Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности размножения Aulactinia stella(Verrill,1864) (Hexacorallia,Actiniidae) в Белом и Баренцевом морях

ВАК РФ 03.02.04, Зоология

Автореферат диссертации по теме "Особенности размножения Aulactinia stella(Verrill,1864) (Hexacorallia,Actiniidae) в Белом и Баренцевом морях"

005017086

На правах рукописи

БОЧАРОВА Екатерина Сергеевна

!

ОСОБЕННОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ AULACTINIA STELLA (VERRILL, 1864) (HEXACORALLIA, ACTINIIDAE) В БЕЛОМ И БАРЕНЦЕВОМ МОРЯХ

Специальности 03.02.04 - зоология и 03.02.07 — генетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 оZC12

Москва 2012

005017086

Работа выполнена на кафедре зоологии беспозвоночных биологического факультета Московского государственного факультета имени М.В. Ломоносова и в лаборатории популяционной биологии Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии

Научные руководители: кандидат биологических наук

Косевич Игорь Арнольдович

кандидат биологических наук Мюге Николай Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Котов Алексей Алексеевич

Учреждение Российской академии наук Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН

кандидат биологических наук Гребельный Сергей Дмитриевич

Учреждение Российской академии наук Зоологический институт

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН

Защита диссертации состоится 21 мая 2012 г. в 17 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.20 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, дом 1, строение 12, биологический факультет. Факс: 8(495)939-43-09; E-mail: irbeme@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан <оЮ» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор —' И.Р. Бёме

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Актинии (Cnidaria, Actiniaria) — одиночные шестилучевые кораллы - играют заметную роль в морских биоценозах, являясь важным звеном трофических цепей, но работ по биологии размножения этих организмов в отечественной литературе немного (Лосева, 1970, 1971, 1972в, 1974а, 19746; Костина, 19886, 1989а, 19896). Для актиний известно множество вариантов полового и бесполого размножения. Половое размножение происходит при участии особей двух полов (появлению новой особи предшествует созревание и слияние мужской и женской половых клеток) или путем партеногенеза (развитие женских клеток без оплодотворения). При бесполом размножении новый организм образуется из фрагмента тела родительской особи или из его специальных разрастаний (Иванова-Казас, 1975). Одни виды актиний размножаются только половым путем, другие -только бесполым. При этом существует огромное число видов, которые сочетают разные механизмы обоих типов размножения, сменяющих друг друга в зависимости от условий окружающей среды. Стефенсон (Stephenson, 1929) считал, что способ размножения варьирует в зависимости от местообитания животных. Это предположение было подтверждено и другими авторами (Ауге, 1984а; Billingham, Ауге, 1996).

Помимо разных способов размножения, некоторые виды актиний семейства Actiniidae осуществляют заботу о потомстве, вынашивая молодь в гастральной полости (Lubbock, Allbut, 1981; Monteiro et al., 1998; Лосева, 19746) или снаружи на стенке тела (Dunn, 1975а). В последние годы появились сообщения о том, что зародыши могут быть не только результатом полового размножения, но и клонирования родительской особи (Monteiro et al., 1998; Sherman et al., 2007). Происхождение клональной молоди может быть связано с амейотическим партеногенезом или партеногенезом с восстановлением диплоидности яйцеклеток (Гребельный, 2005), однако точный механизм появления такого потомства в гастральной полости разных видов актиний остается неизвестным.

В свете новых представлений особенно интересны разрозненные сведения о размножении массового литорального вида Aulactinia Stella (сем. Actiniidae) из Белого и Баренцева морей. Известно, что этот вид характеризуется вынашиванием потомства в гастральной полости и образует разреженные в пространстве популяции на литорали. В 1970-е гг. Лосева (19746) обратила внимание на вынашивание потомства у А. Stella в гастральной полости самок, самцов, гермафродитов и особей без половых продуктов на литорали Баренцева моря и предположила, что этому виду присуще половое размножение при последовательном гермафродитизме.

В целом, на сегодняшний день нет точных данных о способах размножения Aulactinia Stella на литорали в разных местообитаниях Белого и Баренцева морей. В частности, представляет интерес происхождение и развитие потомства в гастральной полости взрослых особей этого вида в условиях изучаемых биотопов. В настоящее время для проведения таких исследований помимо традиционных зоологических стали доступны и генетические методы анализа материала.

Цель и задачи исследования. Основная цель настоящей работы — изучить особенности размножения актиний Aulactinia Stella на литорали Белого и Баренцева морей.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) Проанализировать половой состав особей и определить способы размножения А. Stella на литорали Белого и Баренцева морей.

2) Изучить стадии развития зародышей из мезентериев и гастральной полости взрослых особей А. Stella.

3) Выявить родственные отношения между эмбрионами и вынашивающими их особями А. Stella в изучаемых районах с помощью генетических методов.

Научная новизна. Впервые для Aulactinia Stella описаны поселения, состоящие только из самок и особей без половых клеток. Показано, что зародыш развивается в мезентерии родительской актинии до стадии гаструлы, а

затем выходит в гастральную полость взрослой особи. Проведено сравнение взрослых актиний А. Stella и их зародышей с помощью ядерного (рибосомального кластера со спейсерами ITS 1 и ITS 2) и митохондриапьных (12S рРНК, 16S рРНК, COIII) генетических маркеров. Впервые для А. Stella установлено клонирование путем партеногенеза как основной способ размножения на литорали Белого и Баренцева морей, в то время как в Беринговом море нами показано наличие полового размножения у этого вида. Впервые у А. Stella доказано вынашивание взрослыми особями зародышей, которые являются потомками других особей того же вида, что свидетельствует об обмене зародышами между взрослыми актиниями. Впервые на литорали Баренцева моря отмечен сублиторальный вид Urticina crassicornis, образующий совместные поселения с А. Stella.

Практическое значение работы. Результаты выполненных исследований позволяют получить представление об особенностях размножения широко распространенного на литорали вида актиний. Использованные подходы и методы могут быть использованы при изучении особенностей размножения и генетической структуры популяций других видов актиний, для оценки роли актиний в экосистеме. Изложенный материал будет использован для дальнейших обобщений в области экологии и биологии развития, при чтении лекций по зоологии беспозвоночных и гидробиологии. Последовательности ядерных и митоходриальных генов А. Stella и U. crassicornis депонированы в базе данных GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) и доступны исследователям всего мира для определения этих видов по небольшому фрагменту тела актиний.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на IX и X Съездах Гидробиологического общества РАН (Тольятти, 2006; Владивосток, 2009), на 12-м Конгрессе Европейского общества по эволюционной биологии (Турин, Италия, 2009), на 3-ей Конференции Европейского общества по эволюционной биологии развития (Париж, Франция, 2010), на Кейстоунском симпозиуме по Эволюционной биологии развития (Тахо-сити, США, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ (4 статьи и 5 материалов конференций), в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы, включающего 184 источника, в том числе 143 на иностранных языках. Работа изложена на 146 страницах, содержит 8 таблиц и проиллюстрирована 35 рисунками.

