Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Молекулярно-генетическая и морфологическая изменчивость черноморской пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus (Eichwald, 1831) в связи с ее инвазией в водоемы бассейна Волги

ВАК РФ 03.02.06, Ихтиология

Автореферат диссертации по теме "Молекулярно-генетическая и морфологическая изменчивость черноморской пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus (Eichwald, 1831) в связи с ее инвазией в водоемы бассейна Волги"

На правах рукописи

Кирюхипа Наталья Александровна

Молекулярно-генетическая и морфологическая изменчивость черноморской пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus mgrolineatus (ЕюЬздаЫ, 1831) в связи с ее инвазией в водоемы бассейна Волги

03.02. Об - ихтиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

¡70 2013 005535028

Москва-2013

005535028

Работа выполнена в лаборатории экологии водных сообществ и инвазий Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН.

Научный руководитель:

академик, профессор, заведующий лабораторией экологии водных сообществ и инвазий ФГБУН ИПЭЭ РАН Юрий Юлианович Дгебуадзе

Официальные оппоненты: Юрий Степанович Решетников

профессор, доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории экологии низших позвоночных ФГБУН ИПЭЭ РАН

Николай Сергеевич Мюге

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной эмбриологии института биологии развития им. Н.К.Кольцова (ФГБУН ИБР) РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики гидробионтов всероссийского научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО)

Ведущая организация:

Федеральное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

Защита диссертации состоится 6 ноября 2013 г. в 11.00 на заседании Диссертационного Совета Д 002.213.02 при ФГБУН Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН, по адресу: 119071 г. Москва, Ленинский проспект, д. 33, факс (495) 952-35-84, e-mail: admin@sevin.ru. www.sevin.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Отделения биологических наук РАН по адресу: Москва, Ленинский проспект, 33.

Автореферат разослан 4 октября 2013 г.

Учёный секретарь Диссертационного Совета, кандидат биологических наук

Е.А.Кацман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В последние десятилетия случаи вселения чужеродных видов в водные сообщества резко участились. Стремительное распространение видов-вселенцев несет в себе опасность, как для экосистем, так и для общества. Изучение генетики видов-вселенцев, с одной стороны, может дать новые знания о ранних этапах дифференцировки популяций, о механизмах, лежащих в основе успеха колонизации, с другой стороны - помогает находить пути и источники инвазии, что имеет большое значение для прогнозирования и проведения превентивных мероприятий (Lee, 2002).

Одним из видов рыб, распространяющихся по водоемам европейской части России, является черноморская пухлощекая игла-рыба Syngnathus nigrolineatus. До недавнего времени этот вид населял только прибрежные воды Черного, Азовского и Каспийского морей и устья впадающих в них рек. Выделяют каспийский и черноморский подвиды этого вида (S. nigrolineatus caspius, S. nigrolineatus nigrolineatus), которые по морфологическим признакам различаются слабо (Берг, 1949). После создания водохранилищ в бассейнах Днепра, Дона и Волги игла-рыба образовала в них устойчивые популяции (Кудерский, 1971; Евланов и др., 1998; Завьялов и др., 2007).

Существуют различные версии относительно проникновения иглы-рыбы в Волгу. JI. А. Кудерский (Кудерский, 1971) полагает, что происходило саморасселение S. nigrolineatus из Черного моря в волжские водохранилища, поскольку каспийский подвид высоко в реки не поднимается. Некоторые авторы считают, что игла-рыба могла быть случайно завезена при интродукции беспозвоночных из Дона и Цимлянского водохранилища или же произошло расселение каспийского подвида S. nigrolineatus из низовьев Волги (Абрамов и др., 2002; Шаронов, 1971). Обозначенные ранее пути расширения ареала пухлощекой иглы-рыбы основывались на сравнительном анализе морфологии материнских и инвазионных популяций (Гавлена, 1974) и документированных случаях преднамеренной интродукции гидробионтов в бассейны Днепра, Дона и Волги. Однако ввиду незначительности морфологических отличий каспийского и черноморского подвидов и перекрываемости диагностических признаков, результаты морфологического анализа не могут трактоваться однозначно (Кирюхина, 2013). В связи с этим более целесообразным представляется использование молекулярно-генетических методов, обладающих большим разрешением

Интересным вопросом, связанным с пухлощекой иглой-рыбой, является ее видовая принадлежность и отношения с другими видами рода Syngnathus. В сравнительно недавних публикациях объединяют S. nigrolineatus со средиземноморскими иглами S. abaster в один вид Syngnathus abaster (Васильева, 2004). Эта точка зрения, а также спорные вопросы,

связанные со структурой самого вида S. nigrolineatus требуют решения на современном методическом уровне.

Цели и задачи. Основной целью исследования является оценка молекулярно-генетического и морфологического разнообразия пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus Eichwald 1831 в пределах ее современного ареала, а также выявление путей расселения этого вида.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

• на основании анализа полиморфизма митохондриальной ДНК уточнить пути инвазии пухлощекой иглы-рыбы;

• сопоставить генетическое разнообразие в инвазионных и аборигенных популяциях пухлощекой иглы-рыбы, проверить наличие эффекта основателя;

• оценить филогенетические отношения 5. nigrolineatus со средиземноморскими иглами S. abaster, используя данные базы Генбанк (http://www.ncbi. nlm.nih.gov/genbank/):

• оценить уровень морфологических различий популяций пухлощекой рыбы-иглы из разных частей современного ареала.

Научная новизна.

Впервые получены данные по изменчивости фрагментов контрольного региона и гена цитохрома b мтДНК для вида Syngnathus nigrolineatus. На основании полученных данных сделаны предположения о возможных путях и источниках инвазии. Показано, что популяция среднего Каспия является генетически обособленной, в авандельте Волги были обнаружены одновременно типично каспийские и черноморские гаплотипы, что, может говорить о вторичной инвазии иглы-рыбы в Волгу из волжских водохранилищ. Изучены филогенетические отношения S. nigrolineatus со средиземноморской иглой-рыбой S. abaster на основании данных из базы Genbank.

Теоретическое значение и практическое значение работы.

Черноморская пухлощекая игла-рыба представляет собой модельный объект для изучения процесса биологических инвазий чужеродных видов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Популяции волжских водохранилищ S. nigrolineatus генетически близки к популяциям Черного моря и вероятно происходят от них.

2. Популяции Каспийского и Черного морей представляют собой генетически обособленные группы.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на трех конференциях: молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых» (Москва, 2010), The III International Symposium "Invasion of alien species in Holarctic. Borok - 3" (Borok - Myshkin, 2010), международной конференции «Проблемы популяционной и общей генетики» (Москва, 2011), а также на коллоквиумах лаборатории экологии водных сообществ и инвазий Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН (2008-2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, 3 из них в издании из «списка ВАК».

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 81 странице текста и состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа включает 9 таблиц и 14 рисунков.

Благодарности.

Автор благодарен научному руководителю Ю.Ю.Дгебуадзе за руководство и создание условий для выполнения данной работы; М.В. Холодовой за помощь в освоении методов, рекомендации и замечания при обсуждении полученных данных и поддержку на всех этапах работы; А.А.Махрову и В.А.Артамоновой за ценные замечания при подготовке рукописи диссертации, а также сотрудникам кабинета методов молекулярной диагностики ИПЭЭ РАН и всем коллегам, оказавшим помощь в сборе материала: А.К.Устарбекову, Ю.А.Малининой, В.В.Осипову, Е. Д.Васильевой и В.П.Васильеву.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИНВАЗИЙ ЧУЖЕРОДНЫХ ВИДОВ

Раздел 1. Экологические и генетические аспекты биологических инвазий чужеродных видов.

Рассматриваются экологические и генетические факторы, которые могут быть связаны с успешностью инвазий чужеродных видов. Приводятся данные о генетических маркерах, используемых для изучения видов-вселенцев.

Раздел 2. Понто-Каспийский регион. Геологическая история. Инвазии чужеродных видов в XX веке.

