Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние селекционно-генетических и экологических факторов на структуру популяций карповых рыб

ВАК РФ 03.00.10, Ихтиология

Автореферат диссертации по теме "Влияние селекционно-генетических и экологических факторов на структуру популяций карповых рыб"

^ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

с-

с::

сп На правах рукописи

БОЙКО Елена Григорьевна

ВЛИЯНИЕ СЕЛЕКЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ ПОПУЛЯЦИЙ КАРПОВЫХ РЫБ

03.00.10 - ихтиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Тюмень 1997

Диссертация выполнена на кафедре экологии и генетики Тюменского государственного университета.

Научный руководитель - доктор биологических наук,

действительный член РАЕН, профессор Цой Рольф Максимович.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Мухачев Игорь Семенович; кандидат биологических наук Князев Игорь Васильевич.

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский институт озерного и речного рыбного хозяйства

Защита состоится 1997 г. в ^ ч. на

заседании диссертационного совета К. 064.23.08 в Тюменском госуниверситете по адресу: 625043, Тюмень, ул. Пирогова, 3, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного университета.

Автореферат разослан" 997 г.

'1

(

Ученый секретарь

диссертационного совета , /МхС_Н. Н. Гребнева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. С развитием промышленности, сельского и коммунального хозяйств связаны негативные изменения гидрологии и гидрохимии водоемов, которые влекут за собой ухудшение среды обитания рыб и неуклонное сокращение их естественных запасов. Но существует еще один фактор, способствующий сужению как видового, так и внутривидового разнообразия рыб- это нерациональное использование рыбных ресурсов, игнорирующее генетическую структуру локальных популяций, обеспечивающих устойчивое состояние промысловых видов. Отрицательные последствия всего этого сказываются не только на естественных, но и на искусственных популяциях рыб, являющихся объектом промышленного разведения. В сложившейся ситуации определение уровня внутривидового генетического разнообразия рыб, а также изучение закономерностей его изменения под воздействием различной человеческой деятельности является не только актуальным, но и необходимым.

Цели и задачи исследований. Настоящая работа посвящена изучению генетической изменчивости естественных и искусственных популяций рыб сем. Карповых в пространственном и временном аспектах, а также внутрипопуляционных групп (закрытого типа) культурного карпа, прошедших через ряд поколений интенсивной селекции.

На селекционно-племенных участках Казахстана уже в течение многих лет ведется крупномасштабная работа с карпом, где параллельно с традиционными методами селекции применяются индуцированный мутагенез и гиногенез. Результатом этой работы явилось создание породной группы казахстанского карпа, включающей несколько селекционных линий, каждая из которых обладает своеобразным генофондом и характеризуется определенной степенью разобщенности с другими линиями. Промышленное использование межлинейных гибридов от скрещивания разных линий создает хорошие предпосылки повышения выхода товарной продукции за счет продуманной комбинации родительских форм.

С этой целью в задачу исследований был включен сравнительный генетический анализ различных линий казахстанского карпа (Cyprinus carpió L.) Усть-Каменогорской и Карагандинской популяций. При выполнении поставленной задачи решались многие частные вопросы, из которых наиболее важными были:

1) установление контроля за изменением генетической структуры селекционных линий путем использования генетических маркеров; 2) изучение особенностей формирования генетической структуры одноименных линий карпа, входящих в состав двух изолированных пространственно,популяций казахстанского карпа; 3) .влияние вторичной обработки половых продуктов мутагенами на генетическую разобщенность линий; 4) проведение сравнительного анализа карпов пятого поколения по изменчивости количественных признаков; 5) определение наиболее дивергиро-ванных линий; 6) выяснение характера изменения генетической структуры отдельных линий при смене поколений под влиянием интенсивной селекции.

Помимо селекционно-генетических исследований, выполненных на казахстанском карпе, в задачу данной работы входило сравнительное изучение генетической изменчивости четырех групп карпа, культивируемых в Алтайском крае, а также проведение генетического мониторинга ельца сибирского ([.еиа'всиз (еиаэсив В.) и плотвы сибирской (РиМив гиМив ¿.) Обь-Иртышского бассейна.

Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые получен оригинальный материал, характеризующий особенности изменения генетической структуры двух географически изолированных популяций и внутрипопуляционных подразделен-ностей (линий) казахстанского карпа под влиянием совокупности факторов: индуцированного мутагенеза, естественного отбора, направленного отбора, пространственной изоляции, линейной селекции.

Дана генетическая характеристика новой продуктивной формы алтайского. карпа, созданной сотрудниками Новосибирского аграрного университета; а также трех групп карпа, культивируемых в условиях Алтайского края, известных по названием немецкого, алма-атинского и местного беспородного.

Впервые проведен генетический мониторинг ельца сибирского и плотвы сибирской.

Практическая значимость. Полученные данные позволяют скорректировать дальнейшую селекционную работу с казахстанским и алтайским карпом. Более обоснованно с генетических позиций осуществлять воспроизведение различных селекционных линий и их подбор для получения высокопродуктивных межлинейных гибридов

Материалы генетического мониторинга могут использоваться в качестве фона для оценки генетического состояния природных популяций рыб Обь-Иртышского бассейна, испытывающих раз-: личное давление антропогенного фактора.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 33 Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс", Новосибирск, 1995; на Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности в Сибири и на Крайнем Севере", Тюмень, 1995; на заседаниях кафедры экологии и генетики Тюменского госуниверситета, 1994,1995,1996,»

Структура и объем работы

Содержание диссертации изложено на 135 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов. В тексте приводится 34 таблицы и 7 рисунков. Список цитируемой литературы насчитывает 164 источника, в том числе 15 на иностранных языках.