Благодарности. Автор выражает глубочайшую благодарность научным руководителям к.б.н. И.А. Косевичу и к.б.н. Н.С. Мюге за всестороннюю поддержку и ценные замечания при выполнении работы и подготовке рукописи. Автор благодарен д.б.н., проф. H.H. Марфенину за инициацию работы и замечания по тексту. Особую благодарность автор выражает чл.-корр. РАН, проф. В.В. Малахову за поддержку и советы при выполнении работы на кафедре зоологии беспозвоночных, а также другим сотрудникам кафедры за помощь в освоении методик - Е.А. Жуковской, C.B. Пятаевой, H.H. Римской-Корсаковой. Автор искренне признателен коллективу лаборатории популяционной биологии ВНИРО за постоянную помощь и поддержку при работе с молекулярно-генетическими методами, в особенности — С.М. Расторгуеву, A.A. Волкову, А.Е. Барминцевой, A.A. Сергееву, Д.А. Зелениной, М.Е. Толочковой, а также И.В. Солохину за фотографии актиний и Х.Р. Шимшилашвили за клонирование ПЦР-продуктов. Огромную благодарность за помощь в сборе материала автор выражает С.Е. Аносову, М.А. Черневой, Н.П. Санамян, A.B. Лабутину, О.Ю. Вилковой, A.M. Переладову, М.В. Переладову, Г.М. Тертицкому, В.Ю. Семашко, А.Е. Черенкову, а также д.б.н. М.Г. Карпинскому за комментарии по тексту.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Краткий обзор литературы.

Глава содержит информацию о систематическом положении вида Aulactinia Stella и морфологический обзор отряда Actiniaria. Рассмотрены

основные этапы созревания половых продуктов и способы оплодотворения при половом размножении разных видов актиний, варианты заботы о потомстве. В главе также отражены способы клонирования у ограниченного числа видов актиний, которые выражаются в партеногенезе и нескольких вариантах бесполого размножения.

Данные об эмбриональном развитии А. Stella достаточно обрывочные. До сих пор не было получено достоверных сведений о локализации зародышей на стадиях морулы и бластулы при внутреннем вынашивании потомства у актиний. Кроме того, для рядов видов, включая А. Stella, остается открытым вопрос о происхождении зародышей в гастральной полости.

В середине 1970-х гг. исследователи начали использовать изоферментный анализ для изучения родственных отношений между взрослыми актиниями и потомством из их гастральной полости (Ottaway, Kirby, 1975). В последние годы появились генетические исследования популяций актиний, в которых проводили анализ последовательностей митохондриальных генов COI (Fautin, Smith, 1997), COIII (Geller, Walton, 2001), 12S рРНК (Daly et al., 2008) и 16S pPHK (Geller, Walton, 2001), микросателлитный анализ (Sherman et al., 2007), мультилокусный анализ ДНК (Edmands, 1995; Edmands, Potts, 1997), AFLP-PCR (Darling et al., 2004; Douek et al., 2002), RAPD-PCR (Pearson et al., 2002), анализ ядерного рибосомального кластера (Acuna et al., 2007). Генетический анализ взрослых особей и их потомства сделал возможным обнаружение полового или клонапьного размножения у изучаемых видов, а также сравнение популяций одного вида и выявление разных видов среди симпатрически обитающих форм.

Глава 2. Материалы и методы.

2.1. Сбор материала. Видовое определение актиний проводили по «Определителю фауны и флоры северных морей СССР» (1948), неопубликованному определителю С.Д. Гребельного, описаниям J1.M. Лосевой (1972а, 19726), Н. Санамян и К. Санамян (2008). Прижизненная окраска образцов была задокументирована путем фотосъемки. Состав нематоцист анализировали по «давленым» препаратам.

Материал, используемый в настоящей работе, получен в ходе полевых исследований автора в 2002-2011 гг. на литорали некоторых районов Белого и Баренцева морей (станции 1-9; рис. 1). Материал из района биостанции "Дальние Зеленцы" Мурманского морского биологического института КНЦ РАН (станция 10) был любезно предоставлен М.А. Черневой. В Авачинском заливе Берингова моря 8 актиний А. Stella были собраны Н.П. Санамян.

На основе литературных данных в главе рассматриваются географическое положение, особенности рельефа дна, береговой линии и грунтов. Также нами приведены сведения о климатических условиях и гидрологическом режиме районов исследования.

Всего было проанализировано 367 взрослых и 96 ювенильных актиний (полипов), из которых 348 взрослых и 84 ювенильных особей были представлены видом Aulactinia Stella. Остальные 19 взрослых и 12 ювенильных особей были отнесены к виду Urticina crassicornis.

2.2. Изготовление гистологических препаратов. Были изготовлены серийные парафиновые поперечные срезы 61 взрослого экземпляра А. Stella (по 15 особей из каждого места сбора Белого и Баренцева морей и 1 самец — из Берингова моря) и 2 экземпляра U. crassicornis. Для изготовления серийных поперечных срезов актиний в парапласте была применена стандартная методика с окраской гематоксилином Караччи (Валовая, Кавтарадзе, 1993). Также было изучено 30 личинок из гастральной полости взрослых особей А. Stella на серийных срезах в эпоксидных смолах с окраской метиленовым синим. «Давленые» препараты книдома (состава стрекательных клеток) изготавливали из фрагментов тканей щупалец, глотки, стенки колюмна и мезентерия. Исследование и фотографирование гистологических срезов и книдома проводили с помощью светового микроскопа Leica DM5000.

23. Молекулярно-генетические методы. Для генетического анализа было использовано 67 взрослых и 74 ювенильных особей А. Stella, а также 6 взрослых и 2 ювенильных особи U. crassicornis. Выделение ДНК из актиний, зафиксированных в 96% этаноле проводили 2 способами: по СТАВ-протоколу

Рис. 1. Карта расположения мест сбора материала в Белом и Баренцевом

морях. Цифрами обозначены номера станций.

9

(Dellacorte, 1994) и с помощью набора Wizard® SV Genomic DNA Purification System (Promega) в соответствии с инструкциями фирмы-производителя.

Амплификацию фрагментов ядерного рибосомального кластера проводили с праймерами, описанными в работе Акуны с соавторами (Acufia et al., 2007). Фрагменты амплификации содержали 3'-конец гена 18S и 5'-конец гена 28S, 2 внутренних транскрибируемых спейсера ITS-1 и ITS-2 и находящийся между ними ген 5,8S. Фрагменты митохондриальной ДНК актиний (12S рРНК, 16S рРНК, COIII) амплифицировали с праймерами согласно описанной ранее методике (Geller, Walton, 2001).

Постановку реакции секвенирования проводили с использованием набора реактивов BigDye vl.l в соответствии с рекомендациями фирмы-производителя, очищенный и денатурированный продукт реакции анализировали на капиллярном секвенаторе ABI PRISM 3100 (Applied Biosystems) с использованием полимера РОР7. Хроматограммы были обработаны с помощью программы Sequencing Analysis 3.7 (Applied Biosystems). Для анализа использовали также последовательности ядерных и митохондриальных генов актиний из базы данных GenBank. Для статистической обработки последовательностей и построения дендрограмм применяли программы MEGA 5.0 и Раир 4.0 с использованием алгоритмов Neighbor Joining (NJ), UPGMA, Maximum Parsimony. Для оценки статистической достоверности дендрограмм использовали бутстрэп-поддержку.

Глава 3. Особенности морфологии Aulactinia Stella и Urticina crassicornis.