Описывается геологическая история Черного и Каспийского морей. Приведены основные направления инвазий гидробионтов в Понто-Каспийском регионе в XX веке. Рассматриваются данные о биологии пухлощекой иглы-рыбы £ п'^гоНпеаШз и ее расселении в водоемах бассейна Волги.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Раздел I. Сбор материала.

Нами был использован материал из 8 популяций БущпаМш п&оПмаШэ (табл. 1). Кроме того, были собраны три экземпляра 5. 1урМе (табл. 1). Все образцы, кроме выборки из реки Дон (Ростов-на-Дону) хранились в 96% спирте. Образцы из реки Дон в районе Ростова-на-Дону были зафиксированы в формалине, поэтому не использовались для генетического анализа. Объемы выборок из различных популяций для

генетического и морфологического анализа приведены в таблице. Всего использовано 266 особей для морфологического и 142 - для генетического анализа.

Таблица 1. Состав и описание изученных выборок.

Название Место сбора. Ыт

Выборки

ВЛГ Волгоградское вдхр., в черте г. Саратова 2006 74 19

ВОЛ Дельта Волги, река Кривой Бузан, 2008 11 И

АВА Авандельта, Раскаты, 2010 21 19

ДАГ Каспийское море, бухта Сулак, устье Терека, 2008 19 14

ДОН1 Р. Дон, в районе Ростова-на-Дону, 2003 45 0

ДОН2 Р. Дон база ЮНЦ РАН, 2010 5 2

ДНЕ Днепровский лиман, 2009 31 25

ЧЕР Черное море, Таманский залив 5. т^гоИпеаЬш, 2007 31 31

Черное море, Таманский залив X 1урЫе, 2007 0 3

КУБ Куйбышевское вдхр. 2010 29 28

Примечание: Ыт - объем выборки взятой для морфологического анализа; Ng -объем выборки взятой для генетического анализа.

Раздел 2. Морфологический анализ.

Выполнены следующие промеры: длина тела (без хвостового плавника) - ас!, длина головы (до конца жаберной крышки) - ао, длина рыла (до начала глазницы) - ап. Поскольку основным диагностическим признаком для различия подвидов является относительная длина рыла, для морфологического анализа мы использовали такие индексы как отношение длины головы к длине тела (индекс Н) и длины рыла к длине тела (индекс Б). Также подсчитывали число лучей в спинном плавнике (О). Кроме того, считали число грудных (Ыр) и хвостовых (№) поясков, количество лучей в грудном плавнике (Р), поскольку у некоторых видов игл-рыб эти признаки

4

являются довольно изменчивыми. Для оценки внутригрупповой изменчивости использовали показатель внутрипопуляционного разнообразия Животовского ц (1982). Первичная обработка данных проводилась в программе Statistica 6.0. Для попарного сравнения выборок между собой использовался непараметрический критерий Манна-Уитни, поскольку проводились множественные сравнения, была введена поправка Бонферони на уровень значимости (р =а/№:0,002, где a - корректируемый уровень значимости (a=0,05), N - число попарных сравнений (N=21)). Выборка из дельты Волги была исключена из сравнения из-за ее малого объема. В среде для статистического программирования и вычислений R (версия 2.5.13) http://www.r-projcct.org/ считались коэффициенты корреляции Спирмена р и проведен анализ главных компонент.

Раздел 3. Анализ генетического разнообразия.

Экстракция ДНК проводилась из кусочка ткани туловищного отдела рыбы с помощью набора реагентов Diatom Prep (Изоген, Москва, Россия) согласно протоколу производителя.

Для амплификации контрольного региона мтДНК и гена цитохрома b S. nigrolineatus и S. typhle были разработаны две пары праймеров: (Prleñ 15499) 5'-CGCCGGTCTTGTAAAC-3', (Prright 16419) 5'-ТААСАТСТТС-AGTGTTATGCTTTAT-3 ' и (Fcytb 14295) 5'-CTTGAAAAACCACCGTTG-TAAT-3', (Rcytb 15135) 5'-AAGAAGTATCATTCTGGCTTAATATG - 3' соответственно.

Определение последовательности ДНК проводили на автоматическом анализаторе ABI 310 с использованием соответствующих праймеров и набора ABI PRISM Big Dye Terminator Cycle sequencing kit v.3.1 (Applied Biosystems, США) в соответствии с протоколами фирмы изготовителя.

Сравнение с другими видами рода Syngnathus из базы Genbank производилась с помощью программы "Blast" на сайте NCBI (National Center for Biotechnology Information) www.ncbi.nlm.nih.gov.

Лабораторная часть работы проведена в Межинститутском кабинете методов молекулярной диагностики ИПЭЭ РАН, а секвенирование ДНК - в Межинститутском Центре коллективного пользования «ГЕНОМ» ИМБ РАН http://www.genome-centre.narod.ru/.

Полученные последовательности были выравнены с помощью программы BioEdit 7.0.9.0. (Hall, 1999). Нуклеотидное (я) и гаплотипическое (Н) разнообразие и реконструкция гаплотипов производилась в программе DNASP v5 (Librado & Rozas, 2009). Расчет индексов Fst (бутстреп тест 5000 повторностей) и тест Рэймонда и Роуссета (Raymond, Rousset, 1995) (для проверки гипотезы о равенстве распределений гаплотипов между популяциями) проводились в программе Arlequin v.3.5.1.2. (Excoffier, Lischer, 2010). Сети гаплотипов строились в программах Network 4.5 (Bandelt et al. 1999), TSC 1.21 (Clement et al., 2000). С помощью программы JmodelTest 2.0.2 (Guindon, Gascuel, 2003; Darriba et al., 2012) были выбраны модели

нуклеотидных замен для фрагментов контрольного региона: 1- (TPM2uf+I+G) и 2 -(TPMluf+1+G); для гена цитохрома b: 1 - (TIM2+G) и 2 - (TIM2+I) (1-для дерева на основании фрагмента мтДНК длиной 1066 п.н.; 2 - для дерева на основании фрагмента мтДНК длиной 750 п.н.). В программе MrBayes 3.1.2 (Ronquist & Huelsenbeck, 2003) был проведен байесовский филогенетический анализ для объединенных фрагментов гена цитохрома b и контрольного региона мтДНК (длиной 1066 п.н. и 750 п.н.) с использованием приведенных выше моделей (2 запуска, 5000000 генераций алгоритма МСМСМС, 50000 деревьев для расчета достоверности). В программе PhyML 3.0. (Guindon et al, 2010) были построены деревья методом наибольшего правдоподобия (ML) (модель нуклеотидных замен - GTR; бутстреп тест 1000 повторностей). Также были посчитаны генетические дистанции (р) на основании двухпараметрической модели (Kimura, 1980) в программе Mega v5 (Tamura et al., 2007).

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Раздел 1. Анализ морфологических признаков Syngnathus nigrolineatus из популяций бассейнов Черного и Каспийского морей.

Все изученные нами образцы укладываются в размерный ряд от 58 до 177 мм; в среднем более крупными оказались рыбы из Куйбышевского водохранилища (135,9+4,2), более мелкими - рыбы из выборок Черного и Каспийского морей, Днепровского лимана (84,4+3,5; 97,8+3,7, 102,0+3,4 соответственно). Рыбы из Волгоградского водохранилища (119,8+1,5), Дона (125,51+2,0) авандельты Волги (116,0+2,0) и дельты Волги (125,8±3,1) занимают промежуточное положение по длине. Диапазоны значений длины тела между разными выборками пересекаются.

Берг (1949) и Мовчан (1988) отмечают небольшое увеличение числа лучей в спинном плавнике и количества хвостовых поясков с возрастом рыб. Мы посчитали коэффициенты корреляции Спирмена р между длиной тела рыб и другими используемыми признаками для каждой популяции отдельно (выборка из дельты Волги была исключена из анализа из-за ее малого объема). Достоверной корреляции признаков с длиной тела не найдено для наших выборок. При подсчете коэффициентов корреляции на всей выборке прямая зависимость от размера особи, хоть и невысокая, обнаружилась для числа лучей в грудном плавнике, числа лучей в спинном плавнике, количества хвостовых поясков (коэффициенты корреляции равны соответственно 0,200, 0,509 и 0,41 р «0,001). Небольшая обратная зависимость от длины тела найдена для индекса Н (коэффициент корреляции - 0,27, р «0,001). Эти данные, безусловно, нельзя распространить на отдельные популяции, и полученные корреляции признаков с длиной тела могут не отражать реальную ситуацию, но, тем не менее, возможно при увеличении объема наших выборок из отдельных локальностей можно было бы установить такие зависимости.