Материал и методика исследований

Работа по изучению особенностей генетической структуры различных совокупностей карповых рыб проведена на кафедре экологии и генетики Тюменского госуниверситета в период с 1990 по 1994 гг.

В качестве объектов исследования использованы: 1) годовики трех мутантных линий ЭИ, НЭМ, ДМС казахстанского карпа Карагандинской популяции 4-го и 5-го селекционных поколений (названия линий соответствуют аббревиатуре мутагенов, которые были использованы при закладке линий); 2) годовики четырех мутантных линий НЭМ, ЭИ, ДАБ, ДЭС и одной контрольной линии казахстанского карпа Усть-Каменогорской популяции 5-го поколения селекции; 3) годовики мутантных линий ЭИ и НЭМ, полученные после повторной обработки мутагенами спермиев при постановке скрещиваний производителей казахстанского карпа четвертого поколения; 4) годовики мутантной линии ЭИ гиногене-тического происхождения; 5) годовики алтайского карпа Чумыш-ской популяции 6-го поколения селекции; 6) годовики алма-атинского карпа 6-го поколения селекции, разводимого "в себе" в условиях Алтайского края; 7) годовики немецкого карпа, заве-

зенные в Алтайский край лодрощенными личинками; 8) годовики беспородного карпа, культивируемые в хозяйствах Алтая. Объем выборок колебался от 47 до 151 экземпляров. Образцы тканей карпов, культивируемых на Алтае, любезно предоставлены Ивановой Зинаидой Александровной.

Помимо различных селекционных форм культурного карпа исследованию были подвергнуты двух- и трехгодовики плотвы сибирской из внутренних водоемов Тюменской области (оз. Кис-Лор, оз. Куль-Тык, Казымский Сор), а также разновозрастные выборки ельца сибирского из рек Казым, Иртыш, Тобол.

Межлинейные и межгрупповые сравнения карпа провели по качественным признакам, используя пять белковых систем: трансферрины (Tf), миогены (My), эстеразы сыворотки крови и мышц (Est), сывороточную супероксидисмутазу (SOD).

В популяционно-генетический анализ ельца и плотвы было вовлечено десять ферментов белых скелетных мышц: аспарта-таминотрансфераза (ААТ), каталаза (Cat), эстераза (Est), лакгат-дегидрогеназа (LDH), фумараза (Fum), малик-энзим (Me), малат-дегидрогеназа (MDH), а-глицерофосфатдегидрогеназа (a-Gpd), 6-фосфоглюконатдегидрогена (6-pgd).

Электрофоретическое разделение белков проводили методом вертикального электрофореза в блоках 7,0%-го полиакриламидно-го геля в камерах конструкции Трувеллера-Нефедова (1974) и польской фирмы Хайу-Калур. Экстракт мышц и сыворотки крову готовили методом гомогенизации и центрифугирования при 300С об/мин, мышцы в течение 10 минут и сыворотку крови 30 минут Надосадочную жидкость вносили в лунки с 40% -ной сахарозой е соотношении 1:1 по 5 мкл. Длительность электрофореза составляла 2,5-3 часа при напряжении 200 В. В течение электрофорезе температура буфера не превышала 12° С.

Все растворы и буферные смеси готовили по прописям Пинко-ка (Маурер, 1971). Гистохимическое окрашивание осуществлял!* по общепринятым методикам (Корочкин и др., 1977).

Генетическую структуру изученных групп рыб описали, исполь зуя частоты генов и генотипов полиморфных белковых локусов Ошибки генных частот вычисляли по формуле П. Ф. Рокицкогс (1974). О степени соответствия фактического и теоретическогс распределения фенотипов судили по критерию % (Рокицкий 1974).

При сравнении пиний Карагандинской популяции по количественным признакам использовали размерно-весовые показатели и индексы: индекс длины головы (отношение длины головы к длине тела), индекс прогонистости (отношение длины тела к высоте), индекс толщины (отношение толщины тела к длине), упитанность по Фультону.

На основании данных электрофореза, оценивая степень генетической дифференциации исследуемых групп рыб, рассчитали индекс генетического сходства по Нею (Ней, 1981). Ошибки индексов генетического подобия (ИГП) рассчитали по формуле Л.А. Животовского (1979). Дендрограммы строили на основании критерия "средней связи" парно-групповым методом по Бейли (1970). О достоверности обнаруженных различий судили по критерию х2 (Рокицкий, 1974).

Результаты исследований и их обсуждение

Особенности генетической структуры селекционных линий казахстанского карпа Карагандинской и Усть-Каменогорской популяций. Главной задачей в селекционной работе с казахстанским карпом является поддержание в стаде резерва генетической изменчивости путем выделения контрастных мутантных групп и линий с хорошими потенциями продуктивности. При наличии нескольких дивергентных групп и линий легче достичь существенного селекционного эффекта и, в первую очередь, в формировании продуктивных комбинаций (Цой, 1985).

Элеюгрофоретический анализ белков сыворотки крови и мышц трех линий Карагандинской популяции ЭИ, НЭМ, ДМС и восьми линий Усть-Каменогорской популяции ЭИ, ЭИ*, НЭМ, НЭМ*, ДЭС, ДАБ, ЭИ** выявил наличие значительных межлинейных различий, которые выразились в варьировании в широких пределах генных и генотипических частот, а также в наборах аллелей некоторых белковых локусов.