В главе рассматриваются особенности внешнего и внутреннего строения и состава книдома (стрекательных капсул) у особей А. Stella из Белого, Баренцева и Берингова морей. Нами уточнено описание этого вида, данное JI.M. Лосевой (1972а), относительно локализации некоторых типов стрекательных капсул. У А. Stella имеются микробазические р-мастигофоры (нематоцисты с дифференцированной трубкой), среди которых выделяются тонкостенные (А) и

толстостенные (В) формы. Дано описание особей U. crassicornis, обнаруженных нами на литорали Баренцева моря.

Глава 4. Распределение актинии и особенности их экологии на литорали Белого и Баренцева морей.

4.1. Структура биотопов и сообществ бентоса в районах исследований. Aulactinia Stella - бореально-арктический вид (Carlgren, 1921), который проник в Арктику из умеренных вод и заселил литораль и верхние участки сублиторали Белого и Баренцева морей (Гребельный, 19806). Ранее считалось, что это единственный вид актиний на литорали этих морей, но в сборах из Варангер-фьорда Баренцева моря нами были обнаружены также актинии вида Urticina crassicornis.

Дано описание биотопов и сообществ, в которых обитает А. Stella на литорали Белого и Баренцева морей. На литорали Варангер-фьорда актинии встречались на скалистых и смешанных грунтах. В районе ББС МГУ, Соловецких островов и Дальнезеленецкой губы особи А. Stella были отмечены в биотопах смешанных (каменистая и каменисто-песчаная литораль с разной степень заиленности), а реже рыхлых и скалистых грунтов.

Преимущественно актинии поселяются в нижней литорали в сообществе фукоидов. Особи А. Stella встречались в следующих сообществах зообентоса: сообществе мидий, сообществе бапянусов и сообществе рыхлых грунтов. В первых двух сообществах актинии поселяются при наличии места на твердом субстрате, в последнем — при наличии собственно твердого субстрата. Спектр питания А. Stella составляют представители зообентоса и рыб, сходные по размерам с актиниями и обитающие в данном местообитании.

4.2. Условия обитания актиний А. Stella на исследуемых участках литорали. На участках литорали в исследуемых районах Белого и Баренцева морей (Рис. 1) были изучены плотность распределения актиний А. Stella, характер субстрата, сопутствующая флора и фауна. С ббльшей подробностью был исследован участок литорали в районе ББС МГУ по 5 трансектам. Максимальную плотность поселения актиний наблюдали на трансекте с

наибольшей интенсивностью течения, а минимальную плотность — на сильно заиленном грунте с недостатком твердого субстрата.

Во всех местах сбора материала актинии А. Stella были распределены неравномерно, часто со скоплениями в пределах от 5 до 18 экз./м2, что может быть связано с особенностями размножения. Размеры актиний в Белом и Баренцевом морях варьировали в одних и тех же пределах от 2 до 27 мм (достоверность различий tvaiue= 1,12). Молодые особи размером 2-4 мм, которые были расположены рядом с более крупными экземплярами, могли быть потомством этих взрослых особей. Молодые полипы оседают после выхода из гастральной полости поблизости от родительских особей.

Глава 5. Размножение и эмбриональное развитие Aulactinia Stella.

5.1. Описание половых клеток актиний. Половые продукты А. Stella развиваются в мезоглее мезентериев между мышечным валиком и мезентериальным филаментом в средней части колюмна (Рис. 2). В Белом и Баренцевом морях среди половозрелых особей были обнаружены только самки.

На поперечных срезах А. Stella яйцеклетки часто встречались группами, образуя характерные выпячивания мезентериев (Рис. 3). По полученным данным, наибольшее количество яйцеклеток встречалось у этих актиний примерно от середины тела на 10% длины тела к оральному диску. При этом очевидно, что развитие ооцитов происходило асинхронно. Размеры различимых на световом уровне яйцеклеток варьировали от 5 до 270 ц.

Анимальный полюс растущих ооцитов А. Stella направлен к поверхности мезентерия (в гастральную полость). У яйцеклеток размером около 50 ц на анимальном полюсе появляется углубление, в котором находятся базальные концы нескольких десятков клеток гастродермы (энтодермы). Этот пучок энтодермальных клеток образует трофонему («энтодермапьную связку»), служащую для питания ооцита (Рис. 3). Ядро у такой яйцеклетки располагается ближе к анимальному полюсу почти вплотную к трофонеме (Рис. 3).

Мезоглеапьная оболочка вокруг растущего ооцита А. Stella растягивается (Рис. 3). Специальных оболочек у изолированного из мезентерия ооцита

Рис. 2. Объединенная схема расположения половых продуктов в мезентериях Aulactinia Stella.

Рис. 3. Растущий ооцит в мезентерии Aulactinia Stella с трофонемой. Обозначения: м — мезоглея, моб — мезоглеальная оболочка, тр — трофонема, ц -цитоплазма, энт — энтодерма (гастродерма), я - ядро, ядриї - ядрышко.

обнаружено не было. По мере созревания яйцеклетки ядрышко становится менее заметным, что объясняется уменьшением его активности и, следовательно, снижением содержания в нем нуклеиновых кислот. По ооцитам на поперечных срезах А. Stella можно определить, что по количеству желтка яйцеклетки актиний этого вида полилецитальные, а по расположению запасных веществ - телолецитальные.

На серии поперечных срезов особей А. Stella, собранных в разные месяцы (июнь-октябрь) 2003-2011 гг. на литорали Белого и Баренцева морей, из половых клеток были обнаружены только ооциты. Актинии этого вида из Берингова моря были представлены как самками, так и самцами.

5.2. Описание стадий развития зародышей актиний. На поперечных срезах А. Stella и при вскрытии мезентериев были обнаружены яйцеклетки с 2 ядрами и зародыши на стадии 4 бластомеров (Рис. 4/1). В мезоглее мезентериев актиний также присутствовали зародыши на стадиях бластулы (Рис. 4Б) и гаструлы. Бластула представляла собой сплющенный с боков однослойный зародыш, бластоцель которого заполнен желтком. Клетки бластулы вытянуты в апико-базальном направлении, а их ядра смещены к периферии зародыша.

В гастральной полости взрослых актиний находились эмбрионы с ресничками и апикальным органом, из которых размеры самых маленьких были около 200 р. (Рис. 5). Бластулы в гастральной полости не обнаружены, часть эмбрионов была представлена стадиями от ранней (Рис. 5А) до поздней гаструлы. Гаструляция у обнаруженных зародышей проходила по типу инвагинации. При этом из-за большого количества желтка гаструляция у А. Stella происходит с вытеснением части желтка вместе с остатками клеток из бластоцеля в гастроцель (Иванова-Казас, 1975).

Гаструляция заканчивается образованием двухслойного зародыша, у которого начинается закладка мезентериев. Такие эмбрионы вытянуты в орально-аборальном направлении, покрыты ресничками и способны к активному плаванию. У зародышей на стадии «эдвардзии» с 8-ю протомезентериями (Рис. 5Б) апикальный орган не выявлен.

Рис. 4. Стадии дробления и бластулы в мезентерии Aulactinia Stella: А -стадия 2-го деления дробления яйца, срез прошел через 2 бластомера, Б -стадия бластулы. Обозначения: б - бластомер, бл - бластула, ж - желток в бластоцеле, м - мезоглея.

