Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Командорский кальмар Berryteuthis Magister (Berry, 1913): внутривидовая изменчивость, пространственная и таксономическая дифференциация

ВАК РФ 03.00.08, Зоология

Автореферат диссертации по теме "Командорский кальмар Berryteuthis Magister (Berry, 1913): внутривидовая изменчивость, пространственная и таксономическая дифференциация"

J. , ___.

» 0 С.' J

На правах рукописи

КАТУГИН ОЛЕГ НИКОЛАЕВИЧ

КОМАНДОРСКИЙ КАЛЬМАР BERRYTEVTHIS MAGISTER (BERRY, 1913)-. ВНУТРИВИДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ТАКСОНОМИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ.

03.00.08 - зоология

АВТОРЕФЕРАТ

" Диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владивосток • 1998

Работа выполнена в лаборатории по изучению кальмаров Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра (ТИНРО-центр)

Научный руководитель:

доктор Силлогических наук К. Н. Несис

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Е. И. Шорников, доктор биологических наук Ю. Ф. Картаьцев

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО)

Защита состоится "¿^/0" 1998 г. на заседании диссертационного совета

Д 002.06.03 при Президиуме ДВО РАН по адресу: 690 022, г. Владивосток, пр. 100 лет Владивостоку 159, Биолого-почвенный институт ДВО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в центральной научной библиотеке ДВО РАН

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук *I 1 Л , И. В. Картавцева

/ /

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Командорский кальмар Berryteuthis magister (Berry, 1913)-северотихоокеаггскин вид семейства Gonatidae (подотряд Oegopsida, отряд Teuihida, подкласс Coleoidea, класс Cephalopoda) (Нссис, 1982). Современные представления о характере внутривидовой и пространственной дифференциации В. magister основаны на особенностях его распространения и размерно-возрастной структуре (Jefferts. 1983; Несис, 1989; Natsukari et al., 1993; Nesis and Nezlin, 1993; Arkhipkin et al., 1996). Целенаправленных исследований внутривидовой организации командорского кальмара не проводилось, и до настоящего времени отсутствуют сведения о степени изоляции разобщенных в пространстве и во времени промысловых скоплений этого вила в северной Пацифике.

Исследования внутривидовой изменчивости головоногих моллюсков немногочисленны, а таксономические и популяиионные работы с использованием молекулярного подхода, в частности, электрофореза белков появились лишь в конце 80-х годов в связи с конкретными проблемами, вызванными промышленной эксплуатацией кальмаров в различных районах Мирового океана. Скопления кальмаров состоят, как правило, из одновозрастных особей, поэтому сохранение генетической изменчивости и предотвращение популяционной деградации экономически важных видов особенно актуальны при активной промышленной эксплуатации (Carvalho et al., 1992). При анализе внутривидовой изменчивости и дифференциации кальмаров наряду с традиционной морфологической следует учитывать и генетическую аргументацию. Необходимость привлечения информации по наследственной изменчивости при освоении и эксплуатации промысловых видов основательно показана для рыб (Нелсон и Суле, 1991) и представляется перспективной в отношении промысловых видов кальмаров. Сочетание морфологического и генетического подходов актуально в отношении кальмаров, в частности, В. magister ввиду того, что анализ только морфологических признаков не всегда эффективен (Трофимов, 1983; Carvalho and Pitcher, 1989; Kim, 1993; Kristensen, 1982). Это связано, в первую очередь, с присущими представителям отряда Teuthida особенностями морфологии и биологии (Kashiwada and Recksiek, 1978; Pierce et al., 1994). Трудности использования только морфологических признаков в таксономическом анализе кальмаров стимулировали комплексные исследования морфологической и генетической изменчивости и дифференциации. В результате удалось определить характер

популяционной дифференциации видов (Ally and Keck, ¡978; Carvalho and Pitcher, 1989), обосновать статус отдельных таксонов видового и подвндового рангов (Smith et а]., 1987, Augustyn and Grant, 1988), выявить существование видов-двойников (Carvalho et al., 1992; Brierley ct al., 1993; Izuka et al., 1996), уточнить таксономические связи в пределах семейства (Yokawa. 1994). В одном случае комплексное применение анализа морфологических и генетических характеристик наряду с различиями в зараженности паразитами послужило не только источником знаний о популяциоино-таксономической дифференциации, но и основой для рационализации и изменения стратегии промысла качьмара (Smith et al, 1981, 1987).

Объективный интерес в познании внутривидовой изменчивости и характера разобщенности скоплений командорского кальмара наряду со сравнительно слабой изученностью биологии и популяционной организации данного вида в значительной мере определили актуальность настоящего исследования и методические подходы при решении поставленных задач.

Цель и задачи работы. Цель данной работы - выявление внутривидовой морфологической и генетической изменчивости командорского кальмара, а также анализ дифференциации этого вида. Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие основные задачи:

1. Изучение географической изменчивости размерного состава и длины нидаментальных желез половозрелых особей В. magister.

2. Изучение географической и онтогенетической изменчивости относительных размеров плавников В. magister.

3. Изучение внутривидового электрофоретического полиморфизма В. magister и определение главных параметров внутривидовой генетической изменчивости; выявление полиморфных генных локусов, которые можно использовать в анализе популяционно-генетической организации данного вида кальмара.

4. Изучение гетерогенности, дифференциации и дивергенции В. magister из разных участков видового ареала и из разных сезонных группировок в северной Пацифике на основании анализа полиморфных наследственных признаков.

5. Применение комплекса данных (информация по морфологической и генетической изменчивости, экологии и репродуктивной биологии) при анализе стенеии различия географических популяций В. magister.