Особенно резко линии различалась по локусу ТТ. Изменчивость данного локуса интерпретирована как трехаллельная АВС-система, кодирующая наличие шести фенотипов в трех линиях Усть-Каменогорской популяции НЭМ, НЭМ*, КНМ и во всех изученных линиях Карагандинской популяции. Тогда как для линий ЭИ и ЭИ* Усть-Каменогорской популяции установлена двухал-пельная АВ-система, детерминирующая формирование трех

фенотипов. В линии НЭМ Карагандинской популяции и в линиях ЭИ, НЭМ, НЭМ* Усть-Каменогорской популяции чаще встречается аллель "А". Тогда как в линиях ЭИ* й КНМ Усть-Каменогорской популяции, а также в линии ДМС Карагандинской популяции наибольшая концентрация отмечена для аллеля "В". В линии ЭИ Карагандинской популяции чаще встречается аллель "С".

Линии ЭИ, ЭИ*, НЭМ, НЭМ* Усть-Каменогорской популяции и линии НЭМ, ЭИ, ДМС Карагандинской популяции были подвергнуты биохимическому анализу по локусу сывороточной эстеразы. Изменчивость данного локуса поддерживается двумя кодоми-нантными аллелями "А" и "В" с преобладанием аллеля "В" во всех анализируемых выборках, за исключением линий ЭИ и ЭИ* Усть-Каменогорской популяции, где чаще регистрируется аллель "А".

Электрофореграмма образцов мышечной ткани всех линий казахстанского карпа указывает на экспрессивность двух локусов эстеразы- Est-1 и Est-2, в каждом из которых присутствуют по два аллеля. Локус Est-1 оказался полиморфным по FS-системе с преобладанием аллеля "S" во всех линиях Карагандинской популяции и в линиях НЭМ, НЭМ*, ДЭС, ДАБ и ЭИ** Усть-Каменогорской популяции. По локусу Est-2 все линии содержат нулевой аллель, концентрация которого в линиях различна: от совсем незначительной в линиях ДМС, ЭИ и НЭМ Карагандинской популяции до практически равных частот обоих аллелей в линиях НЭМ и НЭМ* Усть-Каменогорской популяции.

По локусу Му-3 две линии НЭМ и НЭМ* Усть-Каменогорской популяции, а также НЭМ и ЭИ Карагандинской популяции оказались мономорфными по доминантному гену "А". Среди карпов линий ЭИ и ЭИ* Усть-Каменогорской популяции и ДМС Карагандинской популяции обнаружены гомозиготные особи по нулевому аллёлю "а". Во всех линиях преобладает доминантный аллель "А".

Исследование сыворотки крови карпов линий ЭИ, НЭМ и ДМС Карагандинской популяции выявило полиморфизм по локусу SOD. Здесь установлена 3-аллельная ABD-система с преобладанием аллеля "В".

Наряду с дивергенцией по качественным признакам установлены межлинейные различия линий НЭМ, ЭИ и ДМС Карагандинской популяции и по количественным признакам. Расхождение линий по количественным признакам оказалось менее значительным, чем по качественным. Это связано с полигенностью количественных признаков и большой их зависимостью от случайных

колебаний условий среды. По выраженности шести пластических признаков линии ЭИ, НЭМ и ДМС отличались друг от друга. Так, наилучшие показатели массы и длины тела на втором году выращивания продемонстрировали карпы линии НЭМ. В то время, как самые высокие индексы упитанности, толщины тела и длины головы, а также наименьший показатель индекса прогонистости обнаружены у карпов линии ЭИ. Линия ДМС по всем показателям занимает промежуточное положение.

Сопоставление коэффициентов вариации основных селекционных признаков различных линий выявило наибольшую изменчивость карпов линий ДМС по большинству. показателей. Усреднённый коэффициент вариации здесь равен 6,16. Изменчивость основных Селекционных признаков изученных линий оказалась незначительной, так как коэффициенты вариации ниже 10 %. Жесткий искусственный отбор и дрейф генов привели к снижению изменчивости количественных признаков в линиях в Четвертом и пятом поколениях. Однако следует отметить, что снижение вариации количественных признаков идет дивергентно.. ! Таким образом, сравнительный анализ морфологических признаков трех линий Карагандинской популяции подтверждает представление о генетической дивергенции стада казахстанского карпа.

Анализ индексов сходства (ИГП) по моногенным и полигенным признакам между селекционными линиями казахстанского карпа позволил конкретизировать степень генетической разобщенности линий. В Карагандинской популяции наиболее дивергировали по количественным признакам карпы линий НЭМ и ДМС, однако, по качественным признакам карпы линии ДМС проявили равную степень близости с линиями НЭМ и ЭИ. В Усть-Каменогорской популяции наиболее генетически близки оказались карпы линий ДЭС и ЭИ** (ИГП=0,965). А наибольшее расхождение наблюдается между линиями НЭМ* и ЭИ* (ИГП=0,793). Данный анализ позволил определить эффективное сочетание линий с учетом их генетической разобщенности, что предполагает обеспечение желаемого гетерозисного эффекта у межлинейных гибридов для их промышленного использования. ..Сопоставление различных пиний двух пространственно изолированных популяций по качественным признакам указывает на то, что три линии Карагандинской популяции значительно разошлись с линией ЭИ Усть-<аменогорской популяции.

Для повышения эффективности селекционной работы и ускорения процесса выведения продуктивных породных групп наибольшую важность приобретает поиск ассоциаций между полигенными и моногенными признаками. В случае их обнаружения появляется возможность прижизненного тестирования рыб по четко менделирующим свойствам и скоррелированным с ними продуктивным качествам рыб. Полученный в нашем исследовании ранговый коэффициент Спирмана (0,500) свидетельствует о наличии связи между качественными и количественными признаками у казахстанского карпа.