Рис. 5. Стадии развития зародышей из гастральной полости Aulactinia j Stella: А - раняя гаструла, Б - стадия «эдвардзии». Обозначения: б - бластопор, г - гастральная полость, ж - желток, пм - протомезенетерии, р - реснички, экт - эктодерма.

В гастральной полости большую часть зародышей составляли личинки на стадии «эдвардзии», а в меньшей степени - на стадии гаструлы, что указывает на выход зародышей из мезентериев А. Stella в гастральную полость на стадии гаструлы.

На поперечном срезе взрослой особи между мезентериями был найден эмбрион с двумя циклами мезентериев и 12 щупальцами. По достижении данной стадии молодой полип покидает гастральную полость, по нашим наблюдениям, в большинстве случаев через ротовое отверстие, изредка — через пору на конце щупальца взрослой актинии.

Глава 6. Генетические исследования размножения Aulactinia Stella.

6.1. Анализ фрагмента ядерной ДНК (рибосомальный кластер).

6.1.1. Распространение гаплотипов.

Сравнение особей с помощью генетических маркеров позволяет выявить клоны (бесполое размножение), либо подтвердить половое размножение. Рибосомальные кластеры являются многокопийными и содержат гены рибосомальной ДНК (18S рРНК, 5.8S рРНК, 28S рРНК) и 2 внутренних транскрибируемых спейсера (ITS-1 и ITS-2), их разделяющие.

Были отсеквенированы последовательности рибосомального кластера у 59 взрослых и 74 ювенильных особей А. Stella. Длина отсеквенированных фрагментов варьировала от 781 до 790 нуклеотидов из-за разного количества делеций. При выравнивании последовательностей у вида А. Stella из Белого и Баренцевого морей было выявлено 4 гаплотипа, гетерозиготы между ними не обнаружены. Эти гаплотипы в гомозиготном состоянии актиний из Белого и Баренцева морей были обозначены как Hapl, Нар2, НарЗ, Нар4 (Табл. 1).

Частота встречаемости гаплотипов у взрослых особей А. Stella-. Hapl -70,9%, Нар2 - 9,1%, НарЗ - 1,8%, Нар4 - 18,2%. Частота встречаемости гаплотипов у зародышей: Hapl - 62,2%, Нар2 - 5,4%, НарЗ - 6,8%, Нар4 -25,7%.

В целом, существенных различий в распределении гаплотипов А. Stella в Белом и Баренцевом морях найдено не было. Поселение актиний в каждом

местообитании состояло из одного или нескольких гаплотипов. Особи с гаплотипом Hapl присутствовали во всех десяти местообитаниях, доминируя по численности в восьми из них. Особи с гаплотипом Нар4 доминировали по численности в двух местообитаниях: одном - в Белом и одном - в Баренцевом морях. В Белом море был больше представлен редкий гаплотип Нар2, а в Баренцевом море - редкий гаплотип НарЗ. Встречаемость гаплотипов актиний А. Stella в Белом море: Hapl - 68,1%; Нар2 - 11,1%; НарЗ - 1,4%; Нар4 - 19,5%. Встречаемость гаплотипов актиний А. Stella в Баренцевом море: Hapl - 63,9%; Нар2 - 1,6%; НарЗ - 8,2%; Нар4 - 26,3%.

Таблица 1

Гаплотипы по фрагментам ядерной ДНК (рибосомальный кластер) актиний Aulactinia Stella из Белого и Баренцева морей

Генотип А. Stella Позиции нуклеотидных замен или делеций

124 144 146 520 567 713 714 715 722 727 732 733 734

Hapl G Т Т С G С G Т G С С G А

Нар2 - - - С G С G т G С С G А

НарЗ G т т т А - - - А т - - -

Нар4 - - - т А - - - А т - - -

Помимо особей из Белого и Баренцева морей были отсеквенированы фрагменты исследуемого рибосомапьного кластера у 8 взрослых экземпляров А. Stella из сублиторали Берингова моря (Авачинский залив). Зародыши в гастральной полости беринговоморских актиний отсутствовали. Длина отсеквенированных последовательностей у этих экземпляров варьировала от 776 до 790 нуклеотидов. После выравнивания последовательностей рибосомапьного кластера было обнаружено, что среди беринговоморских актиний были представлены как гомозиготные, так и гетерозиготные особи. Всего можно выделить четыре гаплотипа (Bering-1, Bering-3, Bering-6, Bering-8; рис. 6).

w

I EF026587 (A. hcubans) I EFÜ26588 (A. Incubans)

»8

I Hap1

1 L Hap2

■ НарЗ

731 I Hap4

— Beringl

Beringe

Bwkig3 - Beringe

-EF026597 (A. marplatensla)

j- EF026599 (A. reynatdt) r EF02ee02 (A. maiptatensb) EF026598 (A. reynakS) ■ EF026592 (A. marplatenate) I EF026593 (А. геупакЯ) EF026599 (A. reynakfi) EF026594 (A. mafptetenals) EF02659S (A. marplatansia) |— EF026601 (A. marplatarate) I— EF026600 (A. reynaldl)

С

100 p EF026590 (A. vemjcosa) I EF026591 (A. venuoosa)

10

Рис. 6. Филогения (Neibour Joining) гаплотипов по фрагменту рибосомального кластера особей Aulactinia Stella из Белого и Баренцева (Hapl, Нар2, НарЗ, Нар4), из Берингова моря (Bering-1, Bering-3, Bering-6, Bering-8), видов рода Aulactinia из GenBank и Urticina crassicornis (внешняя группа) из Баренцева моря. Цифрами обозначена бутстрэп-поддержка (bootstrap support) при филогенетическом анализе методом максимальной парсимонии (PAUP 4.0).

Сравнение гаплотипов A. Stella из Белого, Баренцева и Берингова морей показало, что фрагменты рибосомальных генов (конец последовательности гена 18S рРНК, последовательность гена 5.8S рРНК, начало последовательности гена 28S рРНК) у исследуемых экземпляров идентичны, а отличаются они только фрагментами спейсеров ITS1 и ITS2. Сравнение фрагментов ДНК А. Stella с последовательностями рибосомального региона A. incubans, размещенными в базе данных GenBank, позволило также выявить сходство участков этих рибосомальных генов у А. Stella и А. incubans.

Филогенетический анализ гаплотипов А. Stella из трех морей и видов рода Aulactinia из GenBank показал выделение клады А. Stella из Берингова моря (бутстрэп-подцержка - 99%), а также клады этого вида из Белого и Баренцева моря (поддержка - 98%), которая вместе с группой А. incubans образует ветвь с поддержкой 66%. Вместе гаплотипы А. Stella и А. incubans образуют одну кладу с поддержкой 99% (Рис. 6). Эти данные указывают, что А. Stella и А. incubans могут являться синонимами одного вида.

Были проанализированы также взрослые и ювенильные особи Urticina crassicornis из Баренцева моря. Последовательности рибосомального кластера у всех этих экземпляров были представлены одним гаплотипом в гомозиготном состоянии. Фрагмент рибосомального кластера этого вида был добавлен в филогенетический анализ в качестве внешней группы (Рис. 6).

