Исследование генетической изменчивости сиговых рыб методом электрофоретического анализа.
Уже имеющийся опыт многолетних популяционно-генетических исследований лососей (Алтухов, 1989,1995; Казаков, Титов, 1995, 1998) свидетельствует о том, что генетический мониторинг природных и заводских популяций служит основой для любых программ сохранения или восстановления генофонда и поддержания численности видов. Как показывает этот опыт, наиболее эффективным способом изучения генетической изменчивости в популяциях рыб остается электрофорез белков, сочетающий достаточно высокую разрешающую способность с относительной простотой, поскольку он позволяет получать адекватную биологическую интерпретацию динамики популяционных процессов (Алтухов, 2004б).
Вместе с тем сиговые рыбы в этом отношении пока изучены явно недостаточно – систематические исследования этой группы на территории России начаты сравнительно недавно (Локшина, 1980а, б, 1983; Перелыгин, 1988; Ермоленко, 1989а). В связи с этим особую важность приобретают точные сведения о структуре видов сигов, условиях и способах поддержания гетерогенности популяций, необходимые для сохранения их численности. Однако для того, чтобы использовать данные, полученные методом электрофореза, для оценки генетических параметров популяций сиговых рыб, необходимо иметь генетическую интерпретацию выявленного у каждого вида полиморфизма изученных белковых систем.
Начиная с 1970-х гг. в исследованиях, посвященных изучению вопросов систематики и эволюции сиговых рыб на разных уровнях их таксономической организации, интенсивно используются молекулярные методы. К настоящему времени среди наиболее технически продвинутых подходов оказались различные способы анализа аминокислотных последовательностей белков, а также многочисленные варианты исследований ДНК, достигшие своего совершенства в установлении полной нуклеотидной последовательности отдельных генов и целых геномов. Несмотря на то, что порядок расположения аминокислот в белках и нуклеотидов в генах представляет высшую форму молекулярногенетической информации, определение таких последовательностей до сих пор остается технически сложной задачей для большинства отечественных лабораторий, занимающихся решением вопросов эволюционной биологии и систематики. В этих условиях надежным источником молекулярной информации остается метод электрофоретического изучения энзимов (или белков-ферментов). По сравнению с определением последовательностей макромолекул белковый электрофорез является наиболее быстрым и эффективным способом изучения генетической изменчивости по большому числу генов, сочетающим достаточно высокую разрешающую способность с относительной дешевизной метода.
Метод электрофореза основан на существовании прямой связи между молекулярными вариантами белка и аллельными различиями по определенным генетическим локусам. Обнаруживаемая вариабельность в порядках расположения аминокислот у изоформ белка связана с изменением общего заряда молекулы, вызванного заменами аминокислот, несущих нейтральные, положительные или отрицательные заряды. Подобные замены обусловлены изменением генетического кода или мутациями в молекуле ДНК. Визуализация экспрессии белка производится с помощью специфических красителей, которыми обрабатывают подвергнутую действию электрического тока гелевую пластину с нанесенными на ней образцами проб тканей. В результате реакции «субстрат-фермент» на геле проявляются фракции (полосы), соответствующие аллельным вариантам белка, обладающим разными суммарными зарядами. Таким образом, электрофорез позволяет выявлять изменения в кодирующем участке ядерной ДНК (гене), который ответствен за синтез данного белка. Таа - обоснование генетической природы изоферментной вариабельности. Ряд относительно более ранних работ по электрофоретическому анализу сиговых рыб посвящен подтверждению строгого генетического контроля наблюдаемых вариаций по изучаемым белковым локусам. вым локусам.
Для определения механизмов наследования на разных видах сиговых были поставлены индивидуальные скрещивания с последующим исследованием характера расщепления в потомстве по отдельным признакам, роль которых выполняли аллельные варианты локусов. В других случаях нечастая аллельная изменчивость в дуплицированных парах локусов с обладающими одинаковой электрофоретической подвижностью частыми изоаллелями помогала показать дуплицированный статус локусов и подтвердить менделевское наследование (напр., Vuorinen, 1984a, b). Первые работы подобной направленности датированы началом 70-х гг. (Clayton, Franzin, 1970; Lindsey et al., 1970; Clayton et al., 1973) и выполнены на североамериканском представителе сиговых рыб C. clupeaformis. Помимо сообщения об аллельных вариациях белков, как строго менделирующих признаках, в этих публикациях приводятся данные об обнаружении различий в частотах встречаемости аллелей у популяций озерного сигa из разных географических локальностей, что определило последующее широкое использование подобных генетических маркеров в популяционных исследованиях сиговых.