В целом в нашем исследовании устойчивые корреляционные связи между биохимическими маркерами и показателями роста карпа не установлены. Отмечены лишь отдельные случаи по локусу SOD и Tf. Отсутствие четких корреляций между отдельными типами белков и показателями роста рыб может быть следствием искусственного отбора на продуктивность, который игнорирует локусы, не входящие в полигенную систему с признаками продуктивности.

Сопряженный анализ показателей гетерозиготности по пяти белковым локусам в "отдельных линиях и обобщенных коэффициентов вариации основных селекционных признаков выявил тенденцию к увеличению морфологической изменчивости рыб с увеличением гетерозиготности (табл. 1). Это может быть следствием проявления общей фенотической изменчивости рыб.

Таблица 1.

Сопряженность средней гетерозиготности по белковым локусам с изменчивостью количественных признаков в селекционных линиях Карагандинской популяции

Показатель

Линии Средняя гете- Число Обобщенный N

Число розиготность, признаков коэффициент

локусоа Не вариации, G,

НЭМрб 5 0,430 6 5,71 100

ЭИРБ 5 0,495 6 5,57 100

ДМСг4 5 0,518 6 6,16 55

Факторы, формирующие структуру стада казахстанского карла. Несмотря на то, что селекция всех линий казахстанского карпа велась в одном направлении (увеличение продуктивных и экстерьерных свойств), сопоставление различных селекционных

линий казахстанского карпа выявило между ними существенные различия, в которых проявилось своеобразие генофондов каждой линии. На формирование генетической структуры каждой конкретной линии оказали влияние такие факторы, как разнонаправленный эффект мутагенного воздействия, ограничивающий (селекцию) естественный отбор, искусственный отбор, генетический дрейф (линейная селекция) и инбридинг. Искусственным отбором на продуктивность изымается определенная часть особей, которая воспроизводится в последующих поколениях, что ограничивает эффективную численность популяций, так как в воспроизводстве линий участвует небольшое число производителей. Как правило, это 7-10 самок и 4 - 5 самцов, что усиливает интенсивность дрейфа генов.

Немаловажным фактором, определяющим генетическую дифференциацию линий, является инбридинг, который по своей сути есть неизбежное следствие воспроизводства линий в себе. Величина инбридинга имеет обратнозависимую связь с величиной популяции. А, как правило, искусственно воспроизводимые популяции имеют незначительную численность. В таких условиях возрастает вероятность неслучайного ассортативного соединения гамет, что также ведет к отклонению от панмиксии.

Особый вклад в дивергентное развитие линий вносит внутри-линейный однонаправленный отбор на продуктивность и соответственно подбор родительских пар по лучшим показателям продуктивности. Скрещивание идет по принципу "лучшее с лучшим". Это является одной из причин снижения генетической изменчивости в линиях и приводит к обеднению генофонда в каждой линии. Однако в целом в двух популяциях казахстанского карпа изменчивость поддерживается на достаточно высоком уровне вследствие вклада каждой отдельной линии в общий генофонд стада.

При искусственном разведении селекционером создаются благоприятные условия среды. Однако все запрограммировать невозможно, так как любой водоем- это часть экосистемы, на которую действуют факторы окружающей среды, главные из которых температурный, гидрохимический и колебание уровня вод. В этих условиях происходит дифференцированное выживание особей. А это есть не что иное, как воздействие естественного отбора на генетическую структуру селекционируемых объектов.

Итак, в стаде казахстанского карпа одновременно действуют разнообразные факторы, обусловливающие межлинейные различия по частотам генов и генотипов изученных полиморфных систем сыворотки крови и мышц. Это специфичность действия мутагенов, генетический дрейф, инбридинг и различные формы отбора.

Для выяснения влияния пространственной изоляции на изменчивость казахстанского карпа провели сравнительный анализ одноименных линий ЭИ и НЭМ, входящих в состав двух популяций. Установлено, что генофонды двух популяций формируются дивергентно, это проявилось не только в различиях частот генов и генотипов, но и в отсутствие аллеля "С" по локусу И в линии ЭИ Усть-Каменогорской популяции, тогда как в остальных линиях данный аллель присутствовал. По локусу миогенов линия ЭИ Усть-Каменогорской популяции оказалась полиморфной, в то время как линия ЭИ Карагандинской популяции мономорфна по данному локусу. Следует отметить, что на линии ЭИ последствия пространственной изоляции оказались более выраженными, здесь индекс подобия составляет 0,798+0,039. Это, очевидно, связано с наибольшей селективной продвинутостью карпов этих линий. Индекс сходства линий НЭМ выше и равен 0,827+0,046.

Генетическая характеристика карпов, разводимых в Алтайском крае. Сотрудниками Новосибирского аграрного университета с помощью направленного отбора и подбора по фенотипу создана форма карпа для разведения в условиях Алтайского края, отличающаяся хорошими показателями роста, продуктивности, плодовитости и зимостойкостью. Параллельно с выведенной породой в регионе культивируются немецкий, алма-атинский и местный беспородный формы карпа.