Таким образом, среди 133 экземпляров из Белого и Баренцева морей нами обнаружено 4 гаплотипа по ядерному рибосомальному кластеру и отсутствие гетерозиготных особей. Эти данные и отсутствие в выборках самцов могут свидетельствовать о наличии партеногенеза как основного способа размножения А. Stella в условиях литорали Белого и Баренцева морей. В то же время в сублиторали Берингова моря присутствие гетерозиготных особей в обоеполых популяциях этого вида указывает на то, что в этих условиях обитания у А. Stella происходит половое размножение.

6.1.2. Определение родственных отношений взрослых актиний и вынашиваемой

ими молоди

С помощью ядерного маркера (рибосомальный кластер) мы проводили сравнение родительских особей актиний Aulactinia Stella из Белого и Баренцева морей и потомства из их гастральной полости. Большая часть (67%) взрослых особей вынашивала зародышей с генотипом идентичным своему. Мы будем использовать термин «генотип» для обозначения гаплотипа в гомозиготном состоянии, поскольку гетерозиготные особи в Белом и Баренцевом морях нами не обнаружены.

У остальных 18 взрослых экземпляров в гастральной полости обнаружены ювенильные полипы, которые по генотипу отличались от вынашивающих их особей. В этих случаях большинство взрослых актиний (78%) содержали зародышей (от 1 до 4 экземпляров) только одного отличающегося генотипа, реже встречались два или три генотипа потомства в одной особи, один из которых совпадал с родительским. В данной ситуации возможны 2 альтернативные гипотезы. Гипотеза Н0: взрослые актинии вынашивают преимущественно свое потомство и случайно обмениваются частью зародышей. Гипотеза Hi: зародыши в гастральной полости взрослых актиний являются случайной выборкой из общего пула на литорали.

Для проверки гипотез мы использовали критерий хи-квадрат и определили, что зародыши с самым распространенным генотипом Hapl распределялись по взрослым особям согласно частоте встречаемости последних с вероятностью более 95% (уровень значимости р<0,05). Это подтверждает нашу гипотезу Hi о том, что все зародыши (по крайней мере, с генотипом Hapl) оказываются сначала во внешней среде, а потом в гастральной полости взрослых особей случайным образом. Зародыши с другими генотипами встречались реже, и достоверно оценить их мобильность не представлялось возможным.

На участках литорали Белого и Баренцева морей, где превалировал генотип Hapl взрослых особей (частота встречаемости 83%), среди зародышей

также чаще встречался генотип Hapl (74%). В тех местообитаниях, в которых среди взрослых экземпляров по численности доминировали особи с генотипом Нар4 (54%), с приблизительно той же частотой (57%) встречались ювенильные особи с этим генотипом.

Кроме того, в случае вынашивания зародыша актинией другого генотипа, с вероятностью 76% в нашем материале присутствовала взрослая особь А. Stella с идентичным конкретному зародышу генотипом. С большой вероятностью эта молодь является потомством взрослых особей А. Stella из этой же группировки в данном местообитании. Изредка (в 24% случаев) встречались особи, удаленные от других и вынашивающие зародышей нескольких генотипов. В таком случае родительские особи этой молоди могли не попасть в нашу выборку, либо это можно объяснить тем, что между удаленными особями происходит обмен плавающими личинками (ранними зародышами с ресничками). То, что зародыши, после нахождения во внешней среде, опять оказываются в гастральной полости взрослой особи того же вида, вероятно определяется хорошо развитым хемотаксисом личинок.

Ранее для близкого вида Actinia equina была выдвинута гипотеза о том, что на определенной стадии развития личинка, покрытая ресничками и имеющая апикальный орган, на некоторое время выходит в планктон, а затем возвращается в случайную особь того же типа для завершения метаморфоза (Chia, Rostron, 1970). Эта гипотеза была основана на том, что во взрослых особях A. equina иногда находили зародышей другой цветовой морфы. У изучаемого в нашей работе вида А. Stella Лосевой (19746) ранее были обнаружены зародыши в гастральной полости не только самок и гермафродитных особей, но также самцов и особей без гонад, что также подтверждает наше предположение об обмене плавающими личинками между взрослыми особями.

Обмен зародышами на полипоидной стадии с большей вероятностью происходит между ближайшими соседями, поскольку полипы могут легко осесть на субстрат (Рис. 7). В лабораторных условиях мы наблюдали

21

выбрасывание зародышей взрослыми особями А. Stella вместе с непереваренными остатками пищи, а также их случайное заглатывание.

Обнаруженные особи вида U. crassicornis содержали только зародышей своего вида, и эти зародыши не встречались во взрослых особях А. Stella. Следовательно, у взрослых актиний А. Stella из Белого и Баренцева морей происходит обмен зародышами, который носит случайный характер, но только между особями своего вида (Рис. 7).

Рис. 7. Гипотетическая схема репродуктивного поведения актиний Aulactinia Stella (на примере Нар4) на литорали Белого и Баренцева морей в присутствии актиний другого вида (Urticina crassicornis).

6.2. Анализ фрагментов митохондриальной ДНК. Проведен анализ фрагментов митохондриальной ДНК (12S рРНК, 16S рРНК, COIII) для выяснения, отличаются ли зародыши по этим генам от вынашивающих их особей А. Stella из Белого и Баренцева морей, а также сравнения этих особей с беринговоморскими. Взрослые экземпляры А. Stella из Белого и Баренцева морей были выбраны из тех актиний, потомство которых отличается по

субстрат д ste||a (Нар4)

А. Stella (НарЗ)

рибосомальному кластеру, а ювенильные - из этого отличающегося от своих родительских особей потомства. В филогенетический анализ были также включены последовательности митохондриапьной ДНК U. crassicornis из Баренцева моря в качестве внешней группы (Рис. 8).

Все экземпляры из Белого и Баренцева морей были полностью идентичны по всем рассматриваемым фрагментам митохондриапьных генов. Экземпляры из Берингова моря были полиморфны как по последовательностям рибосомального кластера, так и митохондриапьных генов 12S рРНК и COIII. Все особи A. stella имели идентичные фрагменты митохондриального гена 16S рРНК, а одна беринговоморская особь (Bering-7) была полностью идентична по митохондриальной ДНК особям из Белого и Баренцева морей (Рис. 8). Вид U. crassicornis четко отличается от A. stella только по последовательности митохондриального гена 16S рРНК (62 нуклеотида различны), а по фрагментам 12S рРНК и COIII различия составляют несколько нуклеотидов.

A._stella_(Bering-5) A._stella_(Bering-2) A._stella_(Bering-1) A._stella_(Bering-4) A._stella_(Bering-8) , ,._stella_(Bering-3) A._stella_(White-Barents) A._stella_(Bering-7) _stella_(Bering-6) -U._crassicornis_(Barents)

0.005

Рис. 8. Филогения (Neibour Joining) гаплотипов объединенных последовательностей митохондриальных генов (12S рРНК, 16S рРНК, СОШ) Aulactinia stella из Белого и Баренцева (White-Barents), и Берингова (Bering—I -8) морей. Цифрами обозначена бутстрэп-поддержка (bootstrap support). Внешняя группа - Urticina crassicornis. Цифрами обозначена бутстрэп-поддержка при филогенетическом анализе методом максимальной парсимонии (MEGA 5.0).

23

А.

Глава 7. Обсуждение результатов.