Наиболее известны результаты исследований Ю. Вуоринена (Vuorinen, 1984a, b; Vuorinen, Piironen, 1984), в которых дается детальное описание полиморфизма более чем в 20 локусах у европейской ряпушки и нескольких локусах у обыкновенного сига. Поскольку сиговые рыбы (особенно относящиеся к родам Coregonus и Stenodus) сохранили значительное генетическое сходство, детальное описание вариабельности этих двух видов по большому количеству локусов было адаптировано для электрофоретического анализа других видов семейства. Практически во всех более поздних популяционно-генетических исследованиях сиговых рыб использованы унифицированные схемы описания изоферментного полиморфизма, предложенные финским ученым и его коллегами (Vuorinen, 1984a, b, Bojalу et al., 1991),
Гибридологический анализ для подтверждения наследственной природы изменчивости по ряду локусов был применен в работах отечественных авторов – А. Б. Локшиной (1981) на пеляди и А. А. Перелыгиным (1987) на ладожском рипусе.
Внутривидовая изменчивость у сиговых рыб. Практически одновременно с получением доказательств наследственной природы изменчивости по белковым локусам данные электрофоретических анализов по возможно большему числу локусов (Nei, 1978) стали активно использоваться в популяционных исследованиях разных видов сиговых рыб. Применение математических методов позволило количественно измерить генетическую изменчивость в пределах отдельных популяций или видов с помощью основных генетических параметров, среди которых широко используются уровень полиморфизма (P), относительная гетерозиготность (H) и среднее количество аллелей на локус. Кроме того, данные от любого числа проанализированных генов и популяций стало возможным посредством разработанных математических методов (напр., Nei, 1972,1978) свести к набору значений генетического сходства (1) или генетического различия (D) между сравниваемыми парами. На основании получаемых значений этих индексов стало возможным делать заключения о большей или меньшей степени генетической близости исследуемых группировок рыб.
Целью ряда работ популяционно-генетической направленности являлось выяснение взаимоотношений между симпатрическими популяциями различных видов сиговых рыб. Одними из первых, кто воспользовался открывшимися возможностями статистической обработки получаемых биохимических данных, были североамериканские исследователи, которые применили изоферментный анализ к многочисленным видам и формам сиговых рыб, обитающих в Великих Американских озерах, ив первую очередь к популяциям C. clupeaformis. Данные экологических, морфологических, поведенческих исследований сиговых из Великих Озер свидетельствовали о том, что морфологические признаки, как найболее часто использующиеся при идентификации отдельных скоплений рыб, но вместе с тем обладающие очень высокой степенью модификационной изменчивости, не могут гарантировать надежности заключения о принадлежности исследуемой выборки к определенному стаду или виду. В этом случае информация о генетическом сходстве анализируемых выборок помогала пролить свет на взаимоотношения между отдельными группировками рыб, что стало активно применяться при хозяйственном использовании рыбных ресурсов. Отчасти решению подобного вопроса посвящены работы по американскому озерному сигу (Imhof et al., 1980; Casselman et al., 1981), а также по некоторым сиговым рыбам из Озера Верхнего, ранее относимым к подроду Leucichthys (Todd, 1981). Общим выводом этих исследований можно признать заключение о безусловной необходимости проведения комплексных, морфологических и генетических исследований дискретных рыбных стад в крупных озерах, представЛяющих интерес для коммерческого рыболовства. Алтан гадаадын нэм. - Анализ популяций европейской ряпушки из многочисленных озер Финляндии (Vuorinen et al., 1981) показал, что наибольшие генетические различия обнаружены между симпатрическими популяциями осеннего и зимне-весеннего сроков икрометания. Относительно большие величины генетической дивергенции между зимне- и весенненерестящимися ряпушками из различных локальностей позволили авторам сделать важный вывод о независимом происхождении в каждом озере популяций с зимне-весенним нерестом от типичной осенненерестящейся ряпушки.
Европейская ряпушка из трех больших озер северо-запада России являлась объектом анализа А.А. Перелыгина (1986а, б, 1987,1988,1989). При исследовании симпатрических популяций ряпушки из Ладожского озера, в частности, было обнаружено, что средние межпопуляционные генетические отличия между выборками типичной мелкой ряпушки из разных локальностей идентичны аналогичным показателям, рассчитанным при сравнении мелкой ряпушки и крупной формы вида – «рипуса». На основе полученных результатов автор обосновывает свое предположение об условности таксономического разделения ряпушки Ладожского озера на мелкую ряпушку и «рипуса». Така народная прокуратура од а Изоферментный анализ 18 популяций ряпушки из озер Литвы показал отсутствие статистически значимых различий между выборками по частотам полиморфных локусов. На этом основании авторы исследования пришли к заключению, что выделение в пределах вида C. albula таксонов внутривидового уровня, основанное на различии популяций по размерам рыбы, не обосновано (Kaupinis, Bukelskis, 2007).