Исследованные нами индексы Н и Б в среднем оказались максимальными для рыб из Каспийского моря (что согласуется с данными Берга (1949)) (рис. 1 Д, Е). Следует отметить, что для обоих индексов характерно перекрывание диапазонов значений между различными выборками. Для многих выборок найдены достоверные различия по этим признакам. Парные различия между каспийской выборкой и остальными по обоим индексам достоверны для всех выборок, кроме выборки Днепровского лимана (табл. 2). Выборка из Черного моря достоверно отличается по обоим индексам от днепровской и каспийской выборки, а также от волгоградской выборки по индексу Н и от куйбышевской по индексу Б. Интересно, что выборки из дельты Волги (р. Кривой Бузан) и авандельты Волги по средним значениям индексов ближе к популяциям черноморского бассейна и волжских водохранилищ, чем к каспийской выборке. Этот факт согласуется с результатами молекулярно-генетического анализа мтДНК (см. глава 3 раздел 2), согласно которому рыбы из дельты Волги и волжских водохранилищ близки к черноморским.

А)

40 39 за 37 36

Б)

44

42 40

за

36

О

34

32 30 26 26

6 7 8

В)

0.17

^ т

Й

и

ЕЙ

Г)

° Среднее □ Среднее+БЕ I Мт-Мах

Рис. 1. Значения признаков № (А), О (Б),) и индексов Н (В), Б (Г) в разных выборках иглы-рыбы. 1 - Волгоградское водохранилище, 2 -Куйбышевское водохранилище, 3 - дельта Волги, 4 - авандельта Волги, 5 -Каспийское море, 6 - Черное море, 7 - Дон, 8 - Днепровский лиман.

Среди счетных признаков наименее изменчивым оказались число лучей в грудном плавнике (Р) и количество грудных поясков (Ир). Значения индексов Животовского (I, отражающие число морф, присутствующих в популяции, наименьшие для этих признаков (табл. 3). Для большинства особей во всех популяциях характерно 16 колец в грудном отделе и 12 лучей в грудном плавнике, за исключением популяций Волгоградского

8

водохранилища и Дона (13 лучей). Возможно, последнее сходство не случайно, и является следствием занесения иглы-рыбы в Волгоградское водохранилище при интродукции беспозвоночных из Дона.

Таблица 2. Сравнение выборок иглы-рыбы по различным признакам.

Водоем, N Признаки Уровни значимости (критерий Манна-Уитни)

1 2 3 4 5 6 7

I Волгоградское вдхр п—74 N1 нд < 0,002 НД <0,002 нд НД

О нд < 0,002 НД <0,002 < 0,002 НД

н <0,002 < 0,002 НД ,_< 0,002 < 0,002 <0,002

Б нд < 0,002 НД < 0,002 нд < 0,002

2 Авандельта Волги п=21 N1 нд <0,002 нд < 0,002 нд нд

Э нд < 0,002 нд НД < 0,002 нд

Н < 0,002 < 0,002 нд <0,002 НД нд

Б нд <0,002 нд НД НД нд

3 Каспийское Море п=19 N1 <0,002 < 0,002 <0,002 НД НД < 0,002

О < 0,002 < 0,002 < 0,002 ! НД нд < 0,002

Н <0,002 <0,002 < 0,002 ; НД <0,002 < 0,002

Б < 0,002 < 0,002 < 0,002 НД < 0,002 <0,002

4 Дон п=45 N1 НД нд <0,002 < 0,002 < 0,002 нд

О НД нд <0,002 < 0,002 < 0,002 НД

Н нд нд <0,002 1 < 0,002 нд <0,002

Б НД нд < 0,002 <0,002 НД <0,002

5 Днепровский лиман п=31 N1 < 0,002 < 0,002 НД < 0,002 < 0,002 < 0,002

Т> <0,002 нд нд <0,002 < 0,002 <0,002

н < 0,002 < 0,002 нд < 0,002 <0,002 <0,002

Б < 0,002 нд нд < 0,002 < 0,002 нд

6 Черное море п=29 N1 нд нд нд <0,002 < 0,002 < 0,002

О <0,002 <0,002 нд < 0,002 <0,002 <0,002

н < 0,002 НД < 0,002 нд <0,002 нд

Б нд нд < 0,002 НД < 0,002 < 0,002

7 Куйбышевское вдхр п-29 N1 нд НД <0,002 нд < 0,002 < 0,002

Б нд НД < 0,002 нд <0,002 <0,002

Н < 0,002 НД < 0,002 <0,002 <0,002 НД

Б <0,002 НД <0,002 <0,002 НД < 0,002

*НД - нет достоверных различий.

Более изменчивым оказалось число лучей в спинном плавнике (Б). Наименьшее среднее значение этого признака имели выборки Каспийского и Черного морей (33,63+0,41; 33,19+0,38 соответственно), а также выборка из Днепровского лимана (35,10+0,31), средние числа лучей в спинном плавнике для других выборок (представленных, как правило, более крупными экземплярами) варьируют в пределах 37-39 лучей. Наибольшие значения индекса Животовского наблюдаются у выборок Куйбышевского водохранилища, Каспийского моря и Черноморского бассейна (Днепровский лиман, Дон, Таманский залив Черного моря), наименьшие - для выборок нижней Волги (Волгоградское водохранилище, дельта Волги, авандельта

Волги). Выборка из дельты Волги также характеризуется низким значением показателя Животовского для числа хвостовых колец (табл. 3).

Наблюдаются достоверные различия для некоторых выборок по признаку Б. При попарном сравнении популяции Каспийского моря с популяциями Черноморского бассейна, достоверные различия по числу лучей в спинном плавнике были обнаружены только для выборки из Днепровского лимана (табл. 2).

Средние значения числа хвостовых поясков в различных выборках варьируют в пределах 37-39 колец. Для большинства особей из Каспийского и Черного морей число хвостовых колец (мода) равно 38, для Днепровского лимана этот показатель равен 37, для остальных же выборок 39. Возможно, как и в случае предыдущего признака наблюдается некоторое увеличение числа колец с размером особи.

Для всех меристических признаков наблюдается существенное перекрывание диапазонов значений между разными выборками.

Таблица 3. Значения показателя внутрипопуляционного разнообразия Животовского ц для различных счетных признаков в выборках иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus.

Станция Ыр № Э Р

Дельта Волги 1,8+0,2 2,7+0,3 5,7+0,4 2,7+0,3

Авандельта Волги 1 5,0+0,5 5,7+0,6 1,9+0,1

Каспийское море 1 >9+0,1 4,7+0,6 7,1+0,6 2,5+0,3

Дон 1,5+0,1 3,6+0,2 8,8+0,5 2,0+0,0

Днепровский лиман 1,7+0,1 3,3+0,3 7,0+0,5 2,5+0,2

Черное море 2,4+0,3 3,0+0,1 6,5+0,5 2,7+0,2

Куйбышевское вдхр. 1,9+0,3 3,7+0,2 8,2+0,5 3,2+0,3

Волгоградское вдхр. 2,1+0,2 5,1 ±0,3 5,3+0,4 3,1+0,2

Для выявления отдельных групп популяций иглы рыбы Syngnathus п '^гоГтемИиз мы использовали метод главных компонент по признакам Н, Б. Первые две компоненты в сумме связали 91 % суммарной дисперсии исследуемых признаков (табл. 4). На рис. 2 показано распределение рыб из разных выборок в пространстве двух компонент. Хотя явная обособленность рыб какой-либо из выборок не наблюдается, видно что, рыбы из Каспийского моря в основном несколько удалены от остальных и расположены в левой верхней части распределения, а рыбы из Черного моря - в нижней части распределения. Остальные же выборки образуют единое облако без какой-либо ясной структуры.