Идентичные последовательности митохондриальной ДНК и малое количество гаплотипов по ядерному рибосомальному кластеру у А. Stella из Белого и Баренцева морей могут являться следствием «эффекта основателя» («бутылочного горлышка») при заселении актиниями этих акваторий.

Партеногенетический тип размножения, предполагаемый нами на основании отсутствия как гетерозиготных особей, так и самцов или гермафродитов, а также особенности репродуктивного поведения, позволяют А. Stella успешно существовать в поселениях как высокой, так и низкой плотности в крайне неблагоприятных условиях литорали Белого и Баренцева морей.

ВЫВОДЫ

1) На участках литорали Белого и Баренцева морей взрослые особи Aulactima Stella представлены только самками и особями без половых продуктов. Размножение этого вида в исследованных местообитаниях происходит с помощью партеногенеза. Зародыш развивается в мезентерии родительской особи до стадии гаструлы и выходит в гастральную полость, где преобразуется в плавающую личинку.

2) Анализ последовательностей ядерной ДНК (рибосомальный кластер) показал, что исследуемые взрослые экземпляры А. Stella и их зародыши представляют собой клоны четырех гаплотипов в гомозиготном состоянии, которые распределены в Белом и Баренцевом морях сходным образом.

3) У взрослых особей А. Stella из Белого и Баренцева морей происходит обмен зародышами. Зародыши из гастральной полости родительского организма оказываются сначала во внешней среде, а затем снова попадают в гастральную полость взрослых актиний этого вида случайным образом.

4) Исследование фрагментов митохондриальных генов (12S рРНК, 16S рРНК, COIII) у актиний А. Stella показало идентичность всех особей из Белого и Баренцева морей и только одного беринговоморского экземпляра.

24

5) Анализ исследуемых фрагментов ядерных и митохондриальных генов A. siella из Берингова моря выявил полиморфизм этих особей и наличие гетерозиготности по последовательности рибосомального кластера. Особи из Берингова моря были представлены как самцами, так и самками. Эти данные указывают, что для этого вида в сублиторали Берингова моря характерно половое размножение.

6) В Варангер-фьорде был обнаружен не отмеченный ранее на литорали Баренцева моря сублиторальный вид Urticina crassicornis, образующий совместные поселения с А. Stella. Взрослые особи U. crassicornis вынашивают в гастральной полости потомство только своего вида.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК:

1. Бочарова Е.С., Косевич И.А. Варианты размножения актиний (Cnidaria, Anthozoa)//Зоологический журнал. 2011.Т. 90.№ 11.С. 1283-1295.

2. Бочарова Е.С., Мюге Н.С. Актинии Aulactinia Stella (Verrill, 1864) (Hexacorallia, Actiniidae) могут вынашивать потомство других особей того же вида // Доклады академии наук. 2012. Т. 444. № 2. С. 22.7-229.

Статьи в сборниках и др.:

1. Бочарова Е.С. Aulactinia (Bunodactis) Stella II Иллюстрированный атлас беспозвоночных Белого моря / под общ. ред. H.H. Марфенина. М: Товарищество научных изданий КМК, 2006. С. 74-75.

2. Бочарова Е.С., Малютин О.И., Санамян Н.П., Молодцова Т.Н. Класс Anthozoa (Коралловые полипы) // Флора и фауна Белого моря: иллюстрированный атлас / под ред. А.Б. Цетлина, А.Э. Жадан, H.H. Марфенина. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2010. С. 88-97.

Тезисы докладов на конференциях:

1. Бочарова Е.С. К экологии актиний на литорали Белого моря // Тезисы докладов IX Съезда Гидробиологического общества РАН, г. Тольятти, 18-22 сентября 2006 г. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2006. Т. 1. С. 54.

25

2. Бочарова Е.С. Размножение актинии Aulactinia stella (Verrill, 1864) в Белом море // Тезисы докладов X Съезда Гидробиологического общества при РАН, г. Владивосток, 28 сентября - 2 октября 2009 г. Владивосток: Дальнаука, 2009. С. 51.

3. Bocharova E.S. Population genetic structure of sea anemone Aulactinia stella in the White and the Barents seas as a result of two reproductive modes // Abstracts of the 12th Congress of the European Society for Evolutionary Biology, Turin, Italy, August 24th-29'\ 2009. Poster 12-16.

4. Bocharova E.S. The population genetic structure of sea anemone Actinia stella (Cnidaria: Anthozoa) subject to the origin of brooded offspring // Abstracts of the third meeting of the European society for Evolutionary Developmental Biology (EED posters), Paris, France, July 6-9,2010. P. 11.

5. Bocharova E.S. The effects of sexual and asexual reproduction on the genetic structure of sea anemone Actinia stella populations // Abstract book of Keystone Symposia. Evolutionary Developmental Biology, Tahoe City, California, USA, February 27-March 3,2011. P. 57.

Подписано в печать 18.04.2012 Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 372

ФГУП «ВНИРО» 107140, Москва, В. Красносельская, 17

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бочарова, Екатерина Сергеевна, Москва

61 12-3/898

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. Ломоносова

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 593.654:591.16

БОЧАРОВА Екатерина Сергеевна

ОСОБЕННОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ AULÄCTINIA STELLA (VERRILL, 1864) (HEXACORALLIA, ACTINIIDAE)

В БЕЛОМ И БАРЕНЦЕВОМ МОРЯХ

Специальности 03.02.04 - зоология и 03.02.07 - генетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: с.н.с., к.б.н. И.А. Косевич и.о. зав. лаб., к.б.н. Н.С. Мюге

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................4

Глава 1. Краткий обзор литературы.....................................................9

1.1. Систематическое положение Aulactinia Stella.................................9

1.2. Краткий морфологический обзор отряда Actiniaria.........................10

1.3. Половое размножение актиний.................................................13

1.3.1. Развитие половых продуктов...........................................13

1.3.2. Оогенез......................................................................14

1.3.3. Сперматогенез.............................................................17

1.3.4. Оплодотворение и забота о потомстве................................19

1.3.5. Гермафродитизм и партеногенез у актиний.........................22

1.4. Бесполое размножение актиний................................................23

1.5. Эмбриональное развитие актиний.............................................28

1.6. Изучение размножения актиний с помощью генетических маркеров..31

1.6.1. Изоферментный анализ...................................................................32

1.6.2. Митохондриальная ДНК....................................................35

1.6.3. Ядерная ДНК...............................................................................36

1.6.4. Мультилокусные маркеры ДНК.................................................38

Глава 2. Материалы и методы..............................................................41

2.1. Сбор материала.....................................................................41

2.1.1. Определение материала..................................................41

2.1.2. Краткая физико-географическая характеристика районов исследования........................................................................................41

2.1.3. Полигоны...................................................................44

2.1.4. Объем исследованного материала.....................................47

2.2. Изготовление гистологических препаратов..................................47

2.2.1. Изготовление парафиновых срезов.............. ......................47

2.2.2. Изготовление срезов в эпоксидных смолах..........................48

2.2.3. Изготовление «давленых» препаратов нематоцист................49

2.3. Молекулярно-генетические методы...........................................50

2.3.1. Выделение ДНК............................................................50

