Генетические исследования журавлей проводятся для решения широкого круга биологических задач: определения систематического положения видов и их филогенетических связей, реконструкции эволюционных событий, популяционно-генетического и демографического анализа, определения пола и полового состава популяций, генетической идентификации, анализа межвидовой гибридизации, родства и других вопросов. Методы молекулярной генетики используются также и в практике реинтродукции и разведения редких видов для контроля размножения, мониторинга генетического разнообразия и предотвращения инбридинга в искусственных популяциях.

Систематика и филогения сем. Журавлиных (Gruidae)

Согласно данным секвенирования полных митохондриальных геномов, расхождение венценосных (Balearicinae) и настоящих журавлей (Gruinae) внутри семейства Журавлиных произошло в позднем олигоцене, а разделение видов внутри клад завершилось в неогене. У настоящих журавлей выделяют несколько филогенетических линий: Americana (американский, японский, серый, черный и черношейный журавли), Anthropoides (красавка, журавль Стэнли и сережчатый журавль), Antigone (индийский, австралийский и даурский журавли), Canadensis (канадский журавль) и наиболее древняя – Leucogeranus (стерх) (Krajewski et al., 2010). Данных по филогении журавлей по ядерному геному пока не существует.

Популяционно-генетические исследования, демографическая и природоохранная генетика

Исследования внутривидовой структуры необходимы для оценки состояния генофондов, определения уровней генетического разнообразия и дифференциации популяций в пространстве и времени, особенно редких видов, разработки охранных мероприятий на основе генетических данных.

Самые первые подробные популяционно-генетические работы были проведены для наиболее многочисленного в мире канадского журавля (Grus canadensis L.) (Rhymer et al., 2001; Peterson et al., 2003; Jones et al., 2005a). Шесть его подвидов оказались принадлежащими к двум митохондриальным линиям, которые с позиций природоохранной генетики обозначены как эволюционно значимые единицы, однако входящие в них подвиды все равно должны рассматриваться как отдельные охраняемые единицы (Rhymer et al., 2001).

Наиболее редкий в мире американский журавль является первым видом, у которого изучили демографическую генетику с использованием музейных образцов и малочисленных сохранившихся особей из природы. Выявлена утрата 2/3 гаплотипов контрольного региона при прохождении вида через “бутылочное горлышко” из-за резкого снижения численности (Glenn et al., 1999). В двух изолированных (континентальной и островной) популяциях следующего по малочисленности японского журавля не выявлено общих гаплотипов, при этом островная популяция втрое обеднена по сравнению с континентальной также из-за эффекта “бутылочного горлышка” (Hasegawa et al., 1999). Что касается стерха – третьего редкого белого журавля и российского эндемика – первые работы не выявили сильных генетических различий между представителями восточной и и практически утраченной западной популяций (Ponomarev et al., 2004).

К настоящему времени популяционно-генетические исследования проведены для разных видов журавлей. Суммируя их результаты, можно заключить, что у мигрирующих видов и популяций генетическая дифференциация оказалась ожидаемо низкой: доля межпопуляционной компоненты генетического разнообразия у серого журавля (Haase, Ilyashenko, 2012; Мудрик и др., 2015а;  Haase et al., 2019), черного журавля (Zhang et al., 2012), японского журавля (Sugimoto et al., 2015), красавки (Mudrik et al., 2018), даурского журавля (Mudrik et al., 2019) не превышает 5–8 %. В то же время у оседлых видов с фрагментированным ареалом подразделённость намного выше, как у индийского (Jones et al., 2005b) и сережчатого (Jones et al., 2006) журавлей, а также между мигрирующими и оседлыми подвидами канадского журавля (Rhymer et al., 2001). Доля межпопуляционных различий у них достигает 45–48 %. Низкая генетическая дифференциация во многом обусловлена интенсивным потоком генов между субпопуляциями, а высокая – географической изоляцией. При высокой дифференциации виды демонстрируют структурированность популяций, например, у индийского журавля (рис. 2) (Jones et al., 2005b), а ее отсутствие, например, у красавки (рис. 3) (Mudrik et al., 2018), можно объяснить как недавней фрагментацией ареала, так и возможностью обмена особями между гнездовыми группировками, имеющими общие места зимовок.