Научная новизна. Впервые в комплексе изучена внутривидовая морфологическая и генетическая изменчивость командорского кальмара - одного из самых массовых и

экологически значимых представителей семейства Сопапйае. Проведены широкомасштабные популяционно-таксономические исследования данного вида по всей северной Пацифике, с охватом большей части репродуктивного ареала. Впервые с привлечением большого объема данных показано существование значительных различий между половозрелыми кальмарами из трех регионов северной Пацифики по ряду морфологических параметров и приводятся доводы, что в отношении япономорских представителей вида обнаруженные различия можно трактовать как таксономические. Впервые командорский катьмар был исследован методом белкового электрофореза. Было показано, что электрофоретические фенотипы белков командорского кальмара легко интерпретируются генетически в соответствии со стандартными схемами монолокусного кодоминантного наследования, а исследованный набор белков можно использовать для получения оценок внутривидовой генетической изменчивости, популяционного и таксономического анализа. Впервые выявлены основные параметры внутривидовой генетической изменчивости и получена достоверная информация о характере внутривидовой пространственной дифференциации В. п^151ег. Выявлен характер разобщенности кальмаров из отдельных регионов и из разделенных во времени группировок в пределах отдельных регионов. На примере В. гг^^БГег показано, что белковый электрофорез эффективен при таксономическом исследовании на видовом уровне. Комплексное применение морфологического и молекулярного подходов в сочетании с информацией по экологии и воспроизводству позволило обосновать существование в Японском море самостоятельного таксона подвидового ранга.

Практическое и теоретическое значение. Исследование фенотипнческой и генотипической изменчивости составляет основу многих популяционных и таксономических работ, обеспечивая рациональное использование эксплуатируемых видов животных. Командорский кальмар - единственный в северной Пацифике вид гонатид, который интенсивно осваивается российским промыслом, что определило практическую ценность полученной в настоящем исследовании информации. Так, сведения о характере дифференциации В. п^!$1ег следует учитывать для того, чтобы предотвратить возможную популяционную деградацию вследствие несбалансированного промыслового давления на вид. Командорский кальмар имеет обширный ареал и огромную биомассу, что определяет его существенную роль в биоценозах северной Пацифики. Данные о разобщенности группировок важны в экологическом аспекте, так как позволяют оценить роль отдельных популяций кальмара при анализе трофических взаимосвязей и состояния биоресурсов отдельных регионов северной Пацифики.

Выявленные варьирующие признаки В. magister можно использовать в дальнейшем при детальном изучении популяционной структуры этого вида. В методическом плане данная работа позволяет использовать отработанные на тканевых белках В. magister специфические условия электрофореза, а также предложенную генетическую интерпретация? бодниого набора бглкоь в аналогичных работах на других видах кальмаров как прь исследованиях изменчивости конспеиифических популяций, так и при анализе генетической дивергенции близкородственных видов. В теоретическом плане данная работа предоставляет подробную и обоснованную информацию о степени изменчивости н дифференциации малоизученного представителя отряда Teuthida, что позволяет предложить гипотетическую схему микроэволюциошюй дивергенции В. magister и провести сравнительный анализ полученных показателей с аналогичными данными для других таксонов животных.

Апробация. Результаты исследований, изложенные в данной работе, докладывались на конференциях молодых ученых (Владивосток, ТИНРО, 1989, 1990 гг.), на отчетных сессиях ТИНРО-центра (Владивосток, ТИНРО-центр, 1995, 1996 гг.), на международном Симпозиуме по беспозвоночным животным (ICES Symposium on Shellfish Life History and SheJliishery Models, Moneton, Canada, 1990), на международной Конференции Совета rso головоногим моллюскам (CIAC International Conference "Biology and Behaviour oí Cephalopods, Naples, Italy, 1994), на Международной встрече, посвященной исследованию головоногих моллюсков северной Пацифист, проходившей в рамках ежегодного объединенного заседания Американского Малакологического Союза и Западного Общества Малакологов (63rd AMU and 30th WSM Combined Annual Meeting, Santa Barbara, USA, 1997) и на совместном заседании отделов зоологии и эволюционной биологии Биолого-почвенного института ДВО РАН (1997 г.). По теме диссертации опубликовано 12 (двенадцать) работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 209 наименований, и приложения. Работа изложена на 215 страницах машинописного текста, включал 27 таблиц и 32 рисунка.

Благодарности. Я искрение благодарен моему научному руководителю К. Н. Нееису за помощь в постановке проблем исследования, трактовке и осмыслении результатов, и за всестороннюю помощь во время моей работы над рукописью. Я также благодарен Г. А. Шевцову, Ю. А. Федорцу и В. Д. Диденко за помощь в сборе и обработке материала и обсуждении результатов. Выражаю свою признательность Б. И. Лебедеву,

В. П. Шунтову, А. Ф. Волкову и С. Е. Позднякову за ценные и полезные замечания в период подготовки рукописи.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Материал, положенный в основу настоящего исследования, был собран с обширной акватории северной части Тихого океана, включая окраинные моря: Японское, Охотское и Берингово, - а также в з&тиве Аляска, вдоль Алеутского архипелага, включая Командорские острова, и у Курильских островов. Сбор материала проводили сотрудники ТИНРО (в настоящее время ТИНРО-центр), включая автора, за время экспедиционных исследований на научно-поисковых и научно-исследовательских судах ТУРНИФ и ТИНРО. Обработка материала проведена автором на базе лаборатории генетики и лаборатории по изучению кальмаров ТИНРО-центра. а также в лаборатории Ок Бэй Северо-западного Исследовательского Центра по Рыболовству на Аляске (Auke Bay Laboratory, NPFSC, NOAA, Juneau, Alaska, USA).