Таблица 4. Собственные значения главных компонент для признаков Э, Н, Б.

Параметр 1-ая компонента 2-ая компонента 3-я компонента

Собственное значение 1,40 0,87 0,52

Кумулятивный вклад главных компонент в суммарную дисперсию (%) 65,46 90,97 100,00

о Авандельта_Вопги А Волга

+ Волгоградское_вдхр х Днепр О Дон

V Каспийское_море а Куйбышевское_вдхр * Черное_море

-2

Первая компонента

Рис. 7 Распределение выборок иглы-рыбы в пространстве двух главных компонент по признакам Н, Э,

Ни один из изученных признаков не подходит для определения принадлежности образца к одному из подвидов, а также для установления происхождения волжских популяций, поскольку существует значительное перекрывание диапазонов значений признаков между выборками. Отношение длины рыла к длине тела и длины головы к длине тела в среднем несколько выше для рыб из популяции Каспийского моря. Достоверных различий по числу лучей в спинном плавнике и количеству хвостовых поясков между

популяциями Черного и Каспийского морей не найдено. Анализ главных компонент по трем признакам (Н, Б, О) не позволил выявить отдельные группы популяций.

Раздел 2. Генетическая изменчивость в различных популяциях Syngnathus п'^го1'теаШ$. Пути и источники инвазии в водоемы бассейна Волги.

Нами были получены последовательности фрагмента гена цитохрома Ь (507 п.н.) и фрагмента контрольного региона (560 п.н.) мтДНК & т^гоНпеаШ (N=139) и 5. 1урМе (N=3). Для контрольного региона было обнаружено 70 полиморфных сайтов и 5 однонуклеотидных вставок/делеций (¡П(1е1), две вставки в основном характерны для выборки из Каспийского моря. Для гена цитохрома Ь было найдено 53 вариабельных сайта.

В таблицах 5 и 6 приведены данные по нуклеотидному и гаплотипическому разнообразию для обоих маркеров. Почти все выборки характеризуются меньшим уровнем изменчивости по фрагменту гена цитохрома Ь, что связано с тем, что ген цитохрома Ь является белок-кодирующим и более консервативным, в отличие от некодирующего и более изменчивого контрольного региона.

Таблица 5. Нуклеотидное разнообразие в различных популяциях Syngnathus nigrolineatus.

Выборка N Контрольный регион Ген цитохрома Ь

Б 71 Б я

Куйбышевское вдхр. 22 5 0.0012+0.0004 7 0.0027+0.0009

Волгоградское вдхр. 19 9 0.0021+0.0007 6 0,0018+0.0005

Дельта Волги 11 2 0.0018+0.0004 1 0.0010+0.0002

Авандельта Волги 16 33 0.0152+0.0028 15 0.0092+0.0023

Каспийское море 14 15 0.0065+0.0010 20 0,0078+0.0020

Черное море 31 19 0.0040+0.0007 12 0,0029+0.0005

Днепровский лиман 24 8 0.0034+0.0006 7 0.0012+0.0006

Примечание: Э - число полиморфных сайтов, я - нуклеотидное разнообразие

Наибольшим уровнем нуклеотидного разнообразия по обоим маркерам характеризуется выборка из авандельты Волги, причем нуклеотидное разнообразие по контрольному региону на порядок превышает значения этого показателя для других выборок, также по этому маркеру для выборки из Авандельты характерно наибольшее число полиморфных сайтов. На втором месте по этому показателю стоит выборка из Каспийского моря. В волжских популяциях (Куйбышевское и Волгоградское водохранилища,

дельта Волги) наблюдается самый низкий уровень нуклеотидного разнообразия, в частности по гену цитохрома Ь наименьшей изменчивостью обладает выборка из дельты Волги, а по контрольному региону - выборка из Куйбышевского водохранилища. Выборка из Черного моря характеризуется более низким уровнем нуклеотидной изменчивости в сравнении с выборкой Каспийского моря.

Нами было описано 46 гаплотипов для фрагмента гена цитохрома Ь и 57 гаплотипов для фрагмента контрольного региона.

Для контрольного региона было найдено 6 «неуникальных» гаплотипов (встречающихся более чем в одной популяции), гаплотип (Ь1) встречается во всех популяциях, кроме Волгоградского водохранилища и Каспийского моря. Гаплотипы (Ь2, ИЗ) являются общими для популяций черноморского бассейна и волжских водохранилищ. В популяции Каспийского моря найден единственный «неуникальный» гаплотип (Ь6) общий с популяцией авандельты Волги. Гаплотипическое разнообразие по контрольному региону более высокое для популяций авандельты Волги, Черного и Каспийского морей, Днепровского лимана.

Для фрагмента гена цитохрома Ь было описано 3 «неуникальных» гаплотипа. Гаплотипы а1 и а2 встречаются во всех популяциях кроме Каспийского моря, в популяции Дона встречается только а2. Также единственный «неуникальный» гаплотип аЗ популяции Каспийского моря является общим с популяцией авандельты Волги. Показатели гаплотипического разнообразия максимальны для популяций авандельты Волги, Черного и Каспийского морей.

Таблица 6. Гаплотипическое разнообразие в различных популяциях Буп^псйЪш пщгоНпеаШя.

Выборка N №1 Ш1 N112 Нс12

Куйбышевское вдхр. 22 5 (0,23) Ы,Ь2,ЬЗ 0,468+0,015 6(0,27) а1,а2 0,580+0,111

Волгоградское вдхр. 19 7 (0,36) 112,113 0.544+0,136 6 (0,32)а1,а2 0,658+0,096

Дельта Волги 11 2 (0,18) Ы,Ь5 0,509+0,101 2 (0,18)а1,а2 0,509+0,101

Авандельта Волги 16 13 (0,81)111,115,116 0,967+0.036 7 (0,43)а1,а2,а3 0,741+0,105

Каспийское море 14 12(0,86) Ы 0,978+0.119 10(0,71) аЗ 0,890±0,081

Черное море 31 19 (0,61)Ь1,Ь2,ЬЗ,Ь4 0,938+0.027 12 (0,38)а1,а2 0,809+0,061

Днепровский лиман 24 8(0,33)Ы,ЬЗ,Ь4 0,801+0.052 6 (0,25) а1,а2 0,380±0.125

Дон 2 1 (0,5) Ы 0,000 2 (1,0) а2 1,000+0,500

- 139 N=57 - N=46 -

Примечание: КЬ - количество гаплотипов, в скобках число гаплотипов взвешенное на объем выборки; Ь1 -Н6, а!-аЗ - общие гаплотипы; Нс1 - гаплотипическое разнообразие, 1 - контрольный регион, 2 - ген цитохрома Ь.

В целом и гаплотипическое и нуклеотидное разнообразие снижено в популяциях водохранилищ и дельты Волги в сравнении с остальными.

Для установления степени родства между гаплотипами были построены сети гаплотипов (рис. 3, рис. 4). Полученные сети гаплотипов

13

имеют схожую структуру по обоим маркерам. Выделяются два кластера «каспийский» и «черноморский» отстоящие друг от друга на 8 нуклеотидных замен по контрольному региону и на 7 нуклеотидных замен по гену цитохрома Ь. К каспийскому кластеру принадлежат особи из каспийской популяции, а также несколько образцов из авандельты, а «черноморский» кластер включает в себя представителей оставшихся выборок. Оба кластера имеет звездчатую структуру (особенно заметную на сети построенной для гена цитохрома Ь), в центре расположены общие гаплотипы, вокруг которых группируются все остальные.

