Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)

6. szám - IL. Hidrobiológus Napok: „A Balaton és vízrendszere – a Balaton-kutatás története” és „A Duna-kutatás története” Tihany, 2007. október 3–5.

43 Kariológiai elemzés számítástechnikai eszközökkel árvaszúnyogoknál (diptera: chironomidae) Dévai György

1 - Miskolczi Margit

1 - Bollmann Krisztián

1 - Csépes Eduárd

2 "Debreceni Egyetem, TEK, TTK, Hidrobiológiái Tanszék, 4032. Debrecen, Egyetem tér 1. 2Közép-Tisza-vidéki Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság, 5000. Szolnok, Ságvári krt. 4. Kivonat: Az árvaszúnyogok fajgazdag és változatos életmódú együttesei segítségével kiválóan, s ugyanakkor árnyaltan lehet jellemezni a vízterek ökológiai minőségi állapotát és potenciálját, söt az azokban bekövetkező változások iránya és következményei is nagy valószínűséggel előre jelezhetők és becsülhetők. Ennek ellenére eddig viszonylag kevés esetben került sor az árvaszúnyogok felhasználására a konkrét vízminösítö munkában. A csoport szélesebb körű felhasználásának egyik legfőbb akadálya a biztos és egyértelmű fajazonosítás nehézsége. Az azonosítási (identifikációs) gondok megoldásának már több évtizede egyik ígéretes eszköze a kariológiai elemzés, aminek szélesebb körű gyakorlati alkalmazására eddig elsősorban módszertechnikai okokból nem került sor. A lárvák nyálmirigysejtjeiben lévő óriáskromoszómák sávmintázatának tanulmányozására egy olyan számítógépes eljárást dolgoztunk ki és mutatunk be dolgozatunkban, amely lehetővé teszi bármely ismert vagy feltételezett sávmintázat előállítását, továbbá egy összehasonlító mintázatsorozat elkészítését, sőt a helyi fajegyüttes azonosítására alkalmas kulcs összeállítását is. Kulcsszavak: árvaszúnyogok (Diptera: Chironomidae), identifikáció, óriáskromoszómák, sávmintázat-elemzés, számítógépes eljárás.. Bevezetés Nemzetközi és hazai vizsgálatok hosszú sora tanúsítja (vö. pl. Armitage et al. 1995, ill. Móra et al. 2005), hogy az árvaszúnyogok fajgazdag és változatos életmódú együttesei segítségével kiválóan, s ugyanakkor árnyaltan lehet jellemezni a vízterek ökológiai minőségi állapotát és potenciálját, sőt az azokban bekövetkező változások iránya és következményei is nagy valószínűséggel előre jelezhetők és becsülhetők. Ennek ellenére eddig viszonylag kevés esetben került sor az árvaszúnyogok felhasználására a konkrét vízminősítő munkában, beleértve az EU VKI keretében nemzetközi összefogással végzett reprezentatív felméréssorozatokat is (vö. pl. Sommerhäuser és Schuhmacher 2003). A csoport szélesebb körű felhasználásának egyik legfőbb akadálya a biztos és egyértelmű fajazonosítás nehézsége, különösen azoknál a csoportoknál, amelyek egyrészt a legérzékenyebben tükrözik víztereink minőségét, másrészt igen alkalmasak azoknak a változásoknak a kimutatására, amelyek a jó ökológiai állapotot/potenciált napjainkban leginkább veszélyeztető tényezők és folyamatok hatására következnek be. Az azonosítási (identifikációs) gondok megoldásának már több évtizede egyik ígéretes eszköze a kariológiai elemzés, aminek szélesebb körű gyakorlati alkalmazására eddig elsősorban módszertechnikai okokból nem került sor. A kromoszómák sávmintázatának tanulmányozására egy olyan számítógépes eljárást dolgoztunk ki és mutatunk be ebben a dolgozatban, amely lehetővé teszi bármely ismert vagy feltételezett sávmintázat előállítását, továbbá egy összehasonlító mintázatsorozat elkészítését, sőt a helyi fajegyüttes azonosítására alkalmas kulcs összeállítását is. Anyag és módszer Kariológiai vizsgálatok céljára a lárvák nyálmirigy-sejtjeiben lévő óriáskromoszómák a legalkalmasabbak, amelyeknek sávmintázata a 4. lárvastádium 5-9. fázisában elemezhető a legjobban. A fejlődési állapotot a lárvák 8. potrohszelvényén a 4. stádiumban fokozatosan