Исследование внутривидовой изменчивости В. magister проводили на основании двух подходов: морфологического и популяционно-генетического. Выборки кальмара были собраны за период с 1985 по 1996 гг. из трех основных регионов северной ГТацифики: 1) Японское море, 2) северо-западная Пацифика (Охотское море, воды у Курильских и Командорских островов и западная часть Берингова моря) и 3) северовосточная Пацифика (залив Аляска, воды у Алеутских островов). Для анализа морфологической изменчивости были собраны 14 выборок половозрелых кальмаров общей численностью 3117 особей и 7 выборок кальмаров на разных онтогенетических стадиях общей численностью 160 особей. Для анализа генетической изменчивости использовали 51 выборку кальмаров общей численностью 6061 особь.

Основные показатели рядов изменчивости морфологических признаков получены при использовании статистических пакетов "Rebus" и "Statgraphics". Кроме того, исследована сравнительная морфология радулы В. magister из Японского моря и из северо-западной Пацифнки с применением сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-25SII.

Генетико-биохимический анализ командорского кальмара проводили методом электрофореза тканевых водорастворимых белков в крахмальном и полиакриламидном гелях по стандартным методикам (Davis, 1964; Spencer et al., 1964; Peacock et al., 1965; Shaw and Prasad, 1970; Clayton and Tretiak, 1972; Harris and Hopkinson, 1976; Morizot and Schmidt, 1990). Генетическую интерпретацию белковой изменчивости у В. magister проводили на основании общеизвестных схем монолокусного кодоминантного наследования элекгрофоретически выявляемых фенотипов (Buth, 1990). Основные показатели внутривидовой генетической изменчивости В. magister: долю полиморфных локусов, полокусные и средние значения наблюдаемой (Hob) и ожидаемой (Hex) гетерозиготностей определяли на основе данных о частотах аллелей и генотипов. Отклонения от равновесия Харди-Вайнберга и межвыборочные различия вычисляли по программе BIOSYS-1 (Swofford and Seländer, 1989).

ГЛАВА 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В данной главе рассмотрено таксономическое положение командорского кальмара, особенности морфологии, распространения и биологии вида, приводятся сведения о его внутривидовой изменчивости. Командорский кальмар Berryteuthis magister (Berry, 1913)-типовой вид рода Berryteuthis Naef, 1921. Вид широко распространен в северной Пацифике со сходной численностью и частотой встречаемости в северо-западной и северо-восточной частях ареала (Okutani etal., 1988). Горизонтальное и вертикальное распределение В. magister сопряжено с особенностями репродуктивной биологии и жизненного цикла вида, а также с глобальной циркуляцией северотихоокеанских вод (Jefferts, 1983; Несис, 1985, Okutani et al., 1988). Вид встречается от эпи- до батипелагиали, но во взрослом состоянии держится преимущественно у дна в нижних участках шельфа и на материковом склоне, хотя может встречаться в значительных количествах и в мезопелагиали (Jefferts, 1983; Kubodera et al., 1983; Yuuki and Kitazawa, 1986; Радченко, 1992). Сведения о внутривидовой изменчивости и характере пространственной и временной дифференциации вида отрывочны и касаются лишь ограниченных участков ареала.

ГЛАВА 3. МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ В. MAGISTER

Исследование морфологической изменчивости кальмаров обычно затруднено иыбгром признаков, позволяющих с достаточной степенью уверенности очерчивать естественные внутривидовые группировки. Из морфологических признаков для сравнительного анализа ипутривндовой изменчивости В. magister были использованы дере: 1ы:ая длина мантии (DML), длина ниламентпьннх желез (NGL) и два основных !.;.!>.'ер:. плавника: длина (FL) и ширина (FW). Выбранные показатели удобны в '"лмср.-ийи и в ниимсньшей мере подвержены изменениям, связанным с тонусом мускулатуры.

Распределение размеров половозрелых особей В. magister выявляет географическую зависимость: самые мелкие кальмары обитают в Японском море. Средние значения DML самцов и самок в репродуктивной фазе жизненного цикла составили 150.2±0.7 - Ш.5±3.8 мм и 180.7=0.7 - 192.2^0.7 мм, соответственно. В целом по морю Ol мечено некоторое увеличение средних размеров к&зьмаров к северу. В северо-заплднои Папчфике кальмары значительно кр)пнее, чем в Японском море. Диапазоны средних значений DML половозрелых самцов и самок составили по региону 205.1±! .5 -245.9-Ы.З мм и 253.3±] .3 - 313.7*6.3 мм. соответственно. В северо-западной Пацифике, в отличие от Японского моря, отмечено уменьшение размеров кальмаров к северу района. Кальмары из северо-восточной Пацифики характеризуются крупными дефинитивными размерами. Средние размеры половозрелых самцов и самок для всего региона составили 229.8±5.0 - 262.0 мм и 267.4±8.8 - 301.1=11.2 мм. соответственно.. В отличие от япономорских, кальмары из двух других регионов характеризуются полимодальными кривыми распределения размеров, причем в северо-восточной Пацифике размерная дифференциация как самок, так и самцов выражена более отчетливо, чем в северозападной Пацифике.

При использовании NGL в качестве второго метрического показателя изменчивости кальмаров также выявлены значимые межрегиональные различия. В среднем по регионам значения NGL и DML составили, соответственно: 78.22±0.55 мм и 184.23±0.78 мм (Японское море). 107.13±0.45 мм и 273.48±0.91 мм (северо-западная Пацифика), 126.25±1.68 мм и 293.98-t3.04 мм (северо-восточная Пацифика). Распределение NGL и DML половозрелых самок В. magister позволяет с уверенностью отличить япономорских особей от особе» из северо-западной и северо-восточной ГГлцнфики (Рис.1).

N01, мм

190 н

1

90

-■О—

40

140

190

А — Японское море О — Северо —заладнля Паиифяка ♦ — Северо — восточная Лацифика

240

290

340

390

ВМЦ мм

Л

Рисунок 1.

Зависимость мезкду дорсальной длиной мантии (ОМЬ) и длиной нидаменгальных желез (N01.) у половозрелых самок Вепухеийш mag^ster из трех регионов северной Пацифики (средние и пределы изменчивости признаков).

