Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Популяционная структура тихоокеанской сельди Clupea pallasi Valenciennes Японского и Охотского морей

ВАК РФ 03.00.10, Ихтиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Рыбникова, Ирина Григорьевна, Владивосток

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РЫБОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РЫБНИКОВА ИРИНА ГРИГОРЬЕВНА

ПОПУЛЯЦИОННАЯ СТРУКТУРА ТИХООКЕАНСКОЙ СЕЛЬДИ CLUPEA PALLASI (VALENCIENNES) ЯПОНСКОГО И ОХОТСКОГО МОРЕЙ

03.00.10 - ихтиология Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: кандидат биологических Haw, Беседнов Л.Н. доктор биологических наук, Картавцев Ю.Ф.

Владивосток 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................3

ГЛАВА I. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА.....................................................9

1.1. Описание собранных материалов. Гель-электрофорез...................9

1.2. Генетико-биохимический анализ.....................................................17

1.3. Статистические методы анализа данных........................................24

ГЛАВА 2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.......................................................28

2.1. Краткая история вопроса изучения популяционной структуры рыб и вида С. pallasi................................................................................28

2.2. Ареал вида С. pallasi и особенности биологии...............................39

2.3. Особенности гидрологии исследуемого райора.............................42

2.4. Биологические особенности основных популяций С. pallasi........46

ГЛАВА 3. МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ С. PALLASI..........86

3.1. Размерно-возрастной и массовый состав в географических группировках С. pallasi..................................................................86

3.2. Экологические группы С. pallasi.................................................107

3.3. Обсуждение данных биологии ..................................................110

ГЛАВА 4. ПОПУЛЯЦИОННАЯ СТРУКТУРА С. PALLASI.....................115

4.1. Генетическая неоднородность и сходство-различие С. pallasi в совокупности из 27 выборок.......................................................115

4.2. Комплексный анализ изменчивости и сходства выборок С. pallasi по 10 аллозимным локусам и трем биологическим признакам. 126

4.3. Изменчивость и сходство группировок тихоокеанской сельди традиционный подход и многомерный подход..........................140

ГЛАВА 5. ВНУТРИВИДОВАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ С. PALLASI.......146

5.1. Морфологическая дифференциация С. pallasi...........................146

5.2. Популяционно-генетическая дифференциация С. pallasi..........149

5.3. Таксономическая обособленность, зоогеографическая

характеристика и особенности популяционной дифференциации

С. раИаБ}................................................................................................

ВЫВОДЫ.....................................................................................................]()]

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................\()5

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................|87

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Тихоокеанская сельдь Clupea paltcisi (.Valenciennes) - вид семейства костистых рыб Clupeidae (подотряд Clupeoidei, отряд Clupeiformes, класс Osteichtyes) широко распространена в северной части Тихого океана. Современные представления о популяционной структуре Clupea pallasi базируются на генеральной схеме распространения вида (Амброз, 1931; Кагановский, 1954; Ayushin, 1963), на анализе данных по морфологии и биологии (морфометрические индексы, темп роста, время и районы нереста) и на результатах траловых съемок, выявляющих распределение молоди и нагульных скоплений (Пробатов, 1954; Дружинин, 1957; Румянцев и др., 1958; Проваторова, 1965; Тюрнин, 1973; Качина, 1981; Посадова, 1985; Naumenko, 1996; Пушникова, 1996; Посадова, 1997; Вышегородцев, 1997). Целенаправленных исследований внутривидовой организации тихоокеанской сельди в азиатской части ареала не проводилось, и до настоящего времени неясными остаются как наличие репродуктивной изоляции между выделенными популяциями, так и степень генетической дифференциации разобщенных в пространстве и во времени скоплений Clupea pallasi.

В связи с конкретными проблемами, вызванными промышленной эксплуатацией, популяционно-генетическими исследованиями в настоящее время охвачены многие стада тихоокеанской сельди от берегов Кореи и Японии (Grant, Zhang, 1983; Grant, 1986; Kijima et al., 1992; Kobayashi et al., 1990; Kobayashi, 1993) Приморского и Хабаровского краев. Сахалинской и Магаданской областей России (Рыбникова, 1996; Рыбникова и др., 1998) и до берегов Северной Америки (Grant, Utter, 1984; Jorstad et al., 1994). Несмотря на довольно обширную литературу, до настоящего времени нет единства в представлениях о популяционной организации этого вида. Одни

исследователи считают, что у тихоокеанской сельди имеется генетическая дискретность стад (Kobayashi et al., 1990; Kijima et al., 1992: Рыбникова и др., 1998), а другие указывают на слабость или отсутствие их генетической дифференциации (Smith, Jamieson, 1986; Grant, Utter, 1984).