Инвазионные популяции волжских водохранилищ на сетях оказываются родственны черноморским популяциям и даже имеют общие гаплотипы (см. также рис. 5). Интересно, что популяция из дельты Волги также принадлежит к «черноморскому» кластеру. Возможно, она могла образоваться при вторичной инвазии из водохранилищ вниз по Волге. Сходная ситуация наблюдается и для некоторых других видов, недавно закрепившиеся в волжских водохранилищах ракообразные Cornigerius и Cercopagis на основании данных мтДНК оказались также близки черноморским выборкам, а не каспийским (Cristescu, 2003). С другой стороны «черноморские» гаплотипы могли проникнуть в дельту Волги во время одного из контактов Черного и Каспийского морей (время последнего контакта: -16000 лет назад (Bahr, 2005)). Авандельта Волги содержит гаплотипы принадлежащие и к «черноморскому» и к «каспийскому» кластерам, что объясняет повышенное генетической разнообразие в этой локальности.

По составу и частотам «неуникальных» гаплотипов популяции Волги отличаются друг от друга и от черноморских популяций (особенно на примере контрольного региона) (рис. 3). Так, в популяции Куйбышевского водохранилища самый распространенный гаплотип для фрагмента контрольного региона hl, в Волгоградском водохранилище - h3. Выборка из дельты Волги содержит гаплотипы hl и h5 (контрольный регион), последний из которых кроме данной локальности встречается только в авандельте.

о

О

6»,' Э -а ' о4'

- о

. . ©

4 '

V - О

V. "

' О О § ® ' ° О «

Рис. 3. Парсимониальная сеть гаплотипов 5. п'^гоНпеШкя из бассейнов Черного и Каспийского морей на основании фрагмента контрольного региона. Желтые круги — Каспийское море, зеленые -авандельта Волги, белые - дельта Волги, красные — Куйбышевское и оранжевые - Волгоградское водохранилища, голубые — Черное море, розовые - Дон, синие - Днепровский лиман, черные - гипотетические промежуточные гаплотипы. Размеров круга пропорционален числу особей с данным гаплотипом.

t

О

Рис. 4. Парсимониальная сеть гаплотипов S. nigrolineatus из бассейнов Черного и Каспийского морей на основании фрагмента гена цитохрома Ь. Обозначения те же, что и на рис. 1.

В качестве меры дифференциации популяций мы использовали парные индексы Fst, а для проверки гипотезы об идентичном распределении гаплотипов среди популяций использовался тест Рэймонда и Роуссета (Raymond, Rousset,1995) (табл.7) (индексы Fst и тест Рэймонда и Роуссета были посчитаны для объединенных фрагментов гена цитохрома b и контрольного региона (1067 п.н)). Тест Рэймонда и Роуссета показал значимые различия в распределении гаплотипов между всеми парами выборок. Популяция Каспийского моря наиболее «удалена» от остальных. Большие индексы Fst между каспийской и остальными выбороками (кроме Авандельты) (Fst >0,75; Р<0,001) говорят о ее изоляции. Генетическая «дистанция» между каспийской популяцией и авандельтой несколько ниже, что отражает присутствие родственных гаплотипов в обоих популяциях. Более низкие, но достоверные значения Fst для других пар популяций свидетельствуют о существовании ограниченного потока генов между этими популяциями. Для популяций дельты Волги и Авандельты Волги индекс Fst низкий и недостоверный, что отражает присутствие общих гаплотипов, эти локальности расположены ближе друг к другу, и при расселении рыбы иглы

из водохранилищ дельта Волги занимает промежуточную точку на пути к Авандельте.

Рис. 5. Распределение общих гаплотипов в различных популяциях 5. п'^гоНпеШт (на основании фрагмента контрольного региона). Незакрашенная часть круга отражает долю уникальных (характерных только для этой популяции) гаплотипов. Синим обозначен гаплотип Ы, зеленым - Ь2, голубым - ЬЗ, красным - Ь4, оранжевым - Ь5, желтым - Ь6

Таблица 7. Парные генетические расстояния между популяциями 5. nigrolineathlls на основании объединенных фрагментов гена цитохрома Ь и контрольного региона (1067 п.н).

Локальность КУБ ДНЕ АВА влг вол ДАГ ЧЕР

КУБ +** +*** +*** +*

ДНЕ 0.086" +** +***

АВА 0.168*** 0.176*** +*

влг 0.250*** 0.263*** 0.158*** +*** +***

вол 0.240*** 0.246*** 0.081 0.151**

ДАГ 0.793*** 0.771*** 0.478*** 0.805*** 0.782*** +*

ЧЕР 0.052** 0.106*** 0.147*** 0.099*** 0.107** 0.764***

Примечание: В таблице под диагональю приведены индексы над диагональю результаты теста Рэймонда и Роуесета (+ найдены значимые отличия в распределении гаплотипов, - нет значимых отличий), звездочками указан уровень значимости: *Р<0.05; **Р<0.01; ***Р<0.001. Поправка на множественные сравнения не вводилась. Названия выборок приведены в соответствие с таблицей 1.

Для уточнения филогенетических отношений между каспийским и черноморским подвидами S. nigrolineathus мы построили деревья гаплотипов для объединенных фрагментов гена цитохрома b и контрольного региона (1067 п.н) на основании байесовского анализа (BI), а также с помощью методов максимального правдоподобия (ML). Топология деревьев, построенных разными методами, не имела принципиальных различий. На дереве выделяются два кластера с высокой степенью поддержки, соответствующие каспийским и черноморским гаплотипам S. nigrolineatus, что говорит о генетической обособленности подвидов иглы-рыбы.

Раздел 3. Родство S. nigrolineatus со средиземноморскими иглами S.

abaster.

Для изучения степени родства со средиземноморскими иглами мы взяли последовательности фрагментов гена цитохрома b и контрольного региона S. abaster из базы Генбанк, проанализированные в недавней статье Sanna et. all (2013) (см. табл. 5). Далее для анализа мы использовали объединенный участок мтДНК (ген цитохрома Ь, контрольный регион) длиной 750 п.н..

Мы посчитали генетические дистанции (р) между различными группами S. abaster и подвидами S. nigrolineatus, для сравнения была также взята 5. typhle (табл. 9). Максимально удаленным от остальных группировок оказался тунисский кластер S. abaster (Т) (в таблице значения выделены жирным шрифтом), на втором месте по удаленности стоит итальянский кластер S. abaster (I) (в таблице значения выделены курсивом), западный кластер X abaster (W) и подвиды S. nigrolineatus отстоят друг от друга на примерно одинаковые расстояния. Интересно, что найденное нами наименьшие расстояние - между S. typhle и S. abaster W, чуть дальше отстоят подвиды S. nigrolineatus (причем расстояние между подвидами примерно такое же, как и расстояния от них до S. typhle). На сетях гаплотипов и деревьях (не приводится в автореферате) S. typhle также входит в один кластер с S. abaster W (рис. 6). Интересно, что в статье Санна (Sanna et. al., 2013) аналогичная ситуация с S. taenionotus, которая на сетях и деревьях кластеризуется вместе с западной группой S. abaster (W), что может говорить о полифилии S. abaster. Причинами поли- или парафилии может быть несовершенная таксономия, гибридизация, неполная сортировка линий во время видообразования.

Табл. 8. Последовательности 5. абскгег взятые из базы Генбанк. (Информация о группах 5. аЬа$1ег и местах сбора взята из статьи Санна (Баппа ег а!., 2013))

Группа Место поимки ID Genbank

S. abaster W Корсика cyt b:JF306532,33, 35,36

D-loop: №306423,24,26,27

Франция (Лангедок - Руссильон) cyt b:JF306558-61

D-loop:JF306450-53

Испания (Ла Манга) cyt b:JF306581,82,84

D-loop: JF306472,73,75

S. abaster I Италия (Лацио) cyt b:JF306619,29

D-loop: JF306510,20

Италия (Тоскана) cyt b:JF306631,33,35,37

D-loop: JF306522,24,26,28

Венеция cyt b: JF3 06607,9,11,13,14,17

D-loop: JF306498,00,02,04,05,08

S. abaster T Тунис 1 cyt b:JF306594,95,97,99

D-loop: JF306485,86,88,00

Тунис 2 cyt b:JF306600,03,04

D-loop: JF306490,93,94

Таблица 9. Парные генетические дистанции между различными группами 5. аЬсШег, подвидами 5. П1£гоГтеа1т и & ¡урЬк'.