Межвидовая гибридизация

Методы молекулярной генетики позволяют успешно выявлять не только случаи межвидовой гибридизации  в природе, но и классифицировать гибридных особей на F1 и гибридов последующих поколений и бэккросы. Например, в случае с саролгой – гибридом австралийского подвида индийского (сарус) и австралийского (бролга) журавлей в Австралии (рис. 4), молекулярные методы показали, что гибридизационные процессы гораздо масштабнее, чем представлялось визуально (Nevard et al., 2020).

Иногда межвидовых гибридов получают искусственным путем с целью изучения их внешних признаков для идентификации таких птиц в случае возможной их гибридизации в природе. Поиск диагностических молекулярно-генетических маркеров для идентификации гибридов также актуален (Мудрик и др., 2015b).

Определение пола и соотношение полов

Поскольку у журавлей отсутствует половой диморфизм, определение пола с помощью молекулярно-генетических маркеров чрезвычайно важно и для изучения журавлей в природе, и при их содержании и разведении в зоопарках или питомниках. У птиц гетерогаметным полом является самка (половые хромосомы WZ), а гомогаметным самец (ZZ), поэтому определение пола заключается в выявлении с помощью специфических праймеров двух фрагментов ДНК разной длины у самки и одного фрагмента у самца (рис. 5).    

Соотношение полов самок и самцов как важная биологическая характеристика популяций мало изучено у журавлей в природе. При искусственном разведении японских журавлей в Окском заповеднике в потомстве отмечено преобладание самок (Нестеренко, Кашенцева, 2015), а у стерхов соотношение самцов и самок из года в год наблюдается примерно одинаковое (Мудрик и др., 2015с). Данные о соотношении полов в природных популяциях журавлей очень фрагментарные. Так, среди птенцов журавля-красавки в прикаспийской гнездовой группировке выявлена тенденция к преобладанию самок (Мудрик и др., 2018), а среди птенцов, неполовозрелых и взрослых особей серых журавлей на осенних скоплениях в Рязанской обл. идентифицировано больше самцов (Маркин и др., 2019).   

Управление генофондами редких видов журавлей в искусственно созданных условиях и реинтродукция

Целью разведения редких видов журавлей является поддержание их “резервного” генофонда в искусственно созданных условиях и увеличение численности птиц в природе путем реинтродукции птенцов. Генетическое качество потомства напрямую зависит от планирования скрещиваний и подбора неродственных особей для размножения в небольших искусственных популяциях. При близкородственных скрещиваниях в потомстве нарастает инбридинг, проявляющийся как в снижении адаптивных возможностей, так и болезней птенцов, часто несовместимых с жизнью. В небольшой искусственной популяции стерха в Питомнике редких видов журавлей Окского заповедника показано снижение генетического разнообразия во втором и третьем поколениях производителей по сравнению с птицами-основателями, что требует улучшения генофонда поголовья, предпочтительнее всего особями из природы (Мудрик и др., 2014а). Оценку генетического разнообразия размножающихся с целью реинтродукции искусственных популяций осуществляют также для индийского журавля в Тайланде (Sankhom et. al., 2018), а для редкого миссисиппского подвида канадского журавля генетические параметры разнообразия и родства интегрированы в племенную книгу (Henkel et al., 2011).

Генетический контроль размножения необходим и при искусственном осеменении самок спермой разных самцов для определения отцовства птенцов, поскольку сперматозоиды сохраняют жизнеспособность в половых путях самок журавлей продолжительное время (Jones, Niсolich, 2001). По нашим данным, у стерха этот период может составлять  до 15 суток (Мудрик и др., 2016).

Индивидуальная идентификация

Индивидуальная генетическая идентификация и реконструкция родственных взаимоотношений с помощью ДНК-маркеровпозволяют определять происхождение яиц, птенцов и взрослых особей при незаконном перемещении и торговле, например, в случае с редкими видами журавлей определять, из природы они или из легальных центров разведения (Meares et al., 2008). Также такая процедура проводится для выяснения происхождения птиц в зоопарках, останков или живых особей при утрате ими индивидуальных меток. Например, происхождение одного из пяти стерхов-реинтродуцентов из Окского заповедника, обнаруженного с травмой и без колец в Челябинской обл., установлено по сопоставлению его генотипа с генотипами родителей всех выпущенных в тот год в природу птиц (рис. 6) (Мудрик и др., 2014b). Важность такой идентификации заключается прежде всего в том, что травмированной птице предстоит жить в неволе, а для этого ей надо подобрать генетически неродственную пару.