Объективный интерес в познании внутривидовой генетической изменчивости и популяционной дифференциации тихоокеанской сельди из разных участков азиатской части ареала вида и большая практическая значимость этого вопроса, в значительной мере определили актуальность настоящего исследования и методические подходы при решении поставленных задач.

Цели и задачи работы. Цель данной работы - исследование и анализ внутривидовой или популяционной структуры тихоокеанской сельди из разных участков видового ареала с использованием двух групп признаков: (1) биологических признаков - длина, вес, соотношение полов, стадии зрелости и возраста каждой особи и (2) ферментов - маркеров генов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Изучить географическую изменчивость размерного и весового состава нерестовых особей С. pallasi Приморья, Сахалина, северо-западной части Охотского моря и западной части Берингова моря.

2. Изучить электрофоретические спектры белков, главным образом ферментов, из разных тканей С. pallasi и на их основе выявить генотипическую изменчивость белковых локусов. Получить оценки внутривидовой генетической изменчивости С. pallasi.

3. На основе выявленных полиморфных генных локусов, провести сравнительный анализ популяционно-генетической изменчивости и дифференциации С. pallasi.

4. Изучить гетерогенность и дифференциацию смешанных и не смешанных в половом отношении нерестовых выборок С. pallasi из разных

участков видового ареала в северо-западной Пацифике как по морфологическим признакам, так и по распределению аллельных и генотипических частот полиморфных локусов.

Научная новизна. Впервые, при изучении популяционного состава тихоокеанской сельди в азиатской части ареала вида (в российских водах), были использованы генетико-биохимические методы, в частности метод электрофореза белков. В результате варьирования физико-химических условий электрофореза (использование разных буферных систем и концентрации крахмального геля) были получены четкие белковые спектры и ^ показано, что электрофоретические генотипы белков тихоокеанской сельди легко интерпретируются генетически, в соответствии со стандартными схемами монолокусного кодоминантного наследования. Исследованный набор белков, в основном ферментов, можно с достаточным основанием использовать для получения адекватных оценок внутривидовой генетической изменчивости С. ра11аз1. Впервые в комплексе изучена внутривидовая морфологическая и генетическая изменчивость тихоокеанской сельди -одного из самых массовых и экологически значимых представителей семейства С1ирегс1ае. Впервые дана генетическая характеристика популяций тихоокеанской сельди, обитающих в российских водах северо-западной Пацифики и эксплуатируемых промыслом (залива Петра Великого, сахалино-хоккайдская, декастринская, озера Тунайча, заливов северо-восточного Сахалина, Сахалинского залива, охотская, гижигинско-камчатская, корфо-карагинская).

Впервые проведено широкомасштабное популяционно-генетическое исследование вида С. раПаБг в северной Пацифике. На основании электрофоретических вариантов белков получена достоверная информация о характере внутривидовой генетической дифференциации С. ра11аБ1 в целом, а также степени генетической разобщенности тихоокеанской сельди из

отдельных регионов и из разделенных во времени нерестовых группировок в пределах отдельных регионов. Комплексное применение морфологического и молекулярного подходов в сочетании с информацией по экологии и воспроизводству позволило уточнить статус местных популяций тихоокеанской сельди, выделенных ранее, показав, что она не является ^ репродуктивно самостоятельной популяцией и ее нужно рассматривать как часть категории более высокого ранга.

Практическое и теоретическое значение. Тихоокеанская сельдь - это вид, который давно и интенсивно используется российским промыслом. Выявленный набор генных маркеров можно использовать для проведения работ по генетическому мониторингу за промысловыми скоплениями сельди. Обоснованные сведения о характере внутривидовой подразделенное™ С. pallasi, полученные на основании анализа генетически детерминированной белковой изменчивости, следует учитывать при определении норм изъятия из промысловых скоплений.

В методическом плане данная работа позволяет использовать отработанные на тканях С. pallasi специфические условия электрофореза, а также предложенную генетическую интерпретацию большого набора белков в аналогичных работах при генетических исследованиях конспецифических популяций, а также при анализе генетической дивергенции близкородственных видов.