По таким показателям, как относительная длина и ширина плавника взрослые кальмары из северо-западной Пацифики и из района Алеут не отличаются. Существенные различия выявлены только при сравнении по данным индексам кальмаров из Японского моря с кальмарами из других регионов северной Пацифики. Взрослые япономорские особи, предположительно достигшие дефинитивных размеров, имеют более крупный плавник, чем взрослые особи из других регионов. Межрегиональные различия кальмаров по индексам РЬ/ПМЬ и Г\\70МЬ вполне укладываются в общую картину онтогенетических изменений размеров плавника, присущую В. пг^йег как виду. Окончательные пропорции плавников, формирующиеся у кальмаров из Японского моря в нерестовый период, соответствуют пропорциям плавников растущих кальмаров из северозападной Пацифики в тех же диапазонах размеров тела.

Морфологически кальмары из северо-западной и северо-восточной Пацифики гораздо более сходны между собой, чем с кальмарами из Японского моря. Для формальной оценки уровня таксономической разобщенности популяций был использован коэффициент различия СО (Майр, 1971). Значения СО при сравнении В. п^1$1ег из

северо-западной и северо-восточной Пацифики для NGL и DML составили, соответственно, 0.66 и 0.37. что ниже условного порогового уровня CD=1.28. Япономорские кальмары отличаются от всех других как по NGL, так и по DML, имея CD, в среднем, 1.47 и 2.28, соответственно, что предполагает как минимум 93% общего неперекрывания кривых распределения каждого из признаков. Уровень морфологических различий между япономорскими особями и особями из других частей ареала достаточно велик, чтобы придать представителям В. magister из Японского моря таксономическую самостоятельность на уровне подвида.

ГЛАВА 4. ПОИУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ В. MAGISTER

В результате анализа электрофоретически детерминированной белковой изменчивости у В. magister выявлена активность предположительно 42 генных локусов. Ал пельная изменчивость зафиксирована в 24 генных локусах: Ah, Aat-2, Aat-3, Agp, Est-2, Fdh, th-1, Fh-2, Gr-1, Gr-2, Idh-1, Idh-2, Ldh-2, Mdh-2, Mpi-1, Pep-2, Pgd, Pgm-1, Pk-1, Pk-2, Pnp, Tpi-1, Sod и Ugp.

Средняя гетерозиготность на локус, наиболее информативная из оценок генетической изменчивости природных популяций (Nei, 1975), оказалась для В. magister достаточно устойчивой. Гетерозиготносгъ менялась незначительно при увеличении выборок локусов и особей. Региональных отличий в оценках гетерозиготности также не выявлено. Диапазон значений Hob составил 0.104±0.032 - 0.137±0.039, a Hex - 0.111±0.04б - 0.142±0.048. Оценка Hob, полученная на максимальной выборке в 37 локусов и 120 особей, составила 0.118+0.029. Данный показатель внутривидовой генетической изменчивости В. magister сравним с анмогичным средним показателем беспозвоночных животных - Hob=0.112+0.072 (Nevo, 1978) - и значительно выше оценок гетерозиготности других видов кальмаров. Так, среднее значение Hob шести видов семейства Ommastrephidae составило 0.035+0.012, а 12 видов семейства Loliginidae - 0.028±0.008. Кальмары семейства Gonatidae характерны более высокими показателями генетической изменчивости, и среднее значение Hob восьми видов этого семейства, включая В. magister, составило 0.079+0.016 (наши данные).

Высокий уровень гетерозиготности В. magister и низкий - других видов кальмаров можно объяснить моделью, согласно которой различия в величине гетерозиготности определяются различиями в адаптивных стратегиях видов-"специадистов" и

видов-"генералистов" (Valentine, 1976; Valentine and Ayala, 1978). B. magister можно с достаточной определенностью считать эхологичесом "специалистом" (Katugin, 1993). Во-первых, этот вид кальмара во взрослом состоянии придонный и обитает в сравнительно небольшом интервале глубин и в узком диапазоне температур (Федорец, 1979). Во-вторых, у В. magister имеются морфо-физиологические приспособления к относительно стабильным глубоководным условиям. По-видимому, именно вследствие квазибентического образа жизни В. magister (Okutani, 1988) некоторые морфологические признаки кальмара сохранили плезиоморфное для семейства Gonatidae состояние (Katugin, 1995b). Так, примитивное строение имеют фиксаторный аппарат и булава ловчих щупалец. Крупный плавник и семирядная радула - также плезиоморфные состояния признаков. Протяженный ареал В. magister предполагает адаптацию вида к разнообразным условиям обитания, однако морфо-функциональные особенности сужают спектр экологических возможностей хомандорского кальмара, что и определило его специализацию.

Альтернативное объяснение стабильно высоких значений средней гетерозиготности В. magister базируется на теории нейтральности, согласно которой распределение оценок средней гетерозиготности на локус для различных видов организмов зависит от эффективного размера популяции (Ne) при относительном постоянстве скорости мутирования (Кимура, 1985). Для В. magister Ne теоретически составит от 0.4 до 0.6 млн. особей, в соответствии с крайними значениями средней гетерозиготности. Обе оценки значительно ниже предполагаемого числа производителей в нерестовых популяциях. Например, численность особей В. magister на нерестилище у Командорских островов может достигать десятков миллионов особей (Федорец и др., 1997).