Группа S.typhle Я abastera S. abaster I S. abaster T S. n. Nigrolineatus

i", typhle

S. abaster W 0.015+0.004

S. abaster I 0 040+0.007 0.036+0.006

S. abaster T 0.062+0.009 0.062+0.008 0.056+0.008

S. n. nigrolincatus 0.024+0.005 0.023+0.005 0.038+0.006 0.064+0.009

S. /). caspias 0.029+0.005 0.026+0.005 0.038+0.006 0.066+0.009 0.028+0.005

На медианных сетях гаплотипов выделяются 5 кластеров соответствующих 3 группировкам S. abaster и 2 подвидам S. nigrolineathus. Самой близкой к подвидам S. nigrolineathus оказывается западная группа S. abaster W.

Сеть парсимонии выявила 5 несвязанных кластеров

соответствующих описанным выше, поскольку связи между кластерами были незначимы.

Байесовское дерево (не приводится в автореферате) было укоренено S. abaster Т, поскольку полученная в результате топология (где кластер S. abaster Т внешний по отношению к кластеру, включающему S. abaster W н S. abaster Г) характерна и для укорененного дерева S. abaster по данным Санна (Satina, 2013). На дереве также выделяются 5 группировок с высокой

степенью поддержки. Таким образом, группировки S. abaster и подвиды S. nigrolineatus представляют собой изолированные генетические группы. Однако принимая во внимание возможные недостатки использования маркеров мтДНК (Ballard & Whitlock, 2004), для более строгих обобщений желательно дополнить исследование данными по ядерным маркерам и возможно, дополнительными маркерами мтДНК, а также построить дерево, укорененное видом, не принадлежащим к комплексу S. abaster.

Рис. 6. Медианные сети гаплотипов б1. т^оПпеаМия, Б. аЬаз1ег, 5. ¡урМе на основании мтДНК (750 п.н.). Желтые круги - & mgrolineatus т^гоИпеаЫэ, голубые - 5. п'^оНпеаШя сазр1ш, зеленые — 51. аЬаз1ег \У, оранжевые - & ¡урМе, синие - 5. аЬа81ег /, сиреневые - 5. аЬав1ег Т, красные -гипотетические промежуточные гаплотипы. Размеров круга пропорционален числу особей с данным гаплотипом, длина линий соединяющих гаплотипы пропорциональна числу мутаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нами было показано на основании анализа мтДНК, что иглы-рыбы волжских водохранилищ и дельты Волги близки к черноморским иглам-рыбам. Присутствие в дельте и авандельте Волги черноморских гаплотипов может свидетельствовать о продолжающемся расселении иглы-рыбы из волжских водохранилищ или же является результатом проникновения черноморских гаплотипов во время последнего контакта Каспийского и Черного морей. Проведенный анализ доказал существенную степень генетической дивергенции «каспийской» и «черноморской» групп 5. n¡grol¡neatus. Для исследованных нами морфологических признаков мы не

20

нашли распределений с хиатусом, тем не менее мы наблюдали достоверные различия между некоторыми выборками по ряду признаков. Несмотря на отсутствие ярких морфологических отличий между каспийскими и черноморскими рыбами, возможно существует разница в экологии подвидов: по рекам распространяется только черноморский подвид S. nigrolineatus. С точки зрения науки о биологических инвазиях разница в экологии подвидов и их способности осваивать новые биотопы, делает S. nigrolineatus модельным объектом для исследования генетических факторов, связанных с успешной колонизацией пресноводных биотопов.

Три группы S. abaster и подвиды S. nigrolineatus представляют собой изолированные генетические группы. В литературе описано, что для видов населяющих прибрежные морские воды, немигрирующих на далекие расстояния и не имеющих планктонной стадии в жизненном цикле характерна сложная популяционная структура. В условиях изоляции отдельные популяции демонстрируют высокую степень дивергенции друг от друга и видообразование может происходить в относительно короткие сроки.

ВЫВОДЫ

1. По данным полученным для обоих маркеров (ген цитохрома Ь, контрольный регион) популяции Каспийского и Черного морей S. nigrolineatus представляют генетически обособленные группы

2. Исследованные популяции 5. nigrolineatus Куйбышевского и Волгоградского водохранилищ иглы-рыбы генетически близки к популяциям бассейна Черного моря и, вероятно, происходят от них. Вероятно, из водохранилищ произошло вторичное заселение низовьев Волги. В данный момент в авандельте Волги сосуществуют «каспийские» и «черноморские» гаплотипы.

3. Выборки волжских водохранилищ и дельты Волги характеризуется сниженным генетическим разнообразием. Наибольшим генетическим разнообразием характеризуется выборка из Каспийского моря и авандельты Волги. Повышенное разнообразие выборки из авандельты Волги отчасти связано с присутствием в ней одновременно «каспийских» и черноморских» гаплотипов игл-рыб.

4. Выборки иглы-рыбы из бассейна Волги отличаются от выборок Черного моря и друг от друга по составу и частотам «неуникальных» гаплотипов контрольного региона мтДНК.

5. На основании анализа мтДНК три группировки средиземноморских S. abaster (тунисская, западно-средиземноморская и итальянская), S. nigrolineatus nigrolineatus, S. nigrolineatus caspius представляют собой обособленные генетические группы. S. typhle входит в один кластер с западно-средиземноморской группировкой S. abaster.

6. Выборка из Каспийского моря значимо отличается по индексам отношения длины головы к длине тела и длины рыла к длине тела от всех исследованных выборок, кроме выборки из Днепровского лимана. По

средним значениям этих признаков выборки из бассейна Волги ближе к выборкам Черного моря.

7. Для количества лучей в спинном плавнике не найдено значимых отличий между выборками Черного и Каспийского морей, в то время как обе морские выборки отличаются от выборок бассейна Волги с высоким уровнем значимости.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в рецензируемых журналах и других изданиях ВАК Кирюхина H.A., М. В. Холодова Анализ полиморфизма контрольного региона митохондриальной ДНК в аборигенных и инвазийной популяциях черноморской пухлощекой иглы рыбы Syngnathus nigroUneatus Eichwald 1831 //Доклады Академии Наук. 2011. Т. 436 №6 С. 1-3

Кирюхина H.A. Морфологическая изменчивость пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus в связи с ее инвазией в водоемы бассейна Волги // Российский журнал биологических инвазий. 2013. № 2. С. 149-155.

Кирюхина H.A. Молекулярно-генетическое разнообразие в популяциях иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus Eichwald 1831 и пути расселения в водоёмы бассейна Волги на основании анализа последовательностей митохондриальной ДНК // Российский журнал биологических инвазий, 2013, № 3. С. 60-69.

Статьи в сборниках Кирюхина H.A. Оценка генетического разнообразия и степени генетического сходства аборигенных и инвазионной популяций пухлощекой иглы-рыбы (Syngnathus nigrolineatus) на основании фрагмента цитохрома б митохондриальной ДНК //Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых, 2010 С. 156 -162.

Кирюхина H.A., Дгебуадзе Ю.Ю. Исследование молекулярно-генетической изменчивости в аборигенных и инвазионной популяциях черноморской пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus Eichwald 1831 на основании фрагментов цитохрома b и контрольного региона мтДНК // Генофонды и генетическое разнообразии. М.: 2011. С. 93-94.

Тезисы конференций Kiryukhina N.A. Genetic variability in the pipefish Syngnathus nigrolineatus invasive and aboriginal populations based on mtDNA sequence data //The III International Symposium "Invasion of alien species in Holarctic. Borok-3". Programme and Book of Abstracts. October 5th-9th 2010, Borok-Myshkin, Yaroslavl District, Russia. Yaroslavl: Print-House Publ. Co. p. 54.