Апробация. Результаты исследований, изложенные в данной работе, докладывались на III Всесоюзном совещании по генетике, селекции и гибридизации рыб (Тарту, 1986), на юбилейной научной конференции «Рыбохозяйственные исследования океана» (Владивосток, Дальрыбвтуз, 1996), на научной конференции Института биологии моря ДВО РАН (Владивосток, 1998), на международном симпозиуме «Modern Achievements in

Population, Evolutionary and Ecological Genetics» (Владивосток. 1998). По теме диссертации опубликовано 19 работ и одна находится в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 237 наименований. Работа изложена на 194 страницах машинописного текста, включая 32 таблицы и 31 рисунок.

Благодарности. Я искренне благодарна моим научным руководителям Л.Н. Беседнову за помощь в постановке проблем исследования и ценные и полезные замечания, и Ю.Ф Картавцеву за всестороннюю помощь в статистической обработке, трактовке и осмыслении результатов во время работы над рукописью. Я также благодарна сотрудникам ТИНРО-ценгра В.П. Посадовой, СахНИРО Г.М. Пушниковой и Э.Р. Ившиной, охотской лаборатории МоТИНРО Р.Н. Фархутдинову, за помощь в сборе, биологической обработке материала и обсуждении результатов. Выражаю свою признательность В.П. Шунтову, В.И. Карпенко, Н.И. Науменко, В.А. Вышегородцеву за ценные и полезные советы и замечания в период подготовки рукописи.

ГЛАВА I. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

1.1. ОПИСАНИЕ СОБРАННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

ГЕЛЬ-ЭЛЕКТРОФОРЕЗ

В основу работы положены материалы, полученные автором лично на научно-исследовательских судах и в полевых условиях в Японском, Охотском и Беринговом морях. Кроме того, привлечены материалы, собранные по тихоокеанской сельди сотрудниками СахНИРО и МоТИНРО, в обработке и анализе которых автор принимала непосредственное участие.

Материал, положенный в основу работы, был собран в 9 районах северо-западной части Тихого океана в период с 1989 по 1992 г.г. (рис. 1, табл. 1; Приложение, табл. 1). Всего было исследовано 30 выборок сельди (3000 особей).

Первичная обработка материала проводилась автором на базе лаборатории генетики ТИНРО-центра. Статистическая обработка материала проведена на базе Дальрыбвтуза.

Для исследования внутривидовой изменчивости С. раНая! использовали два подхода: морфологический и популяционно-генетический, взаимно дополняющие друг друга. Выборки для исследования состояли го особей нерестовой (непосредственно в районе нереста) или преднерестовой (вблизи районов нереста) сельди, что позволило избежать разнородности материала.

У каждой особи измеряли длину (точность измерения ±1 мм), массу (±1 г), определяли пол (качественный по гонадам), стадию зрелости (побально, см. ниже). Возраст определяли по чешуе. Обработка ихтиологического материала выполнена по стандартным методикам (Правдин. 1966). Для генетико-биохимического анализа от каждой особи брали пробы в виде кусочков (массой около 5 г) белой мышцы из середины спинной части

. t

V"

12-14

*

>9 12-27

i".1

29

»-»o

jr

o

Тихий океан

Рис. I. Места взятия выборок тихоокеанской сельди С/иреа pal/asi (номера выборок, как в таблице I).