Сравнение всех четырех разновидностей карпа, культивируемых в сходных условиях Алтайского края, по качественным признакам выявило наличие существенных различий по частотам генов и генотипов полиморфных белковых систем, а также отсутствие изменчивости рыб по некоторым из них, что свидетельствует о значительной генетической разобщенности изучаемых группировок. Отличительной особенностью немецкого карпа является отсутствие изменчивости по локусам Му-3 и Му-4. В генофонде алтайского и алма-атинского карпов по локусу Му-3 с незначительной частотой обнаружен нулевой аллель. В этих группах рыб сложилась своеобразная картина распределения

фенотипов по локусу Му-4, что проявилось в полном отсутствии гомозигот по гену "D". В то время, как гетерозиготы CD и гомозиготы СС присутствуют в обеих группах. Это согласуется с литературными данными, согласно которым аллель "D" летален и гомозиготы DD элиминируются на ранних стадиях онтогенеза (Кирпичников, 1987). Для всех групп карпа по локусу Tf установлена трехаллельная АВС-система. У алтайского, алма-атинского и местного беспородного карпов чаще регистрируется аллель "В", у немецкого карпа отмечена повышенная частота аллеля "А". Локус сывороточной эстеразы оказался полиморфным по двухал-лельной АВ-системе с преобладанием аллеля "В" у алтайского и алма-атинского карпов и аллеля "А" у местного беспородного и немецкого карпов. Электрофоретический анализ эстеразы мышц алтайского, немецкого и алма-атинского карпов показал наличие двух зон активности, кодируемых двумя генными локусами, обозначенные Est-1 и Est-2. Изменчивость локуса Est-1 поддерживается двумя кодоминантными аллелями "F" и "S". У алтайского и алма-атинского карпов по этому локусу чаще встречается аллель "S", тогда как у немецкого карпа оба аллеля равнозначны. По локусу Est-2 установлена двухаллельная Bb-система. Встречаемость нулевого аллеля варьирует в широких пределах: от совсем незначительной у алтайского карпа до преобладающей у алма-атинского карпа. У немецкого карпа также преобладает нулевой аллель, но не столь отчетливо.

Анализ ИГП позволил выделить наиболее генетически несходные группы рыб. Ими оказались немецкий и алма-атинский карпы. Наибольшее сходство по исследованным генным системам отмечено для алтайского карпа Чумышской популяции и местного беспородного карпа, что вероятно, является результатом наличия общего предка.

Таким образом, четыре формы карпа, различающиеся по происхождению, отличаются друг от друга и генотипическим составом. Дивергентное формирование генофондов алтайского, алма-атинского, немецкого и местного беспородного карпов является предпосылкой для получения высокого гетерозисного эффекта при скрещивании генетически различных групп рыб. На формирование генетической структуры изученных групп рыб оказывают влияние несколько факторов. Карп, селекционируемый на Алтае, подвергается воздействию жесткого искусственного отбора в трех направлениях: повышение зимостойкости, продуктивности и пло-

довитости. На формирование структуры других форм карпа в'большей степени отражаются происхождение, генетический дрейф, естественный и поддерживающий искусственный отбор.

Генетическая характеристика плотвы сибирской и ельца сибирского. Плотва сибирская и елец сибирский входят в число основных объектов рыболовства в Западной Сибири. В то время, когда велся полный учет вылова рыб в Обь-Иртышском бассейне, данные виды составляли его значительную часть. Например, в 1976 году объем промысла этих рыб достигал 6 тыс. тонн, а к 1990 году упал до 2 тыс. тонн (по данным Сибрыбпрома и рыбоохраны). Общий объем вылова рыб при этом не снизился за счет усиления промысловой нагрузки на более ценные виды рыб, таких как пелядь, муксун, нельма и другие, что безусловно ведет к подрыву запасов этих рыб.

Несмотря на повсеместное распространение ельца и плотвы в Обь-Иртышском бассейне, это недостаточно изученные виды, в отношении которых нет единого мнения об их популяционной структуре.

Анализ генетической структуры четырех выборок ельца сибирского из рек Тобол, Казым и Иртыш, проведенный по частотам генов5 и генотипов полиморфных локусов ¿00-2, 1_0Н-А1 и Еб^З показал наличие генетической дифференциации в пределах вида.

Биохимический анализ супероксидисмутазы ельца выявил две зоны активности, обозначенные 800-1 и 800-2. Полиморфизм по локусу 800-1 при наличии трех аллелей "А", "В", "О" обнаружен у ельца из рек Казым и Иртыш (г. Ханты-Мансийск), тогда как у ельца из рек Тобол, Иртыш (г. Тобольск) установлена четырехал-лельная АВСО-система. У ельца из р. Тобол преобладает аллель "А", в остальных выборках чаще встречается аллель "В".

В белых мышцах ельца из рек Тобол, Казым, Иртыш (г. Ханты-Мансийск) проявились четыре зоны эстераз, определяющиеся генами ЕвМ, Еэ^, Еб1-3, ЕбМ. Полиморфизм обнаружен только по локусу Еб^З по трехаллельной РБМ-системе. Во всех выборках ельца чаще всего регистрируется аллель Т".

Выборка ельца из р. Казым была подвергнута биохимическому анализу лактатдегидрогеназы, которая кодируется двумя локуса-ми, обозначенные 1_0Н-А1 и ЮН-А2. Изменчивым оказался локус ЮН-А1, представленный двумя аллелями А1' и А1 с преобладанием аллеляА1\

На основании проведенного анализа четырех выборок ельца сибирского, можно сделать вывод о достаточно выраженной популяционной структурированности вида в пределах Обь-Иртышского бассейна. Исследованные выборки ельца представляют собой части элементарных популяций вида. Это подтверждается индексами сходства, значения которых указывают на наличие достоверных различий между ними. Наиболее близкими оказались две выборки ельца из р. Иртыш (ИГП=0,821). Наиболее удаленное положение занимает елец из р. Казым, ИГП которого составляет соответственно 0,363 и 0,217. Промежуточное положение занимает елец из р. Тобол.