Подписано в печать: 03.10.2013

Заказ № 8819 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 vwvw.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кирюхина, Наталья Александровна, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН

На правах рукописи

Кирюхина Наталья Александровна

со

СМ

3 °

Молекулярно-генетическая и морфологическая изменчивость черноморской пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus т§гоИпеаШ8 (ЕюИлуаИ, 1831) в связи с ее инвазией в водоемы бассейна Волги

03. 02. 06 - ихтиология

00 о о> со

со _

О диссертация на соискание ученой степени

^^ ™ кандидата биологических наук

Научный руководитель: академик, д.б.н. Юрий Юлианович Дгебуадзе

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИНВАЗИЙ ЧУЖЕРОДНЫХ ВИДОВ...................8

Раздел 1. Экологические и генетические аспекты биологических инвазий чужеродных видов............................8

1.1. Экология инвазий..............................................8

1.1.1 .Особенности «успешных» видов-вселенцев...8 1.1.2. Особенности сообществ-реципиентов.........9

1.1.3. Динамика процесса инвазии......................11

1.2. Биологические инвазии в свете эволюционной теории............................................................................12

1.2.1. Эволюция в пределах естественного ареала..................................................................12

1.2.2. Эволюция на начальных стадиях инвазии____14

1.2.3. Эволюция после образования устойчивой популяции.............................................................14

1.3. Генетическое разнообразие как фактор успеха инвазии........................................................................16

1.4. Полиморфизм ДНК. Молекулярно-генетические маркеры...............................................................................21

1.4.1. Митохондриалъная ДНК в популяционных исследованиях.................................................21

Раздел 2. Понто-Каспийский регион. Геологическая история. Инвазии чужеродных видов в XX веке....................21

2.1. Геологическая история Понто-Каспийского региона........................................................................21

2.1.1. История становления Черноморо-Азовского бассейна.........................................................23

2.1.2. История становления Каспийского бассейна.........................................................24

2.2. Фауна Понто-Каспийского региона...................25

2.3. Современные инвазии в Понто-Каспийском регионе........................................................................26

2.4. Черноморская пухлощекая игла-рыба Syngnathus п\%гоПпеаХиБ ЕгсЬмаЫ....................................................28

2.4.1. Расселение черноморской пухлощекой иглы-рыбы 8уп£па11ш8 nigrolineatus Е1ск\^аЫ..............28

2.4.2. Род Syngnathus. Биология черноморской пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus .....................................................................30

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..........32

Раздел 1. Места и объемы взятия проб..........................32

Раздел 2. Морфологический анализ.............................34

Раздел 3. Анализ генетического разнообразия..............35

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ............................38

Раздел 1. Анализ морфологических признаков Syngnathus nigrolineatus из популяций бассейнов Черного и Каспийского морей..............................................................................38

Раздел 2. Генетическая изменчивость в различных популяциях Syngnathus nigrolineatus. Пути и источники инвазии в водоемы бассейна Волги.................................................47

Раздел 3. Родство 5*. nigrolineatus со средиземноморскими иглами 5". яЬа^ег..............................................................60

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................66

Благодарности.................................................................68

ВЫВОДЫ........................................................................69

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................71

ВВЕДЕНИЕ

Случаи распространения видов за пределы их естественного ареала (в результате естественных перемещений, вследствие случайных заносов или преднамеренной интродукции) называют биологическими инвазиями (Дгебуадзе, 2003). Уже в 50-х годах прошлого века Чарльз Элтон (Элтон, 1960), основатель направления экологии, занимающегося изучением биологических инвазий, обратил внимание на многократное увеличение случаев расселения чужеродных видов в XX веке. Глобальное загрязнение окружающей среды, антропогенное нарушение сообществ создают новые возможности для видов-вселенцев. Так, инвазии чужеродных видов случались в американских Великих Озерах с начала XIX века, скорость их возрастала, и около трети из них произошли в течение последних (до начала 1990-х) 30 лет (Mills et al., 1993). Карлтон и Геллер (Carlton, Geller, 1993) полагают, что каждый день с балластными водами кораблей может перевозиться более 3000 тысяч новых видов гидробионтов (включая рыб), это в свою очередь потенциально может привести к ежегодному заносу десятков тысяч видов на новые территории.

Чужеродные виды несут в себе опасность как для экосистем так и для общества. Виды-вселенцы могут конкурировать с аборигенными видами, переносить патогены, быть паразитами или хищниками, изменять химический или физический состав окружающей среды, встраиваться в пищевые сети и менять их структуру. Например, в Великобританию была завезена американская савка (Oxyura jamaicensis), которая вытеснила обычный европейский вид белоголовую савку (Oxyura leucocephala), почти на всем его ареале (Williamson, 1996). Бычок-кругляк (Neogobius melanostomus) был перенесен с балластными

водами судов в Великие озера. Воздействие этого вида на местные сообщества было почти мгновенным, он подавил несколько аборигенных видов донных рыб, поставил под угрозу существования виды, нерестящиеся на каменистом субстрате (Jude, 2001). Скорпены Pterois volitans, Pterois miles, естественным ареалом, которых является Индо-Пацифика, за последнее десятилетие распространились по всему юго-восточному побережью США. Благодаря отсутствию естественных врагов, более широкому спектру питания и факту перелова аборигенных видов они успешно конкурируют с рядом видов рыб {Cephalopholis cruentatus, Mycteroperca microlepis, Epinephelus adscensionis), обитающих у побережья США (Whitfield et al., 2006). Чужеродные виды могут являться переносчиками болезней, опасных для человека.

Экономический ущерб, причиняемый США ежегодно видами-вселенца ми, оценивается в 137 млрд. долларов (Pimentel et al., 2000). Предотвращение повреждения технических конструкций Dreissena polymorphei стоит Канаде 8 млн. долларов в год (Colautti et al., 2006а). По оценкам Knowler и Barbier (2000), в результате инвазии гребневика Mnemiopsis leidyi в Черное море произошло снижение прибыли местного рыбного промысла на ~16 млн. долларов. Экономические затраты могут быть связаны с мероприятиями по смягчению и ликвидации последствий вселения чужеродных видов, а также с действиями по контролю, предотвращению инвазий.

Такое положение дел не могло остаться без внимания

научного сообщества. Интерес к проблеме был столь велик, что

выделилось целое направление в экологии, занимающееся

биологическими инвазиями, с собственной теоретической и

концептуальной основой (Lodge, 1993). Несколько позднее с

5

развитием молекулярных технологий (ПЦР, секвенирование) начали появляться работы, посвященные генетике видов-вселенцев. Изучение генетики видов-вселенцев, с одной стороны, может дать новые знания о ранних этапах дифференцировки популяций, механизмах, лежащих в основе успеха колонизации, значении генетических факторов в эволюции, с другой стороны помогают реконструировать процесс инвазии в подробностях, позволяют идентифицировать популяцию-источник, что имеет большое значение для прогнозирования и проведения превентивных мероприятий (Lee, 2002).

Целью настоящего исследования является: оценка молекулярно-генетического и морфологического разнообразия пухлощекой иглы-рыбы Syngnathus nigrolineatus Eichwald 1831 в пределах ее современного ареала, а также выяснение путей расселения этого вида.

В связи с этим были поставлены следующие основные задачи:

• на основании анализа полиморфизма митохондриальной ДНК уточнить пути расселения пухлощекой иглы-рыбы;

• сопоставить генетическое разнообразие в инвазионных и аборигенных популяциях пухлощекой иглы-рыбы, проверить наличие эффекта основателя;

• оценить филогенетические отношения S. nigrolineatus со средиземноморскими иглами S. abaster, используя данные базы Генбанк (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/ );

• оценить уровень морфологических различий популяций пухлощекой рыбы-иглы из разных частей современного ареала.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИНВАЗИЙ ЧУЖЕРОДНЫХ ВИДОВ

Раздел 1. Экологические и генетические аспекты биологических инвазий чужеродных видов.

1.1. Экология инвазий.