Литература

• Krajewski C., Sipiorski J.T., Anderson F.E. Complete mitochondrial genome sequences and the phylogeny of cranes (Gruiformes: Gruidae). The Auk. 2010. 127(2): 440–452. https://doi.org/10.1525/auk.2009.09045
• Rhymer J.M., Fain M.G., Austin J.E., Johnson D.H., Krajewski C.  Mitochondrial phylogeography, subspecific taxonomy, and conservation genetics of sandhill cranes (grus canadensis; aves: Gruidae). Conservation Genetics 2001.  2: 203-218. https://doi.org/10.1023/A:1012203532300
• Petersen J.L., Bischof R., Krapu G.L., Szalanski A.L. Genetic variation in the midcontinental population of Sandhill cranes, Grus canadensis. 2003. Biochemical Genetics. 41: 1-12. https://doi.org/10.1023/a:1020985427461
• Jones K.L., Krapu G., Brandt D., Ashley M.V. Population genetic structure in migratory sandhill cranes and the role of Pleistocene glaciations. 2005a. Molecular Ecology 14:2645–2657. https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2005.02622.x
• Glenn T.C, Wolfgang S., Braun M.J.  Effects of a population bottleneck on whooping crane mitochondrial DNA variation. Conservation Biology. 1999. 13: 1097-1107. https://doi.org/10.1046/j.1523-1739.1999.97527.x
• Hasegawa O., Takada S., Yoshida M.C., Abe S. Variation of mitochondrial control region sequences in three crane species, the red-crowned crane Grus japonensis, the common crane G. grus and the hooded crane G. monacha.  Zoological Science .1999. 16: 685-692. https://doi.org/10.2108/zsj.16.685
• Haase M, Ilyashenko V. A glimpse on mitochondrial differentiation among four currently recognized subspecies of the Common crane Grus grus. Ardeola 2012. 59(1): 131-136. http://dx.doi.org/10.13157/arla.59.1.2012.131
• Мудрик Е.А., Кашенцева Т.А., Редчук П.С., Политов Д.В. Данные по микросателлитной изменчивости подтверждают низкую генетическую дифференциацию западного и восточного подвидов серого журавля (Grus grus L.). Молекулярная биология. 2015а. 49(2): 297–304. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23103136
• Haase M., Höltje H., Blahy B. Bridge D., Henne E., Johansson U.S., Kaldma K., Khudyakova E.A., King A., Leito A., Mewes W., Mudrik E.A., Ojaste I., Politov D.V., Popken R., Rinne J., Stanbury A., Tofft J., U. V., Schmitz Ornés A. Shallow genetic population structure in an expanding migratory bird with high breeding site fidelity, the Western Eurasian Crane Grus grus grus. Journal of Ornithology. 2019. 160: 965–972. https://doi.org/10.1007/s10336-019-01688-1
• Zhang L., Zhou L., Dai Y. Genetic structure of wintering Hooded Cranes (Grus monacha) based on mitochondrial DNA D-loop sequences. Chinese birds. 2012. 3(2):71-81. http://www.chinesebirds.net/EN/abstract/abstract194.shtml
• Sugimoto T., Hasegawa O., Azuma N., Masatomi M., Sato F., Matsumoto F., Masatomi Y., Izumi H., Abe S. Genetic structure of the endangered red-crowned cranes in Hokkaido, Japan and conservation implications. Conservation Genetics. 2015. 16: 1395–1401. https://doi.org/10.1007/s10592-015-0748-7
• Mudrik Е.А., Ilyashenko Е.I., Goroshko O.A., Kashentseva T.А., Korepov М.V., Sikorskiy I.A., Dzhamirzoev G.S., Ilyashenko V.Y., Politov D.V. The Demoiselle crane (Anthropoides virgo) population genetic structure in Russia. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding 2018. 22(5): 586-592. https://doi.org/10.18699/VJ18.398
• Mudrik E.A., Goroshko O.A., Smirenski S.M., Kuznetsova N.V., Surmach S.G., Kashentseva T.A., Politov D.V. Genetic differentiation of the vulnerable White-naped crane Antigone vipio (Gruidea, Aves) by mitochondrial DNA data. In: Modern Achievements in Population, Evolutionary, and Ecological Genetics: International Symposium, Vladivostok – Vostok Marine Biological Station, September 8–13, 2019: Program & Abstracts. Vladivostok, 2019. P. 41. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41378940
