему?

  1. Из митохондрий проще выделить ДНК, даже из мало сохранившихся образцов, особенно благодаря большому количеству копий самих органелл в клетке.
  2. Митохондриальные гены эволюционируют быстрее, чем ядерные гены (в 2-9 раз), по этой причине они считаются лучшими маркерами для анализа относительно близких меж-внутривидовых связей.
  3. Доступность универсальных праймеров (Праймеры получают химическим синтезом в амплификаторе, например, амидофосфитным методом).

Рибосомальные маркеры

Рибосомы – это органеллы, синтезирующие белок на матрице мРНК, они состоят из субъединиц, которые обозначаются, например,16S, 12S. При этом S – это коэффициент, говорящий о скорости седиментации, эти субъединицы выделяют с помощью осаждения, поэтому их так и назвали. Дак вот, 12S субъединица высококонсервативна и применима для понимания дивергенции на более высоких уровнях, например, в филах. А 16S применима на средних категориальных уровнях, например, в семействах или родах.

Маркеров так много, как их выбирают?

Выбор конкретной области гена, подходящей для конкретного анализа, неизбежно является наиболее важным шагом, поскольку выбор неподходящего генного маркера часто может привести к неправильной интерпретации. Важно учитывать ожидаемый уровень изменчивости при выборе молекулярного маркера, поскольку одни области могут изменяться быстрее по сравнению с другими. Но так или иначе, этот вопрос решается исследователями, исходя из их опыта и уже известных данных.

ДНК-штрихкодирование

Как обсуждалось ранее, морфологические методы идентификации видов могут быть сложными и отнимают много времени, поэтому была создана более быстрая и надежная система для надежной идентификации видов. Это система «Штрих-кода Жизни» (CBOL), целью которой было предоставление штрих-кода ДНК каждому виду на планете.

Штрих-код ДНК — это короткая стандартизированная последовательность ДНК в четко определенном гене, которую можно использовать для идентификации и классификации видов. Идеальный ДНК-штрих-код — это тот, который позволяет быстро, надежно, автоматически и экономично идентифицировать вид.

Как проводят идентификацию?

Путем сравнения неизвестных последовательностей со штрих-кодами ДНК известных видов.

Библиотека ДНК

В 2008 году было создано облачное хранилище и аналитическая платформа штрих-кодов жизни (iBOL, http://ibol.org), которая состоит из четырех основных модулей: образовательный портал, библиотека данных, реестр штрих-кодов (BIN, номера, присвоенные предполагаемым видам) и аналитическое хранилище.

С 2010 по 2015 год iBOL выполнила программу BARCODE 500K для создания справочной библиотеки штрих-кодов, определив последовательности для более чем полумиллиона видов.

BIOSCAN с 2019 года продолжает расширять библиотеку штрих-кодов, их цель – присвоить кодировку двум миллионам видов.

к 2026 г. BIOSCAN планирует стандартизировать методы отбора проб и секвенирования последовательностей ДНК организмов из всех мест обитания, что позволит заложить основы для глобально биомониторинга на основе ДНК.

Проблемы CBOL

Есть две основные проблемы:

1. Псевдогены

2. Использование области только одного участка

Псевдогены – это нефункциональные копии митохондриальных последовательностей, встроившиеся в ядерную ДНК. Митохондриальные гены могут быть перенесены в ядерную ДНК путем горизонтального переноса, транспозиции ДНК из митохондрий в ядро, переносом с помощью вирусных частиц, с последующей репликацией в ядре, что способствует репликации псевдогена. При этом, когда митохондриальная ДНК попадает в ядро, она теряет свою первоначальную функцию, в ней начинают быстрее накапливаться мутации, при этом ядерный геном подвергается мутациям медленнее, чем митохондриальный. Это создает значительные ограничения метода.

Использование области одного участка. Есть данные, что у двукрылых сложно различить представителей разных видов, а успех возможен менее чем в 70% случаев. Это происходит из-за совпадений областей, приписываемых внутри- и межвидовой изменчивости, по этим причинам CBOL разработала рекомендации использовать дополнительные области генов для более точного определения.

Итоги

Линней, конечно, красавчик, но мы и сами не пальцем деланные.