kialakuló ivarkezdemények, az ún. imágókorongok segítségével lehet megállapítani (Wülker et al. 1979). A kariológiai módszerrel történő azonosításhoz először kromoszómapreparátumot kell készíteni (Dévai et al. 1984), ami jól láthatóvá és elemezhetővé teszi a kromoszómák sávmintázatát. Az identifikációs célú kariológiai vizsgálatokban döntő előrelépés akkor következett be, amikor Keyl hosszú évek fáradságos munkájával egységesítette („standardizálta") az árvaszúnyogok hét kromoszómakarjából háromnak (A, E, F) a sávmintázatát (Keyl 1962). További előrelépést jelentett, hogy Dévai és munkatársai - Keyl stílusában - további három karnál (B, C, D) végezték el a standardizálást (Dévai et al. 1989), aminek eredményeképpen már nagy biztonsággal vált lehetővé a fajok kariológiai alapú elkülönítése és azonosítása. Az óriáskromoszómák száma az árvaszúnyogoknál többnyire négy, mivel a hét karból hat - az áthelyeződések (transzlokáció) eredményeképpen különböző kombinációkban - párosával összetapad (metacentrikus), egy kar (G) pedig önálló marad (telocentrikus). Többször előfordul azonban, hogy a „G" kar is hozzátapad valamelyik kromoszómához, s ilyen esetben a kromoszómák száma háromra csökken. Az első feladat mindig a karkombinációk megállapítása, ami lehetővé teszi a teljes fajspektrum leszűkítését az ún. fajcsoportokra (Keyl 1962; Wülker 1980; Wülker és Morath 1989). Minden kromoszómakarnak jellegzetes sávmintázata van. Az egységesítéskor sávcsoportok lettek kialakítva, elsősorban a könnyebb kezelhetőség érdekében. így minden sávot - karonként külön-külön - egy alfanumerikus kód azonosít: a sávcsoportot jelölő szám, azon belül pedig magát a sávot jelölő betű (pl. lb, 14d). A karok jellegzetes és egyedi, azaz a faji hovatartozás megállapítására is alkalmas sávmintázatai az evolúció során a kromoszóma szerkezetében bekövetkező változásokkal [elsősorban a karon belüli megfordulásokkal (inverzió) és kiesésekkel (deléció)] jönnek létre. Mivel a sávok száma igen nagy (összesen a hat standardizált karnál 781), a mintázatok pedig roppant változatosak, a kariológiai alapon történő fajazonosítás nemcsak nehéz, hanem állandó és nagy gyakorlatot igénylő feladat (hiszen a sávmintázatoknak „fejben kell lenniük"). Dévai és munkatársai korábban összeállítottak egy azonosítási kulcsot a sávmintázatok alapján (Dévai et al. 1984), azonban még ennek a használatával is komoly gondot okozott az identifikáció. Ennek további könnyítésére törekedve kezdtük el a sávmintázatok elemzésének az alábbiakban ismertetendő számítógépes módszerét kidolgozni. Számítástechnikai eljárást igénybe véve a sávok sorrendcseréjével és/vagy a sávok egy részének törlésével történik új mintázatok létrehozása. Ez komoly odafigyelést és precizitást igényelő munka, mivel egyrészt könnyű téveszteni, másrészt nehéz fejben tartani az egyes részlépéseket és azokat az új (esetleg nem is valós, hanem hipotetikus) mintázatokat, amelyek később kiindulásai lehetnek további levezetéseknek. Ehhez a munkához nyújt támogatást a „Kromoszóma" szoftver. Segítségével „.kro" kiterjesztésű állományokat tudunk kezelni, amelyek kromoszómák karjait reprezentálják, sávcsoportokra, illetve sávokra osztva. Megnyitva egy-egy állományt a képernyő bal oldalán található szöveges mezőbe töltődik be az adott kar sávmintázatának kódolt változata, oly módon, hogy minden egyes sor egy sávot jelent. Adataink mindig három oszlopban jelennek meg. Az első oszlopnak csupán technikai jelentősége van, ez egy technikai sorszámozás (mivel egy-egy kar akár 100-nál több sávból is állhat, célszerű volt a sávokat sorszámokkal is ellátni). A második oszlop a valós sorszámok megjelenítésére szolgál, azaz az itteni sorszámok mindig azonosak azzal a számmal, amelyet az adott sávhoz a standard mintázatban hozzáren-