2.3.2. Секвенирование фрагментов ядерной ДНК..........................52

2.3.3. Секвенирование фрагментов митохондриальной ДНК............54

2.3.4. Методы биоинформационного анализа............ ..................55

Глава 3. Особенности морфологии Aulactinia Stella и Urticina crassicornis.......57

3.1. Aulactinia Stella из Белого и Баренцева морей...............................57

3.1.1. Внешнее строение.........................................................50

3.1.2. Внутреннее строение и состав книдома..............................59

3.2. Aulactinia Stella из Берингова моря.............................................62

3.2.1. Внешнее строение.........................................................62

3.2.2. Внутреннее строение и состав книдома..............................64

3.3. Urticina crassicornis из Баренцева моря.......................................65

3.3.1. Внешнее строение.........................................................65

3.3.2. Внутреннее строение и состав книдома..............................67

Глава 4. Распределение актиний и особенности их экологии на литорали Белого и Баренцева морей............................................................................69

4.1. Структура биотопов и сообществ бентоса в районах исследований ...69

4.2. Распределение актиний на исследуемых участках литорали............73

Глава 5. Размножение и эмбриональное развитие Aulactinia Stella.................80

5.1. Описание половых клеток актиний............................................80

5.2. Описание стадий развития зародышей актиний............................87

Глава 6. Генетические исследования размножения А. Stella.........................92

6.1. Анализ фрагмента ядерной ДНК (рибосомальный кластер).............92

6.1.1. Распространение гаплотипов...........................................92

6.1.2. Определение родственных отношений взрослых актиний и

вынашиваемой ими молоди....................................................ЮЗ

6.2. Анализ фрагментов митохондриальной ДНК..............................111

Глава 7. Обсуждение результатов........................................................118

Выводы........................................................................................128

Список литературы..........................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Особенности размножения низших многоклеточных животных всегда привлекали внимание исследователей. Эти организмы обладают высокой способностью к регенерации, а также чувствительностью метаболизма и процессов развития к внешним факторам. В результате длительной эволюции такие особенности низших многоклеточных привели к неожиданным комбинациям полового и бесполого размножения у этих животных. Одной из таких групп беспозвоночных являются представители типа Cnidaria.

Согласно данным молекулярной филогении, класс Anthozoa (Коралловые полипы), в который входит отряд Actiniaria (Актинии), занимает базальное положение в типе Cnidaria (Bridge et al., 1995). Коралловые полипы являются сестринской группой по отношению к Medusozoa, объединяющей Scyphozoa, Cubozoa, Hydrozoa и Siphonophora (Малахов, 2003; Bridge et al., 1995). У представителей класса Anthozoa отсутствует медузоидное поколение, а половое и бесполое размножение осуществляется полипами (Иванова-Казас, 1975).

Актинии - одиночные шестилучевые кораллы - играют заметную роль в морских биоценозах, являясь важным звеном трофических цепей, но работ по биологии размножения этих организмов в отечественной литературе немного (Костина, 1988, 1989а, 19896; Лосева, 1970, 1971, 1972в, 1974а, 19746). Костина изучила репродуктивные циклы актиний Anthopleura orientalis и Metridium senile, а также особенности размножения Cnidopus japonicus, Haliplanella luciae и Epiactis lewisi. Лосева исследовала созревание половых продуктов у JJrticina crassicornis, Metridium senile, Bunodactis (в настоящее время - Aulactinia) Stella, а также половую структуру и эмбриональное развитие последнего вида.

Для актиний известно множество вариантов полового и бесполого размножения. Половое размножение происходит при участии особей двух полов (появлению новой особи предшествует созревание и слияние мужской и женской половых клеток) или путем партеногенеза (развитие женских клеток

без оплодотворения). При бесполом размножении новый организм образуется из фрагмента тела родительской особи или из его специальных разрастаний (Иванова-Казас, 1975).

Одни виды актиний размножаются только половым путем, другие - только бесполым. При этом существует огромное число видов, которые сочетают разные механизмы обоих типов размножения, сменяющих друг друга в зависимости от условий окружающей среды. Стефенсон (Stephenson, 1929) считал, что способ размножения варьирует в зависимости от местообитания животных, это предположение было подтверждено и другими авторами (Ауге, 1984а; Billingham, Ауге, 1996).

Помимо разных способов размножения, некоторые виды актиний семейства Actiniidae осуществляют заботу о потомстве, вынашивая молодь в гастральной полости (Лосева, 19746; Lubbock, Allbut, 1981; Monteiro et al., 1998) или снаружи на стенке тела (Dunn, 1975а). В последние годы появились сообщения о том, что зародыши могут быть не только результатом полового размножения, но и клонирования родительской особи (Monteiro et al., 1998; Sherman et al., 2007). Вынашивание клональной молоди может быть связано с амейотическим партеногенезом (Gashout, Ormond, 1979) или партеногенезом с восстановлением диплоидности яйцеклеток (Гребельный, 2005), однако точный механизм появления такого потомства в гастральной полости актиний остается неизвестным.

В свете новых представлений особенно интересны разрозненные сведения о характере размножения массового литорального вида Aulactinia Stella (сем. Actiniidae) из Белого и Баренцева морей. Известно, что этот вид характеризуется вынашиванием потомства в гастральной полости и образует разреженные в пространстве популяции на литорали. В 1970-е гг. Л.М. Лосева (19746) обратила внимание на вынашивание потомства у А. Stella в гастральной полости самок, самцов, гермафродитов и особей без половых продуктов на литорали губы Ярнышной Баренцева моря и предположила, что этому виду присуще половое размножение при последовательном гермафродитизме.

В целом, на сегодняшний день нет точных данных о способах размножения Aulactinia Stella на литорали в разных местообитаниях Белого и Баренцева морей. В частности, представляет интерес происхождение и развитие потомства в гастральной полости взрослых особей этого вида в условиях изучаемых биотопов. В настоящее время для проведения таких исследований помимо традиционных зоологических, стали доступны и генетические методы анализа материала.

Цель и задачи исследования

Основная цель настоящей работы - изучить особенности размножения актиний Aulactinia Stella на литорали Белого и Баренцева морей.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) Проанализировать половой состав особей и определить способы размножения А. Stella на литорали Белого и Баренцева морей.

2) Изучить стадии развития зародышей из мезентериев и гастральной полости взрослых особей А. Stella.

3) Выявить родственные отношения между зародышами и вынашивающими их особями А. Stella в изучаемых районах с помощью генетических методов.

Научная новизна

Впервые для Aulactinia Stella описаны поселения, состоящие только из самок и особей без половых клеток. Показано, что зародыш развивается в мезентерии родительской актинии до стадии гаструлы, а затем выходит в гастральную полость взрослой особи. Проведено сравнение взрослых актиний А. Stella и их зародышей с помощью ядерного (рибосомального кластера со спейсерами ITS 1 и ITS 2) и митохондриальных (12S рРНК, 16S рРНК, COIII) генетических маркеров. Впервые для А. Stella установлено клонирование путем партеногенеза как основной способ размножения на литорали Белого и Баренцева морей, в то время как в Беринговом море нами показано наличие

полового размножения у этого вида. Впервые у А. Stella доказано вынашивание взрослыми особями зародышей, которые являются потомками других особей того же вида, что свидетельствует об обмене зародышами между взрослыми актиниями. Впервые на литорали Баренцева моря отмечен сублиторальный вид Urticina crassicornis, образующий совместные поселения с А. Stella.