У размножающихся половым путем диплоидных организмов на величину Ne влияют флуктуация численности особей популяции, перекрываемость смежных поколений, соотношение числа самок и самцов, размер семьи, субпопуляционная дифференциация вида (Кимура, 1985; Голл, 1991). Перечисленные факторы в той или иной степени определяют формирование реальной оценки Ne и у В. magister. В разных частях ареала, например, на склоне у центральных и северных Курил, а также в западной части Берингова моря численность кальмара подвержена сезонным и годовым колебаниям (Федорец и др., 1997). Различия в оценках продолжительность жизни самцов и самок (Yuuki and Kitazawa, 1986), перекрываемость смежных поколений и практически круглогодичное присутствие половозрелых кальмаров в отдельных регионах (Федорец и

др.,! 997) свидетельствуют об исключении некоторой доли из общего числа размножающихся особей каждого скопления, приводя к снижению Ne. Соотношение полов, которое определяет теоретическую величину Ne (Wright, 1931), редко бывает постоянным у В. magister. Если самец оплодотворяет более чем одну самку или самка спаривается более чем с одним самцом, что для В. magister представляется реальным, то Ne будет зависеть и от дисперсии размера семьи (Голл, 1991). И наконец, сравнительно низкое расчетное значение Ne для В. magister может быть следствием субпопуляционной дифференциации вида, о чем свидетельствуют данные по генетической дифференциации выборок и групп выборок кальмара как на макрогеографической шкале, так и в пределах отдельных локальностей.

ГЛАВА 5. ВНУТРИВИДОВАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ В. MAGISTER

В данной главе приводятся описание и подробный анализ основных общепринятых показателей внутривидовой генетической дифференциации В. magister. Для анализа дифференциации выборок В. magister отобраны десять локусов с высокими показателями внутривыборочной аллельной изменчивости: Aat-2, Fh-1, Idh-1, Ldh-2, Mdh-2, Pep-2, Pgm-1, Pgd, Pnp и Ugp. При сравнении В. magister из Японского моря и северо-западной Пацифики использованы также слабополиморфные и мономорфные локусы. Оценивали соответствие наблюдаемых частот генотипов ожидаемым из уравнения Харди-Вайнберга, а также межвыборочную, межгрупповую и межрегионатьную дифференциацию кальмара.

Внутривыборочкые разлитая. Для выборок из Японского моря и залива Аляска не выявлено значимых нарушений равновесия Харди-Вайнберга. Все достоверные исходы были обнаружены в выборках из северо-западной Пацифики, однако их число не превышает допустимого для 5%-ной вероятности случайного отбрасывания нулевой гипотезы (отсутствие разницы между фактическим и теоретическим распределением генотипических частот). Для суммарных выборок генов из северо-западной и северной Пацифики отклонения от равновесия оказались значительными.

Межвыборочные различия. При сравнении аллельных частот десяти полиморфных локусов самок и самцов В. magister в одной из наиболее многочисленных выборок

кальмара значимой гетерогенности между полами не обнаружено ни по одному из локусов. Это позволило использовать смешанные в половом отношении выборки в анализе дифференциации В. п^Ыег. В сумме по десяти локусам и девяти группам выборок получено 69 оценок внутригруиповой межвыборочной аллельной гетерогенности, девять из которых статистически значимы. Гетерогенность между выборками В. гг^151ег выявлена в северной Пацифике для всех четырех локусов, по которым проводились сравнения: МсШ-2, Pgd, Pgm-l и Кальмары из Японского моря наиболее сильно отличаются от кальмаров из других участков видового ареала. Кальмары из залива Аляска отличаются от кальмаров из северо-западной Пацифики по одному локусу из четырех. В северо-западной Пацифике выявлены две основные географические группировки кальмаров: курило-охогоморская и беринговоморская. Оказалось, чго по частотам аллелей полиморфных локусов охотоморская молодь практически не отличается от курильских выборок взрослых особей, а беринговоморская s^oлoдь - от выборов взрослых особей из западной части Берингова моря. Кальмары из района Командорских островов занимают промежуточное положение, обнаруживая отдельные существенны': различия как с курильскими, так и с берикговоморскими особями. При сравнении региональных выборок В. гшщ151ег по разним наборам полиморфных локусов принципиальная схема дифференциации кальмаров из северо-западной Пацифики на две основные группы остается.

В северной Пацифике выявлена межвыборочная генетическая дифференциация В. та£1$1ег. По локусам Pgd, М<йг-2 и общая дифференциация между кальмарами из трех регионов (Японское море, северо-западная Пацификэ и залив Аляска) формируется, в основном, за счет межгрупповой изменчивости, а по локусу Рвгп-1 - в пределах [рупп. В северо-западной Пацифике достоверные значения Р(Ш) были зафиксированы для шести локусов из десяти. При объединении отдельных выборок из северо-западной Пацифики в девять региональных групп оказалось, что по многим локусам межвыборочная дифференциация отмечается исключительно в пределах регионов.

На дендрограмме генетических расстояний япономорские и аляскинские выборки представлены отдельными ветвями, а выборки из северо-западной Пацифики формируют кластер, причем, кальмары из северо-западной Пацифики образуют две основные группы: курило-командорскую и западноберипгозоморскую (рнс.2). Общая межвыборочнач гетерогенность отсутствует как в первом кластере, так и ьо втором, но для всех семи региональных выборок из северо-западной Пацифики она достоверна.

ЯПОНСКОЕ МОРЕ ЗАЛИВ АЛЯСКА ЮЖНЫЕ КУРИЛЫ ЦЕНТРАЛЬНЫЕ КУРИЛЫ СЕВЕРНЫЕ КУРИЛЫ ОХОТСКОЕ МОРЕ (МОЛОДЬ) КОМАНДОРЫ БЕРИНГОВО МОРЕ БЕРИНГОВО МОРЕ (МОЛОДЬ)

-1---1-1-1

.37 .02 .ох .оо

Рисунок 2.

Дендрограмма генетических расстояний D(R) (Rogers, 1972) между Berryteuthis magister из разных районов северной Пацифики.