Таблица 1. Материал, положенный в основу работы

№ ^айон, координаты Дата N

выборки сбора

1 Татарский пролив, 50°04' N - 142°05' Е (север) 21.04.91 100

2 Сахалинский залив, бухта Помрь 18.06.91 100

*> э Сахалинский залив, бухта Помрь 22.06.91 100

4 Сахалинский залив, Бухта Помрь 24.06.91 100

5 Северо-восточный Сахалин, залив Ныйский 3.06.91 100

6 Северо-восточный Сахалин, залив Ныйский 5.06.91 100

7 Северо-восточный Сахалин, залив Набиль 7.06.91 100

8 Северо-восточный Сахалин, залив Даги 8.06.91 100

9 Северо-восточный Сахалин, залив Ныйский 20.06.91 100

10 Бухта Тунгусская (пос. Охотск) 31.05.91 100

11 Озеро Тунайча (юго-восточный Сахалин) 22.10.91 100

12 Зал. Петра Вкликого, полуостров Дефриз 18,03,92 100

13 Зал. Петра Великого, осторов Путятин 12.03.92 100

14 Зал. Петра Великого, бухта Северная 26.03.92 100

15 Татарский пролив, 47°30' N - 141°48' Е, (юг) 27.04.92 100

16 Татарский пролив, г. Чехов, (юг) 20.05.92 100

17 Татарский пролив, 47°33' N - 141°33' Е, (юг) 5.06.92 100

18 Сахалинский залив, пос. Рыбновск 23.06.92 100

19 Сахалинский залив, пос. Рыбновск 26.06.92 100

20 Озеро Тунайча (юго-восточный Сахалин) 4.06.92 100

21 Озеро Тунайча (юго-восточный Сахалин) 17.06.92 100

22 Северо-восточный Сахалин, залив Ныйский 11.06.92 100

23 Северо-восточный Сахалин, залив Пильтун 11.06.92 100

24 Северо-восточный Сахалин, залив Ныйский 13.06.92 100

25 Северо-восточный Сахалин, залив Ныйский 13.06.92 100

26 Северо-восточный Сахалин, залив Ныйский 25.06.92 100

27 Северо-восточный Сахалин, прибрежье 31.07.92 100

28 Татарский пролив, пос. Арково 18.06.90 100

29 Берингово море, зал. Корфа 1.07.89 81

Примечание. N - величина выборки.

туловища и печени, а также получали из хвостовых сосудов около 5 мл крови (для последующего отделения сыворотки). Пробы до лабораторного анализа хранили в замороженном состоянии при температуре минус 18 20° С.

Биохимический анализ заключался в электрофоретическом разделении структурных и ферментных белков. Электрофорез проводили в горизонтальных пластинах 14%-ного крахмального геля, для приготовления которого использовали частично гидролизованный крахмал по Смитису (Smithies, 1955). Гидролиз крахмала проводился автором в лабораторных условиях по вышеописанной методике с небольшими изменениями и дополнениями (Богданов и др., 1980).

При проведении электрофореза использовали три буферные системы. Буферная система I: электродный буфер содержит в 1л раствора 11,8 г (0,19М) борной кислоты и 2,1 г (0,05-0,09М) гидрата окиси лития, рН 8,73. Гелевый буфер с рН 8,65, представляет собой смесь из 190 мл электродного буфера и 1000 мл буферного раствора, содержащего 8,67 г (0,07М) триса (трис-оксиметиламинометан) и 1,50 г (0,007М) лимонной кислоты (Ridgway et al., 1970). Буферная система II: электродный буфер содержит в 1 л 0,04М лимонной кислоты, доводится N-(3 -ам инопропил)-морфолином до рН 7,0. Гелевый буфер: 1 часть электродного буфера и 20 частей воды (1:20) (Clayton and Tretiak, 1972). Буферная система III: электродный буфер, как в буферной системе I с рН 8,73. Гелевый буфер является смесью 110 мл электродного буфера и 1000 мл трис-лимонного буфера - 6,2 г (0,05М) триса и 1,5 г (0,007М) лимонной кислоты в 1 л раствора и имеет рН 8,46 (Kristjansson, 1971).

Время разгонки в буферной системе I при начальной силе тока 90 миллиампер на ванночку с гелем, размером 21 см х 14 см х 0,7 см, составляло 4 - 4,5 часа. В буферных системах II и III время электрофореза, при начальной силе тока 45 мА на ванночку, составляло 4-5 часов.

Основные этапы электрофореза таковы: неочищенный белок экстрагируется из мышечной или печеночной ткани, затем индивидуальные экстракты белка от каждой рыбы вносятся в гель с помощью фитилей из хроматографической бумаги. При подключении к гелю электрического тока разные формы одного белка движутся от старта с разной скоростью, так как несут неодинаковые электрические заряды. Эти формы легко идентифицируются с помощью специфического окрашивания на активность конкретного белка. Специфика окрашивания позволяет выявлять как активность, так и место локализации данного белка у каждой рыбы из смеси экстрагированных белков. Большинство исследуемых с помощью электрофореза белков представляют собой ферменты (энзимы) - для которых разработаны методики гистохимического окрашивания, выявляющие их специфическую активность (Shaw and Prasad, 1970; Harris and Hopkinson, 1976; Корочкин и др., 1977; Manchenko, 1994).

Перед специфическим окрашиванием, пластину геля разрезали (тонкой струной) на семь частей, которые подвергали специфическом}' окрашиванию, каждый раз выделяя набор изозимов одного конкретного фермента. Конечным результатом любого электрофореза является проявление полос на геле, которые указывают на локализацию разных форм одного типа белка. Электрофоретический спектр белковых полос, выявляемый у индивида, содержит информацию о его генотипе по данному �