Практическое значение работы

Результаты выполненных исследований позволяют получить представление об особенностях размножения широко распространенного на литорали вида актиний. Использованные подходы и методы могут быть использованы при изучении особенностей размножения и генетической структуры популяций других видов актиний, для оценки роли актиний в экосистеме. Изложенный материал будет использован для дальнейших обобщений в области экологии и биологии развития, при чтении лекций по зоологии беспозвоночных и гидробиологии. Последовательности ядерных и митоходриальных генов А. Stella и U. crassicornis депонированы в базе данных GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) и доступны исследователям всего мира для определения этих видов по небольшому фрагменту тела актиний.

Апробация работы

Результаты исследований были представлены на IX и X Съездах Гидробиологического общества РАН (Тольятти, 2006; Владивосток, 2009), на 12-м Конгрессе Европейского общества по эволюционной биологии (Турин, Италия, 2009), на 3-ей Конференции Европейского общества по эволюционной биологии развития (Париж, Франция, 2010), на Кейстоунском симпозиуме по Эволюционной биологии развития (Тахо-сити, США, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ (4 статьи и 5 материалов конференций), в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы, включающего 184 источника, в том числе 143 на иностранных языках. Работа изложена на 146 страницах, содержит 8 таблиц и проиллюстрирована 35 рисунками.

Благодарности

Автор выражает глубочайшую благодарность научным руководителям к.б.н. И.А. Косевичу и к.б.н. Н.С. Мюге за всестороннюю поддержку и ценные замечания при выполнении работы и подготовке рукописи. Автор благодарен д.б.н., проф. H.H. Марфенину за инициацию работы и замечания по тексту. Особую благодарность автор выражает чл.-корр. РАН, проф. В.В. Малахову за поддержку и советы при выполнении работы на кафедре зоологии беспозвоночных, а также другим сотрудникам кафедры за помощь в освоении методик - Е.А. Жуковской, C.B. Пятаевой, H.H. Римской-Корсаковой. Автор искренне признателен коллективу лаборатории популяционной биологии ВНИРО за постоянную помощь и поддержку при работе с молекулярно-генетическими методами, в особенности - С.М. Расторгуеву, A.A. Волкову, А.Е. Барминцевой, A.A. Сергееву, Д.А. Зелениной, М.Е. Толочковой, а также И.В. Солохину за фотографии актиний и Х.Р. Шимшилашвили за клонирование ПЦР-продуктов. Огромную благодарность за помощь в сборе материала автор выражает С.Е. Аносову, М.А. Черневой, Н.П. Санамян, A.B. Лабутину, О.Ю. Вилковой, A.M. Переладову, М.В. Переладову, Г.М. Тертицкому, В.Ю. Семашко, А.Е. Черенкову, а также д.б.н. М.Г. Карпинскому за комментарии по тексту.

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Систематическое положение Aulactinia Stella

Вид Aulactinia Stella принадлежит к семейству Actiniidae. Систематика этого семейства до сих пор основывается на морфологических признаках и довольно запутана. Сложность в определении видов актиний состоит в том, что при фиксации экземпляры утрачивают свою окраску и ряд других важных морфологических признаков (Санамян, 2003). Более того, многие признаки, используемые для разделения видов и даже родов, могут варьировать у разных экземпляров, в первую очередь это касается окраски. Из-за этих особенностей актиния А. Stella получила свое валидное в настоящее время название после многочисленных изменений родовых и видовых названий, начиная с первоописания.

В 1864 году Веррилл (Verrill, 1864) сделал первоописание актинии Bunodes Stella, которую впоследствии переименовал в Bunodactis Stella (Verrill, 1899). Андре (Andres, 1883) отнес данную актинию к сомнительным видам, предполагая, что она может принадлежать роду Aulactinia. МакМюррих (McMurrich, 1911) при описании видов с Багамских островов обозначил этот вид как Aulactinia stelloides, но потом заменил это название на Cribina Stella. Дуерден (Duerden, 1897) обнаружил такой же вид на Ямайке и отнес его к Aulactinia Stella. Веррилл (Verrill, 1907) при описании фауны Бермудских островов назвал эту актинию Corticifera glareola.

Далее во время датской экспедиции (Danish Ingolf-Expedition) Карлгрен (Carlgren, 1921) предложил для этой актинии название Cribrina Stella. Веррилл (Verrill, 1922) в докладе о канадской арктической экспедиции (Canadian Arctic Expedition) назвал этот вид Telaliopsis Stella. Учида (Uchida, 1938) отнес этот вид к роду Anthopleura, основываясь на рисунках Веррилла 1864 года, которые отражают наличие у актинии краевых бугорков (маргинальных сферул). Краевые бугорки у актиний содержат нематоцисты - атрихи (толстостенные капсулы с невооруженной шипиками шейной частью стрекательной нити).

Более внимательное исследование Карлгрена (Carlgren, 1934) показало отсутствие маргинальных сферул у данного вида, что подтвердило название Bunodactis Stella.

Изучаемый вид долгое время относили к виду Bunodactis Stella, пока Дунн с соавторами (Dunn et al., 1980) не отнесла его к роду Aulactinia. В настоящее время систематическое положение этого вида следующее: Тип Cnidaria

Подтип Anthozoa

Класс Hexacorallia Отряд Actiniaria

Подотряд Nynantheae

Семейство Actiniidae Род Aulactinia

Вид Aulactinia Stella (Verrill, 1864) Таким образом, для корректности в каждой работе необходимо давать морфологическое описание и прижизненные фотографии исследуемых экземпляров актиний. Особенности морфологии вида А. Stella из Белого и Баренцева морей даны в главе 3. Общее морфологическое описание актиний следует далее.

1.2. Краткий морфологический обзор отряда Actiniaria

Актинии, или морские анемоны, - одиночные шестилучевые коралловые полипы, которые в отличие от большинства колониальных форм не имеют скелета. Это двуслойные животные, у которых эпидерма и гастродерма разделены внеклеточным матриксом (мезоглеей), содержащим амебоциты (здесь и далее мы будем называть слои клеток взрослого организма эпидермой и гастродермой, что с современной точки зрения более правильно, хотя в литературе до сих пор встречаются термины «эктодерма» и «энтодерма», соответственно). Тело полипа преимущественно имеет форму цилиндра или усеченного конуса (рис. 1А, рис. 1 Б). На одном конце у всех актиний имеется

оральный диск с венчиком полых щупалец, расположенных вокруг ротового отверстия одним или несколькими концентрическими кругами (рис. Ы, рис. 1 Б). У актиний из рода ЫтпасПта щупальца отсутствуют. Другой конец у большинства животных расширяется и представляет собой подошву, или педальный диск, служащую для прикрепления к субстрату (рис. 1А). У червеобразных актиний (рис. Щ, например из семейства ЕсЬуагёзШае, подошва отсутствует, а расширенный базальный конец тела образует вздутие (физу) для заякоривания в грунте.

Щелевидный рот актиний ведет в уплощенную глоточную трубку, которая свешивается в гастральную полость полипа и открывается в нее внутренним глоточным щелевидным отверстием (Рупперт и др., 2008) (рис. 1 В). В узких концах ротового отверстия и глотки расположены,