Различия между генерациями. Выборки из разделеняых во времени скоплений формируют три группы: I) кальмары весенне-летней и осенне-зимней генераций 1990 года, 2) кальмары весенне-летней и осенне-зимней генераций 1991 года и 3) кальмары весенне-летней генерации 1992 года. Нерестящиеся летом и осенью одного календарного года кальмары оказались генетически более сходны между собой, чем кальмары, нерестящиеся в разные годы.

Особенности дифференциации В. magister. Если обнаруженные у В. magister генетические различия сформировались вследствие случайного дрейфа, то согласно "островной модели" С. Райта (Wright, 1943) уровень дифференциации можно использовать для оценки степени генетического обмена между популяциями. При достижении баланса между миграцией и дрейфом F(ST)=l/(4Ne*m+l), где Ne -эффективная численность популяции, am- доля иммигрантов за каждое поколение. Теоретически Ne*m означает число мигрантов на поколение, необходимое для поддержания наблюдаемого уровня дифференциации, возникшего вследствие случайного дрейфа. Дифференциация между кальмарами из разных регионов северной Пацифики, выраженная через F(ST), изменялась от 0.001 до 0.120 (табл.).

Т.

Таблица. Средиие оценки генетической дифференциация Р(8Т) и числа мигрантов на поколение Ые*т для Веггу1еч;Ыз пг^^ег из северной Пацифики.

f¿I ¡Л-l.'i

;;::окс.-^ь :<<'УгТ~ ь., ги/ч

««илокоъ ^'ЬЕ-

КУРЙПЫ

ЯПОНСКОЕ МУРЕ" БЕРИНГОВО МОРЕ

ЯПОНСКОЕ МОРЕ-ЗЛЛ1ЛВ АЛЯСКА

ЗАЛИВ ДЛЯСКА-ЗЕРКН.ГСБО МСРЕ

/СУРКПЫ-

."ГИНГСЕО ПОРЕ

Для четырех локусов наибольшие оценки F(ST) получены при сравнении Hanuw.v разобщенных пространственно япономорсках и аляскинских кальмаров, наименьшие -при сравнении между собой кальмаров из северо-западной Пацифики. Соответственно уровню дифференциации теоретически наименьшее число мигрантов на поколение между Японским морем и заливом Аляска составило 19. Практически же обмел мигрантами между крайними участками ареала нереален. Поток генов, по-ьидимому, отсутствует и между географически разобщенными популяциями япономорских и курильских кальмаров, для которых минимальный теоретически возможный уровень обмена составил всего две особи на поколение. Гораздо более реально предположить существование стабильного и незначительного потока мигрантов, около 40 особей на поколение, между заливом Аляска и Беринговым морем Наличие такого рода слабой генетической связи вполне объяснимо, если предположить, tío "Ne значительно ниже N, а также исходя из особенностей географии, общей схемы течений и межюдовой динамики циркуляции вод региона (Favorite eí al., 1976, Радченко, 1994). Кальмары из района Курильских островов и западной части Берингова моря генетически очень близки, несмотря на статистически достоверную межрегиональную дифференциацию. Выявленному уровню генетической днффсрскаяь'сл! у.!.\-;"'Гт кчрк, tcm:>. .р»л-»«ovfopcMivn сомтвсгс-ь. »,«•

4V.C..0

ST) №*¡n

э . с: з

li

о. T'j; г. .GOT

: SO

оценка в 250 мигрантов на поколение. Данная оценка предполагает существенный обмен особями в регионе, учитывая факторы, снижающие эффективную численность микролокальных и дифференцированных во времени субпопуляционных группировок В. magister. Интенсивный обмен мигрантами в северо-западной Пацифике реален, так как параларвы В. magister ведут планктонный образ жизни и разносятся течениями (Kubodera, 1982; Kubodera and Jeiferts, 1984), а молодь и взрослые особи совершают миграции (Бизиков 1996; Федорец и др., 1997; Nesis, in press; Sinclair et al., in press).

На формирование дифференциации В. magister оказали влияние такие внешние факторы как географическая разобщенность и изолированность отдельных участков ареала, региональные океанологические и топографические условия. Из эндогенных факторов можно указать следующие: физиологические (моно- и короткоцикличность, сезонность в размножении), поведенческие (стадное поведение, тенденция к формированию групп, или когорт). Эко-морфологическое разделение жизненного цикла В. magister на планктонную и некгонную фазы оказало, по всей видимости, существенное влияние на формирование характера внутривидовых географических различий кальмара. Так, длительное нахождение параларвы в планктоне способствовало расширению ареала с последующей аллопатрической дифференциацией субизолятов. С другой стороны, перенос параларв течениями обеспечивает сохранение целостности вида, устраняя возникающие локальные различия на больших участках ареала.

Внутривидовая дифференциация В. magister имеет черты как дискретного, так и ступенчатого типов. В периферических участках обширного видового ареала, в Японском море и заливе Аляска, существуют изолированные или полуизолированные самовоспроизводящиеся группировки (популяции), что характерно для дискретного типа. Более того, япономорская популяция В. magister отличается морфологическим, экологическим и генетическим своеобразием, что предполагает ее длительную репродуктивную изоляцию. В пределах северо-западной Пацифики существуют, судя по всему, собственные субпопуляционные системы В. magister, имеющие слабовыражеяную пространственную и временную неоднородность, что может быть следствием ступенчатости популяционной организации. Дифференциация при этом наиболее четко выражена между двумя географически разобщенными группировками кальмаров -куридо-охотоморской и беринговоморской, - а группировка из западного сектора Алеутской гряды географически и генетически занимает промежуточное положение. Локальные субпопуляции В. magister в северо-западной Пацифике (смежные во времени группировки и группировки из географически соседствующих регионов) могут

IS

генетически различаться между собой, но такие различия слабы и нестабильны вследствие обмена мигрантами.