Интерес к изучению биологических инвазий отчасти был связан с возможностью получения новых знаний о структуре сообществ (например, о взаимоотношение между отдельными видами в сообществе, устойчивости и сложности сообществ, месте ключевых видов и важности конкуренции и т. д.). С другой стороны в связи с ущербом, приносимым чужеродными видами, эти исследования также важны для решения прикладных задач. Во многих работах большое внимание уделяется попытке выявления факторов, определяющих успешность инвазии. Вид считается успешным колонистом, если он образовал устойчивую популяцию за пределами естественного ареала. Есть разные подходы к поиску причин «успешности» инвазии: 1) со стороны вида-вселенца (исследование особенностей вида, определяющие успешность его инвазии); 2) со стороны сообщества (выяснение особенностей «принимающего» сообщества, связанных с успешной натурализацией вида-вселенца).

1.1.1. Особенности «успешных» видов-вселенцев.

Предпринимались попытки обобщения особенностей

«успешных» видов-вселенцев. Например, для многих инвазионных

растений характерно вегетативное размножение, высокая скорость

распространения, раннее плодоношение, высокая плодовитость и

толерантность к широкому спектру абиотических условий (Lodge,

7

1993). Для животных, характеристиками успешного вида-вселенца являются бесполое размножение, высокая плодовитость, раннее созревание половых желез, высокая фенотипическая пластичность и физиологическая толерантность, стайное поведение и всеядность (Colautti et al., 2006b). Однако даже наличие всех перечисленных особенностей не позволяет с точностью предсказать успешность инвазии. Williamson (1996) утверждает, что большинство указанных характеристик не коррелируют с успешностью натурализации вида-вселенца. Тем не менее, этот подход может использоваться при оценке возможных рисков инвазии.

Colautti et al. (2006b) на основании метаанализа 1000 исследований выяснили, что важным фактором успеха является пресс рекрутов (propagule pressure), т.е. число особей вселенца, проникших в экосистему-реципиента, и общее число таких проникновений.

1.1.2. Особенности сообществ-реципиентов.

Теория устойчивости сообщества (biological resistance model) впервые была выдвинута Элтоном (Элтон, 1960). Он предположил, что сообщества с большим числом видов, менее подвержены инвазиям, поскольку ресурсы используются более полно и остается мало свободных ниш, пригодных для новых видов. Но поскольку в основе этой концепции лежат данные о расселении континентальных видов на островах, она мало применима в других случаях. Для водных сообществ, богатых видами, не было найдено убедительных доказательств устойчивости перед инвазиями (Ricciardi, 2001).

Интересен пример распространения каспийских и

черноморских видов в системе Великих озер. Планктонный рачок

Cercopagis pengoi колонизировал озеро Онтарио, имеющее

8

наибольшее число планктоноядных организмов среди Великих Озер. Большое разнообразие пресноводных моллюсков эндемиков в реке Миссисипи не предотвратило инвазию Dreissena polymorpha (Ricciardi, Maclsaac, 2000).

Вселение одного вида может облегчать вселение другого, множественные инвазии расшатывают естественную систему, и с каждым новым натурализовавшимся видом, сообщество становится все более подвержено инвазии (особенно если виды-вселенцы связаны друг с другом в донорном сообществе). Эта альтернативная модель усиливающейся инвазии или «инвазионного обвала» («invasional meltdown») была предложена Симберлофом и Вон Хоулом (Simberloff, Von Holle, 1999). Так, например, образование устойчивой популяции моллюска Dreissena polymorpha, по-видимому, облегчило последующую инвазию бычка Neogobius melanostomus (в Каспийском море бычок-кругляк питается дрейссеной).

Нарушенные (disturbance) сообщества также способствуют инвазии. Под нарушенностью понимают результат неблагоприятного воздействия, приведшего к изменению структуры сообщества, к частичному или полному вымиранию индивидуумов. Типичным примером являются антропогенно нарушенные экосистемы, например сельскохозяйственные земли, вырубки леса. Колаути (Colautti at al., 2006b) нашел, что нарушенность значимо коррелирует с наличием успешных инвазий для растительных сообществ.

К другим важным факторам относится сходство

абиотических условий между инвазионными и естественными

местообитаниями. Например, успешные виды-вселенцы среди рыб

должны быть адаптированы к местному гидрологическому режиму

(Moyle and Light, 1996). Также существенным оказывается наличие

9

неиспользованных ресурсов. Иногда особенности вида-вселенца или характеристики инвазионного ареала не могут по отдельности объяснить успех инвазии. Тогда существует подход, рассматривающий систему в целом. Сообщество, имеющее свободную нишу, и вид колонист, способный занять эту нишу, подходят друг к другу как « ключ к замку» (Heger, Trepl, 2003).

1.1.3. Динамика процесса инвазии.

На разных стадиях инвазионного процесса виды-вселенцы сталкиваются с разными препятствиями, поэтому простое изучение черт успешных видов-вселенцев может оказаться недостаточным.

Процесс инвазии удобно представлять в качестве лестничной модели. Можно выделить три основных стадии (Williamson, Filter, 1996; Heger, Trepl, 2003):

1 стадия. Выход отдельных индивидов за пределы своего естественного ареала. Многие виды заносились в новые места, но так и не закрепились там.

Во время перехода на следующую стадию происходит постепенное образование устойчивой популяции. На этой стадии «будущая» популяция больше всего уязвима для воздействия случайных факторов (неравное соотношение полов, преобладание не размножающихся индивидов, колебания условий среды).

2 стадия. Устойчивая, самовоспроизводящаяся, популяция.

Рост, захват новых территорий

3 стадия. Распространение на новые территории.

1.2. Биологические инвазии в свете эволюционной теории.

Биологические инвазии позволяют ученым наблюдать за видами в процессе освоения нового местообитания, экспансии, адаптации к другим абиотическим и биотическим условиям. С появлением полимеразной цепной реакции (PCR) и развитием технологии секвенирования появилась возможность

идентифицировать пути и источники инвазии, реконструировать эволюционную историю вида-вселенца. Сейчас общепризнанно, что эволюционные процессы и генетические факторы могут иметь большое значение для успеха инвазии.

Как уже говорилось выше, инвазия сама по себе представляет многоступенчатый процесс, на каждой стадии которого, виды могут сталкиваться с различными вызовами и под давлением отбора могут находиться различные признаки. В своем обзоре Lee (2010) рассматривает эволюционные процессы, действующие на трех стадиях 1) внутри естественного ареала, 2) на начальных стадиях инвазии, 3) после образования устойчивой популяции вида-вселенца.

1.2.1. Эволюция в пределах естественного ареала.

Эволюционная история вида внутри естественного ареала

может влиять на способность осваивать новые местообитания.

Часто меняющееся направление отбора приводит либо к

преимуществу генералистских стратегий (широкая

физиологическая толерантность, фенотипическая пластичность,

признаки, помогающие избегать неблагоприятных условий и

обеспечивающие быстрый рост популяции), либо увеличивает

адаптивный потенциал (evolvability) (Lee, 2010). Di Castri (1989)

предположил, что нарушенность естественного местообитания или

частая перемена условий способствует эволюции, ведущей к

11

усилению инвазионности. Он полагал что, виды из Старого света всвязи с более продолжительным опытом антропогенного воздействия чаще могут становиться успешными «колонизаторами», в сравнении с видами из Нового света. Солоноватые водоемы на границе морских и пресных вод, характеризуются нестабильностью условий и часто являются источниками видов-вселенцев. Так, например, многие виды, закрепившиеся в Великих Озерах, происходят из эстуариев Понто-Каспийского региона (Ricciardi, Maclsaac, 2000). В истории Понто-Каспийского региона многократно происходили изменения уровня моря и солености (Reid, Orlova, 2002), кроме того, в течение XX века этот регион был подвержен активному антропогенному воздействию (гидростроительство, акклиматизации гидробионтов).

Виды-вселенцы могут иметь сложную популяционную структуру, причем источниками инвазии оказываются лишь некоторые популяции. Например, моллюск Dreissena polymorpha распространен в эстуарных участках на севере Понто-Каспийского региона и некоторых древних озерах на юге (озеро Ковада, Эгирдир и др.). Однако источником инвазий стали популяции северных районов Черного и Каспийского морей (May et al., 2006). В эстуарии реки Святого Лаврентия сосуществуют две генетически различные клады рачка Eurytemora affinis. Только одна клада, обитающая в нестабильных