• Jones K.L., Barzen J.A., Ashley M.V. Geographical partitioning of microsatellite variation in the sarus crane. Animal Conservation. 2005b.8(1):1-8. https://doi.org/10.1017/S1367943004001842
• Jones K.L., Rodwell L., McCann K.I., Verdoorn G.H., Ashley M.V. Genetic conservation of South African wattled cranes. Biological Conservation. 2006. 127(1): 98-106. https://doi.org/10.1016/j.biocon.2005.07.016
• Nevard, T., Haase, M., Archibald, G., Leiper, I., & Garnett, S. The sarolga: Conservation implications of genetic and visual evidence for hybridization between the brolga Antigone rubicunda and the Australian sarus crane Antigone antigone gillae. Oryx. 2020. 54(1): 40-51. https://doi.org/10.1017/S003060531800073X
• Мудрик Е.А., Кашенцева Т.А., Политов Д.В. Интеграция молекулярно-генетических подходов в программу создания резервного генофонда редкого вида журавлей стерха (Grus leucogeranus Pallas). Успехи современной биологии 2015b.135(2): 139-147. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23305859
• Мудрик Е.А., Кашенцева Т.А., Гамбург Е.А., Гаврикова Е.Ю., Политов Д.В. Неинвазивный метод идентификации пола птенцов журавлей по ДНК из капиллярных сосудов аллантоиса. Онтогенез. 2013. 44(12): 372-376. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20280599
• Нестеренко О.Н., Кашенцева Т.А. Преобладание самок в потомстве японских журавлей и его возможный адаптивный характер. Труды Окского государственного природного биосферного заповедника. 2015. 34: 250-254. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26429131
• Мудрик Е.А., Кашенцева Т.А., Постельных К.А., Носаченко Г.В., Политов Д.В. Соотношение полов в потомстве искусственной популяции стерха (Grus leucogeranus Pallas). Генетика. 2015с. 51(12): 1439–1443. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24730266
• Мудрик Е.А., Ильяшенко Е.И., Джамирзоев Г.С., Корепов М.В., Политов Д.В. Соотношение полов у птенцов красавок (Anthropoides virgo Linneaus, 1758) прикаспийской гнездовой группировки. Генетика. 2018. 54(Приложение): S54–S57. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36465058
• Маркин Ю.М., Постельных К.А., Кондракова К.Д., Мудрик Е.А., Пекарская С., Натан Ран. Результаты мечения серых журавлей Grus grus GPS-GSM-передатчиками в 2016–2018 гг. Труды Окского государственного природного биосферного заповедника. 2019. Вып. 38. Рязань. ГУП РО «Рязанская областная типография». С. 52-57. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41317899
• Мудрик Е.А., Кашенцева Т.А., Постельных К.А., Носаченко Г.В., Политов Д.В. Генетическое разнообразие и родство в разных поколениях искусственной популяции стерха (Grus leucogeranus Pallas). Генетика. 2014а. 50(11): 1345–1353. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22453247
• Henkel J.R., Jones K.L., Hereford S.G., Savoie M.L., Leibo S.P., Howard J.J. Integrating microsatellite and pedigree analyses to facilitate the captive management of the endangered Mississippi sandhill crane (Grus canadensis pulla). Zoo Biology. 2011. (30): 1-14. https://doi.org/10.1002/zoo.20399
• Jones К.L., Nicolich J.M. Artificial insemination in captive whooping cranes: Results from genetic analyses. Zoo Biology. 2001. 20: 331-342. https://doi.org/10.1002/zoo.1032
• Meares K., Dawson D., Horsburgh G., Perrin M., Burke T., Taylor T. Characterisation of 14 blue crane Grus paradisea (Gruidae, AVES) microsatellite loci for use in detecting illegal trade. Conservation Genetics. 2008. 9: 1363–1367. https://doi.org/10.1007/s10592-007-9490-0
• Мудрик Е.А., Кашенцева Т.А., Гамбург Е.А., Политов Д.В. Генетическая паспортизация и идентификация стерхов (Grus leucogeranus Pallas) в искусственно созданных условиях. Известия РАН. Серия биологическая. 2014b. 41(3): 219–227. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21418080