ГЛАВА 6. BERRYTEUTHIS MAGISTER SHEVTSOVl SUBSP. N. ИЗ ЯПОНСКОГО

МОРЯ

В данной главе приведены основания для придания подвидового статуса представителям В. magister из Японского моря и дано описание нового подвида В. magister shevtsovi subsp. п. Основные морфологические признаки нового подвида соответствуют видовым: кальмар семейства Gonatidae с характерным простым (прямым) замыкающим хрящем воронки, тетрасериальным вооружением рук и креплением буккальных коннектив по типу DDVV; плавник крупный, ромбический; булава длинная, слабо выраженная, без крючьев, присоски по краям мануса мельче, чем в его центральной части; семь зубов в каждом поперечном ряду радулы. Основные морфологические отличия между В. m. shevtsovi и В. т. magister количественные: новый подвид, в среднем, гораздо мельче номинативного и во взрослом состоянии имеет относительно более широкий плавник; различия в размерах присосок на ладонной части булавы у нового подвида менее выражены; латеральные зубы радулы у всех исследованных особей нового подвида двувершинные, тогда как практически у всех особей номинального подвида трехвершинные. Определить признаки, отличающие новый подвид от В. in. nipponensis, сложно ввиду того, что последний был описан но единичным неполовозрелым экземплярам, у которых дефинитивные признаки не полностью сформированы. Можно предположить, что основные различия между подвидами заключаются в общих размерах (новый подвид мельче), в относительных размерах плавника (у нового подвида плавник крупнее) и в относительной ширине мантии (у нового подвида мангия шире).

Новый подвид отличается экофизиологическими особенностями, связанными прежде всего с воспроизводством. Спаривание кальмаров в разных регионах Японского моря происходит в конце осени - зимой, а нерест весной с пиком а феврале и марте (Раилко, 1979; Nazurai et al-, ¡979; Yuuki and Kitazawa, 1986), что на несколько месяцев позже основного пика нереста в северо-западной и северо-восточной Пацифике. В северозападной Пацифике в течение календарно1 о года отмечалось два сезонных пика нерсста кальмара: весенне-летний и осенне-зимний, тогда как в Японском море только один зимне-весенний. В Японском море пик интенсивности нереста выражен более отчетливо и

продолжительность нерестового периода короче, чем в северо-западной Пацифике, о чем свидетельствует ярко выраженная сезонность выклева личинок в Японском море и растянутость периода выклева в Охотском море (Natsukari et al., 1993). Кальмары из Японского моря отличаются также меньшей плодовитостью и более крупными, чем в других регионах размерами зрелых яиц и личинок при вылуплении (Nazumi et al., 1979; Федорец и Козлова, 1986; Natsukari et al., 1993).

В. m. shevtsovi - периферический географический изолят. Ввиду приуроченности пост.тччиночных стадий к бентлческому образу жизни на материковом склоне границы подвша в Японском море можно ориентировочно ограничить замкнутой изобатой в 200 м (усдозная граница между шельфом и склоном). За время изоляции в Японском море у командорского кальмара сформировался несколько отличный от исходного внешний облик, выработалась своеобразная тактика осуществления репродуктивной стратегии (меньшее число яиц и большая их насыщенность желтком приводит к увеличению выживаемости потомства), а также закрепились генетические различия.

Значение генетического расстояния D(N) (Nei, 1972) между В. m. shevtsovi и В. ш. magiitcr, вычисленное на основании 26 локусов, составило 0.044. Это более чем на порядок выше D(N) между курильскими и заладноберинговоморскимн выборками номинативного подвида (Katugin, 1993). Значение D(N) между подвидами командорского кальмара соответствует уровню дивергенции подвидов кальмаров семейства Loliginidae (Augustyn and Grant, 1988). Судя по зависимости между величиной D(N) и временем дивергенции (Nei, 1987), изоляция между подвидами командорского кальмара сформировалась примерно 220 тыс. лет назад, в период самого крупного за весь четвертичный период рисского оледенения (Монин, 1977). В плейстоцене Японские острова неоднократно соединялись с материком, изолируя Японское море от других приконтинентальных восточно-азиатских бассейнов и от Тихого океана (Лихт, 1993). Следствием сменяющих друг друга фаз регрессии и трансгрессии моря были периодические изменения внешней конфигурации, батиметрического профиля и водного режима Япономорского бассейна (Nishimura, 1964; Линдберг, 1972). В периоды опускания уровня океана в Японском море формировался рефугиум для популяций-основателей, ограничивая (или полностью прерывая) контакты с тихоокеанскими (и охотоморскими) родительскими популяциями кальмара. Своеобразные условия во вновь заселенном бассейне, отличные от условий обитания предковых популяций, способствовали выработке нового специфичного экоморфотипа командорского кальмара, при котором наиболее эффективно осуществлялась репродуктивная стратегия вида.

ВЫВОДЫ

1. Впервые проведено исследование внутривидовой изменчивости и дифференциации командорского кальмара (Вегтлте^Ый тад15Тег) - одного из самых массовых видов семейства ОопаП(1ае в северной Пацификс. Показано, что комплексное применение двух подходов - морфологического и генетико-биохимического - можно эффективно использовать в анализе пространственной и таксономической дифференциации кальмара.

2. В результате анализа морфологических характеристик ВегоТешЫБ magis:er по таким показателям как размеры (длина мантии) прп созревании и длина лидаментальиых желез половозрелых особей выявлены существенные различия кальмаров из трех регионов северной Пацифики: Японского моря, северо-западной Пацифики и северовосточной Пацифики.

3. Показам, что представители ВегтуХеииш тауггег из Японского моря наиболее сильно отличаются от таковых, из других регионов северной Пацифики, характеризуясь самыми мелкими для вида дефинитивными размерами, а также унимодальным распределением размеров каждого из полов. Размерные ряды половозрелых самок и самцов Вепугеийш та^^ег из северо-западной и северо-восточной Пацифики полимодалыше, причем, во втором регионе размерная дифференциация выражена сильнее, чем в первом. В обоих регионах присутствуют половозрелые кальмары двух основных размерных группировок: крупноразмерной и мелкоразмерной.