Сравнительный анализ трех групп плотвы сибирской, проведенный по белковым системам эстераз, лактатдегидрогеназ и супероксидисмутаз, показал генетическую неоднородность выборок плотвы из озер Кис-Лор, Куль-Тык и Казымского Сора.

В электрофоретическом спектре эстераз плотвы обнаружены четыре зоны активности, обозначенные ЕэМ, Еэ1-2, ЕбЬЗ, ЕбМ, в последних трех наблюдается изменчивость, детерминированная кодоминантными генами "Р" и "Э". Во всех случаях преобладает аллель Т", за исключением плотвы из оз. Куль-Тык, где по локусу Еэ^З чаще регистрируется аллель "Б"

Лактатдегидрогеназа плотвы кодируется двумя локусами, обозначенными 1_ОН-А1 и 1-ОН-А2. По локусу 1_ОН-А1 установлена двухаллельная А*А-система. Все три выборки плотвы характеризуются значительным преобладанием аллеля А1\ Изменчивость этого локуса имеет кпинальный характер. При продвижении с севера на юг частота аллеля АТ увеличивается. Существует мнение, что концентрации аллелей данного локуса скоррелирова-ны с размахом температурных колебаний и устойчивы во времени (Кирпичников, 1987). В соответствии с этим аллель "А1" назван "северным". В наших исследованиях плотвы наблюдается подобная закономерность по мере продвижения к северу.

В спектре супероксидисмутазы четко выделяются две зоны активности 806-1 и 800-2. У плотвы из Казымского Сора и оз. Кис-Лор оба локуса оказались мономорфными. В отличие от них у плотвы из оз. Куль-Тык локус Э00-1 предствлен тремя аллелями "А", "В", "Э" с преобладанием аллеля "В".

Значения индексов подобия указывают на генетическую разобщенность популяций плотвы, которые по степени сходства образуют следующий ряд: оз. Куль-Тык- оз. Кис-Лор- Казымский

Сор. Наиболее генетически близки выборки плотвы из Казымского Сора и оз. Кис-Лор, индекс сходства равен 0,986. Обе они довольно далеки от плотвы из оз. Куль-Тык, ИГП соответственно равен 0,792 и 0,824.

Известно; что анализ полиморфных признаков является ключом к изучению генетических процессов в популяциях. На формирование генофондов популяций плотвы сибирской и ельца сибирского оказывает влияние целый ряд факторов, обусловливающих генетическую дифференциацию видов.

Любая природная популяция существует в конкретных специфических условиях среды, колебания которых влекут за собой изменение генетической структуры популяций, что проявляется прежде всего в изменении генных и генотипических частот. Дифференциация Е!ида в пределах ареала обеспечивает общую устойчивость вида. Неоднородность популяций ельца сибирского и плотвы сибирской в рамках вида может быть следствием стабилизирующего отбора, действующего на фоне несколько различающихся экологических условий. Доказательством этому является наличие кпинальной изменчивости. В изученных популяциях ельца наблюдали постепенное изменение частот аллелей по некоторым локусам при продвижении с юга на север: концентрация аллеля 'V" локуса 800-1 увеличилась в три раза; частота аллеля "С" даннрго локуса, наоборот, уменьшилась; частота аллеля "М" локуса Еэ^З проявила тенденцию к увеличению, а аллеля "8"- к снижению с юга на север. Таким образом, по большей части генов у ельца обнаружена клинальная или географическая изменчивость.

Использование полиморфных белковых систем в качестве генетических маркеров позволило выявить еще один тип пространственной изменчивости аллельных частот- это единообразие частот на большом ареале существования вида. У плотвы по всем локусам, кроме Ез1-3 (оз. Куль-Тык), преобладает аллель Т", у ельца подобная закономерность обнаружена для аллеля Т" по локусу Е^-З, аллеля "В"- по локусу 806-1 во всех исследованных выборках ельца, кроме выборки из р. Тобол. Существование клин и единообразие частот генов можно объяснить с точек зрения двух гипотез поддержания белкового полиморфизма в популяциях. В рамках теории нейтральности, клины могут быть результатом взаимодействия дрейфа генов и миграции, когда интенсивность последней с расстоянием падает, в рамках селек-

тивной теории- образование клин можно представить как результат действия отбора вдоль градиентов факторов среды в пространстве и во времени. Единообразие частот обеспечивается как непрерывной миграцией особей (нейтралистская), так и одинаковым действием балансирующего отбора (селекционистская). Более распространенные гены предположительно несут адаптивную нагрузку (Алтухов, 1989).

В нашем случае влияние миграций на генетическую структуру изученных совокупностей исключить нельзя. Данный фактор сглаживает различия между популяциями, если поток генов является интенсивным. Елец сибирский способен совершать перемещения на значительные расстояния, но конкретных данных по этому вопросу мы не обнаружили. Пространственная и репродуктивная изоляции являются условием существования сложной популяционной структуры. Репродуктивная изоляция является следствием как отдаленности местообитаний, так и несовпадением сроков нереста. Немаловажную роль в формировании генетической структуры играет дрейф генов. Изученные нами выборки ельца и плотвы были изъяты из генеральной совокупности зимой, когда генетическая структура может нарушаться действием низкого температурного фактора, а также от нехватки пищевых ресурсов и кислорода. Эти условия приводят к дрейфу генов.

Однако конкретные механизмы формирования изменчивости чаще остаются неизвестными. В данной работе выделили возможные процессы, влияющие на генетическую структуру естественных популяций рыб.

Уровень генетической изменчивости карповых рыб <3 культурных и естественных популяций. В настоящее время ■1И у кого не вызывает сомнения необходимость сохранения био-эазнообразия, включающего как видовое, так и внутривидовое генетическое). В нашем исследовании, проведенном на предста-зителях карповых рыб, определен уровень генетической изменчи-зости в различных совокупностях на основе изучения белковых ;истем и сопоставления их у разных видов. Количественная оценка енетической изменчивости дается по показателям гетерозиготно-;ти и полиморфности совокупностей рыб (табл. 2).

Среди изученных групп карпа наибольшей генетической изменчивостью отличаются алма-атинский и немецкий карпы. Достаточно гетерогенными оказались алтайский селекционируемый карп и местный беспородный карп. Повышенный уровень

генетической изменчивости отдельных групп карпа (немецкий, алма-атинский), культивируемых в Алтайском крае, очевидно, является результатом слабого давления естественного и искусственного отбора, в то время как алтайский карп прошел через жесткий искусственный отбор на продуктивность.

Таблица 2

Уровень генетической изменчивости исследованных популяций

карповых рыб

Культурные популяции Не Естественные популяции нв Р

Казахстанский карп 0,464 Елец сибирский 0,415 0,159

Карагандинская популяция 0,481 р. Тобол 0,523

Линия НЭМ 0,430 р. Иртыш (Тобольск) 0,344

ЭИ 0,495 р.Иртыш (Х.-Мансийск) 0,409

ДМС 0,518 р. Казым 0,386

Усть-Каменогорская

популяция 0,448 Плотва сибирская 0,284 0,263

Линия КНМ 0,449 оз. Куль-Тык 0,281

НЭМ 0,416 оз. Кис-Лор 0,243

НЭМ* 0,510 Казымский Сор 0,328

ЭИ 0,427 Амурский сазан 0,220

ЭИ* 0,391 Волжский сазан 0,186

дэс 0,539

ДАБ 0,412

ЭИ" 0,443

Алтайский карп 0,410

Немецкий карп 0,504

Алма-атинский карп 0,511

Местный беспородный карп 0,432

Примечание. Нв - средняя гетерозиготность, Р - полиморфность

Высокие показатели генетической изменчивости характерны и для отдельных линий казахстанского карпа. Повышенный уровень изменчивости в этих линиях может быть следствием влияния сильных мутагенов алкилирующей группы, которые использовались при закладке линий, и индуцированная ими изменчивость полностью не элиминировалась селекционными мероприятиями. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что преимуществом по показателям продуктивности обладают чаще всего гетерозиготные генотипы. При искусственном выращивании рыб селекционер создает специализированные условия и с помощью различных мероприятий подгоняет к ним генотипы. Однако, довольно часто эти условия задаются и человеком и при-

родой. Именно такая ситуация сложилась в двух хозяйствах, где культивируется казахстанский карп. Если сопоставить между собой две популяции этой породной группы, то несколько более гетерогенным выглядит карп Карагандинской популяции. В то время как размах изменчивости между линиями шире в Усть-Каменогорской популяции.

Однонаправленная селекция на продуктивность и дрейф генов должны вести к сужению генетической изменчивости и обеднению генофонда в отдельных линиях казахстанского карпа. Однако в целом изменчивость популяций находится на достаточно высоком уровне. Это является доказательством того, что искусственный отбор не привел к снижению генетической изменчивости, главным образом, вследствие дивергентного формирования линий и неассоциативной криптической изменчивости с изменчивостью по продуктивности.

Сравнительный генетический анализ трех видов карповых рыб из природных популяций выявил существенные различия в уровне генетической изменчивости у ельца, плотвы и сазана. Наибольший показатель гетерозиготности отмечен у ельца сибирского (Не=0,415), наименьший- у волжского сазана (Не=0,186). Близким к последнему показатель у амурского сазана (Не=0,220), плотва (Не=0,284) в этом отношении занимает промежуточное положение.

Данные по электрофоретическому разделению белков плотвы и ельца позволили определить еще одну меру генетической изменчивости- полиморфность (табл. 2). Так, более изменчивой выглядит плотва (Р=0,263), у ельца уровень генетической изменчивости оказался несколько меньшим (Р=0,159). Однако, если сопоставить полиморфность ельца и плотвы с литературными данными (Кирпичников, 1979), то полученные нами значения приближены к среднему показателю, известному для рыб (Р=0,220).

Сравнение показателей изменчивости у представителей различных популяций ельца и плотвы указывают на то, что межпопуляци-онные различия значительно меньше межвидовых и могут служить характеристикой особенностей генетической структуры популяций.

Средние показатели гетерозиготности ельца, плотвы и сазана являются приблизительной оценкой генетической изменчивости данных видов и могут использоваться в качестве фонового показателя для изучения динамики изменчивости популяций в условиях давления природных и антропогенных факторов.

Большой интерес представляет сопоставление уровня изменчивости культурного карпа и его предковой формы- сазана. С этой

целью мы использовали показатели изменчивости амурского и волжского сазана (Паавер, 1980). Общая средняя гетерозигот-нрсть культурного карпа равна 0,464, а общая средняя сазана-0,203. Данное сравнение показывает, что наблюдаются значительные различия по уровню генетической изменчивости между сазаном и его окультуренной формой, что проявилось прежде всего в том, что все исследованные группы карпа оказались более изменчивыми, чем обе формы сазана. Особенно большая разница наблюдается у карпа и волжского сазана. Наши данные согласуются с точкой зрения В..С. Кирпичникова (1987), согласно которой снижение давления естественного отбора и повышение выживаемости "слабых" генотипов ведет к увеличению генетической изменчивости.