4. Выявлена онтогеиетичекая зависимость между размерами (длина и ширина) плавника и общим размером (длина мантии) Веп^еийиз Дефинитивные размеры плавников у кальмаров из Японского моря существенно отличаются от такозых у кальмаров из других участков ареала и соответствуют пропорциям плавников растущих кальмаров из северо-западной Пацифики.

5. Впервые у ВепуЧеыЫя п^ыег электрофоретически изучена изменчивость ферментов и неферментаых белков и предложен их генетический контроль. Предположительно 42 генных локуса определяют спектры исследованныхных белков; в 24 локусах отмечена аллельная изменчивость. Основные показатели внутривидовой генетической изменчивости Вегг^здлЫз уровень полиморфизма и гетерозиготность, оказались самыми высокими из всех аналогичных оценок, полученных на других видах качьмаров. В среднем, более трети всех локусов полиморфны и могут быть потенциальным источником информации в популяционном аспекте.

6. Между самками и самцами, а также между ювеьильными и взрослыми особями Berryteuthis magister не выявлено значимых генетических различий, что предполагает отсутствие полового диморфизма и онтогенетической изменчивости кальмара по изученным наследственным признакам.

7. При сравнении Berryteuthis magister из трех крупномасштабных регионов северной Пацифики: Японское море, северо-западная Пацифика и залив Аляска, -выявлена генетическая гетерогенность. Наибольший уровень межрегиональной дифференциации выявлен между кальмарами из Японского моря и других участков видового ареала.

В. В северо-западной Пацифике обнаружена пространственная и временная гетерогенность Berryteuthis magister по частотам аллелей полиморфных генньс; локусов. Пространственная дифференциация формируется вследствие различий между кальмарами из курило-охотоморского и берикговоморского регионов. Временная дифференциация формируется, в основном, вследствие различий между кальмарами из смежных скоплений в каждом из двух регионов: Курильские и Командорские острова.

9. Общая картина внутривидовой дифференциации Berryteuthis magister в северной Пацифике складывается из нескольких составляющих. Во-первых - это дивергенция за время раздельной эволюции кальмаров из грех регионов: Японское море, северо-западная Пацифика и северо-восточная Пацифика. Во-вторых - это различия между кальмарами из курило-охотоморского и западноберинговоморского участков видового ареала. В-третьих - это различия между смежными генерациями кальмара в северо-западной Пацифике.

10. Впервые обоснована таксономическая самостоятельность представителей Berryteuthis magister из Японского моря на уровне подввда. Выявлены основные морфологические признаки нового подвида: мелкие размеры, широкий плавник, слабо выраженные различиями в размерах присосок ладонной части булавы; двувершинность латеральных зубов радулы. Приводится описание нового подвида.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Катугин О. Н. Полиморфизм 6-фосфоглюконатдегидрогеназы у кальмара Berryteuthis magister // Сырьевые ресурсы и биологические основы рационального использования промысловых беспозвоночных. Тез. докл. - Владивосток, 1988. - С. 80-81.

2. Катугин О. Н. Внутривидовая генетическая дифференциация командорского кальмара // Биологические ресурсы шельфа, их рациональное использование и охрана. Тез.докл. - Владивосток, 1989. - С. 37-38.

3. Катугип О. Н. Полиморфные ферментные системы командорского кальмара Berryteuthis magister (Berry) // Экология, миграция и закономерности распределения морских промысловых объектов. Тез.докл. - Владивосток, 1990. - С. 25-27.

4. Катугин О. Н. Изучение родственых связей между различными видами кальмаров семейства Gonatidae методом электрофореза белков // Биология и рациональное использование гидробиоитов, их роль в экосистемах. Тез.докл. - Владивосток, 1993. - С. 14-15.

5. Katugin, О. N. Unidentified gangle protein polymorphism in the gonatid squid Berryteuthis magister from the North Pacific H Isozyme Bull.. 1991. - V. 24. - P. 51.

6. Katugin, O. N. Polymorphism of purinenucleoside phosphorylase in the North Pacific oceanic squids//Isozyme Bull., 1992. - V. 25. - P. 56.

7. Katugin, O. N. Genetic variation in the squid Berryteuthis magister (Berry, 1913) (Oegopsida: Gonatidae) И In: T. Okutani, R. K. O'Dor and T. Kubodera (eds.) Recent Advances in Cephalopod Fisheries Biology. Tokai Univ. Press, Tokyo, 1993. - P. 201-213.

8. Katugin, O. N. Genetic differentiation in Berryteuthis magister from the North Pacific И ICES Mar. Sci. Symp., 1995 a. - V. 199. - P. 459-467.

9. Katugin, O. N. Morphology, genetic divergence, and evolution of Berryteuthis magister, Berryteuthis anonychus, and Gonatopsis borealis (Cephalopoda: Oegopsida) // In: A. Guerra, E. Rolan and F. Rocha (eds.). Abst. 12th Intern. Malacol. Congr., Vigo, 1995 b. - P. 312313.

10. Katugin, O. N. Genetic differentiation and evolutionary divergence between species of the family Gonatidae (Teuthoidea: Oegopsida) // AMU Annual Meeting, Program and Abstracts, 1995 c.-P. 31.

11. Katugin, O. N., Yu. A. Fedorets and V. D. Didenko. Variability at the peptidase coding loci in the red squid, Berryteuthis magister // Isozyme Bull., 1992. - V. 25. - P. 57.

12. Katugin, O. N. A new subspecies of the schoolmaster gonate squid Berryteuthis magister (Berry, 1913): genetic and morphologic evidence // AMU/WSM Annual Meeting, Program and Abstracts, 1997. - P. 38.