Если, рассматривать коренные механизмы поддержания генетической изменчивости в популяциях, то здесь не обойти две точки зрения, которые до настоящего времени остро противопоставлялись друг другу: селекционистская и нейтралистская. Однако, сейчас многие ученые пришли к выводу, что такой подход неверен, так как невозможно вычленить роль отдельного фактора в поддержании белкового полиморфизма (естественный отбор, мутации, дрейф генов, миграции). В природе эти факторы постоянно взаимодействуют и приводят к различным сочетаниям генов, к своеобразным картинам распределений генных и генотипиче-ских частот. Первоначально изменчивость возникает в результате мутаций. В большинстве изученных нами групп давлением мутаций можно пренебречь. Однако в случае с казахстанским карпом данный фактор является одним из решающих. Миграции могут повысить уровень генетической изменчивости лишь тогда, когда в популяцию привносятся новые аллели. Как отмечено ранее, постоянному повышению генетического разнообразия во всех изученных нами популяциях рыб препятствует естественный отбор, который отметает неблагоприятные сочетания генов и тем самым сохраняет или уменьшает уровень изменчивости, приспосабливая организмы к данной конкретной среде обитания. Любая популяция, имея конечные размеры, подвержена постоянным случайным флуктуациям частот генов, то есть генетическому дрейфу. Особенно большое значение приобретают случайные факторы, в связи с постоянным воздействием человека на существование искусственно культивируемых, так и вмешательством в природные популяции.

выводы

По материалам настоящей диссертации сделаны следующие выводы:

1. Линейное разведение казахстанского карпа с применением мутационной селекции привело к существенной генетической дивергенции линий, что отразилось в различиях генных и геноти-пических частот полиморфных белковых локусов, а также в наличии или отсутствии отдельных аллельных вариантов.

2. Оценка фенотипической структуры трех селекционных линий ЭИ, НЭМ и ДМС Карагандинской популяции показала дивергентное развитие линий. Изучение сопряженности моногенных и полигенных признаков не выявило устойчивых ассоциативных связей, что указывает на различие в их генетической природе. Установлена прямая связь меяеду показателями изменчивости по количественным признакам и уровнем гетерозиготности по полиморфным локусам.

3. Пространственная изоляция на протяжении пяти селекционных поколений привела к значительной генетической дивергенции Карагандинской и Усть-Каменогорской популяций казахстанского карпа. Построение дендрограмм генетического подобия позволило выявить наиболее разобщенные линии ДМС и НЭМ в Карагандинской популяции и линии ЭИ* и НЭМ* в Усть-Каменогорской популяции, что позволяет аргументированно рекомендовать их промышленное использование для получения высокопродуктивных межлинейных гибридов.

4. Искусственный отбор на продуктивность и инбридинг привели к сужению изменчивости рыб по селекционным признакам в отдельных линиях, однако, благодаря дивергентному формированию линий, в стаде казахстанского карпа образовался значительный резерв генетической изменчивости. Дивергентное формирование генофондов линий обусловлено совокупным действием разнонаправленного эффекта мутагенов, дрейфа генов, интенсивного искусственного отбора на продуктивность, инбридинга и естественного отбора.

5. Генетический анализ Чумышской популяции алтайского карпа, алма-атинского, немецкого и местного беспородного карпов, культивируемых в условиях Алтайского края, показал наличие значительной разобщенности генофондов данных групп рыб, что проявилось в различиях генных и генотипических частот поли-

морфных белковых локусов, а также в отсутствии полиморфизма по локусам Му-3 и Му-4 у немецкого карпа. Наибольшее сходство установлено между алтайским и местным беспородным карпами, а наиболее генетически отдаленными оказались немецкий и алма-атинский карпы. Генетическая разобщенность генофондов четырех групп карпа, культивируемых на Алтае, обусловлена различным происхождением, дрейфом генов, влиянием искусственного и естественного отбора.

6. Генетический мониторинг ельца сибирского выявил структурированность вида в пределах Обь-Иртышского бассейна. Выборки ельца из рек Тобол, Казым, Иртыш (г. Тобольск) и Иртыш (г. Ханты-Мансийск) следует считать представителями отдельных локальных популяций вида.

7. На основе анализа индексов сходства и дендрограмм трех выборок плотвы установлена генетическая обособленность плотвы из оз. Куль-Тык. Для определения степени генетической дифференциации плотвы из оз. Кис-Лор и Казымского Сора необходимы дополнительные исследования.

8. Уровень генетической изменчивости в культурных и естественных популяциях карповых рыб оказался различным. Так, средняя гетерозиготность карпа равна 0,464, сазана- 0,203, ельца сибирского- 0,415, плотвы сибирской- 0,284. Основным фактором, обусловливающим повышение генетической изменчивости в культурных популяциях, по сравнению с естественными, является снижение давления естественного отбора.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Бойко Е.Г. Особенности генетической структуры алтайского и казахстанского карпа // Селекционно-генетические и экологические проблемы эукариот. Тюмень: Изд-во Тюменского госуниверситета, 1995. С. 56 - 64.

2. Бойко Е.Г. Географическая изменчивость природных популяций плотвы сибирской и ельца сибирского Обь-Иртышского бассейна // Тез. междунар. научно-практической конф. Тюмень, 1995. С. 133.

3. Бойко Е.Г. Особенности генетической структуры мутантных линий Карагандинской популяции казахстанского карпа // Тез. междунар. научно-практической конф. Тюмень, 1995. С. 134,