В работе ю. Вуоринена и его норвежских коллег (Vuorinen et al., 1991) описаны генетические изменения, которые произошли с популяцией европейской ряпушки после ее интродукции в новый водоем спустя 92 года после пересадки. Обсуждая результаты уникального природного эксперимента, авторы акцентируют внимание на рассмотрении эволюционных факторов, которые могли существенным образом изменить генетическую структуру популяции.
Информация, получаемая электрофоретическими методами, оказывается весьма полезной при реконструкции путей расселения форм и рас отдельных видов сиговых рыб в позднечетвертичное время. Уже в самых ранних работах на примере американского сельдевидного сига С. clupeaformis была установлена строгая зависимость между присутствием фенотипических и аллельных вариантов по отдельным локусам в популяциях из разных географических локальностей и имеющимися геологическими данными по истории последних плейстоценовых оледенений (Lindsey et al., 1970; Franzin, Clayton, 1977). Так, первые генетические исследования популяций озерного сигa из ряда регионов Северной Америки позволили выяснить, что период Висконсинского оледенения этот вид пережил в двух разобщенных приледниковых бассейнах, в которых сформировались свои расы озерного сигa (Bodaly, Lindsey, 1977; Franzin, Clayton, 1977). Впоследствии, с увеличением числа проанализированных выборок, которые приурочены практически ко всем регионам, где обитает вид, стало возможным установить еще три расы озерного сига, которые пережили оледенение в независимых приледниковых рефугиумах (Bodaly et al., 1992; Foote et al., 1992). Установлено, что генетические дистанции между популяциями, представляющими разные расы, значительно выше, чем аналогичные оценки между популяциями в пределах одной расы. При этом генетические признаки не только четко дифференцируют одну ледовую расу озерного сига от другой, но и маркируют географические районы и уровни интрoгрессии между различными расами, которая стала возможной в связи с пространственным расселением рыб из разных рефугиумов в постледниковое время.
Сравнения нормальной и карликовой форм озерного сигa (Kirkpatrick, Selander, 1979; Bodaly et al., 1988) показало принадлежность двух форм к независимым генетическим системам. Результаты дальнейших генетических исследований (Bodaly et al., 1992) нормальных и карликовых форм озерного сига с учетом ранее полученных данных по истории расселения рас озерного сигa в Северной Америке подтвердили полную или существенную репродуктивную изоляцию подобных симпатрических пар и вероятность их послеледникового происхождения от единой предковой приледниковой расы, на территории которой в прошлом эти пары популяций возникли и сосуществуют в настоящее время.
Необходимо отметить, что результаты работ с использованием техники изоферментного анализа явились настоящим прорывом в филогеографических исследованиях вида c. clupeaformis, знаменуя собой необходимость перехода к симбиозу традиционных ихтиологических (морфологических и морфометрических) методов анализа и методов генетических исследований. Несмотря на то, что в настоящее время в западных исследованиях метод белкового электрофореза все чаще замещается более продвинутыми техникати пенотипирования, данные аллозумны? анализов американского озерного сигa имеют базовое, фундаментальное значение для углубленных внутривидовых сопоставлений с применением методов анализа ДНК (напр., McDermid et al., 2007).
Основным выводом исследователей европейских популяций обыкновенного сигa (Vuorinen et al., 1986) является заключение о принадлежности всех подвергнутых анализу популяций из разобщенных географических районов Европы к виду с. lavаrеtus, причем разный уровень генетической дифференциации между ними может быть обусловлен как действием различных эволюционных факторов, так и геологическими событиями ледниковой эпохи. Впоследствии выводы финского ученого были подтверждены и детализированы в работах, использующих в качестве метода исследования технику рестрикционного анализа мтДНК (Douglas et al., 1999; Ostbye et al., 2005).
В нашей стране первые филогеографические работы по сиговым ры- . бам Сибири и Дальнего Востока выполнены Л.Н. Ермоленко, результаты которых обобщены как в ее самостоятельных публикациях (1989а, б, в; 1991а, б), так и в статьях с соавторами (Ермоленко, Рудминайтис, 1984; Ермоленко и др., 1987;1988 а, б). В серии публикаций, посвященных анализу межпопуляционной изменчивости отдельных видов сиговых рыб, приводятся данные генетических сравнений сига-лыжьяна, чира и сибирской ряпушки из речных бассейнов азиатской части России. На основании полученных оценок генетической близости популяций из рек Анадырь, Чаун и Енисей автор рассматривает возможные причины различной степени дивергенции между ними и делает попытку проследить историю их формирования.
В новом веке филогеографические исследования СиГовых рыб России с использованием изоферментного анализа (или белкового электрофореза в сочетании с другими техниками генетических анализов) значительно расширили свою географию и охватили практически все виды и наиболее известные внутривидовые формы сиговых рыб. Основными объектами иркутских исследователей являются сиговые рыбы Байкала и Восточной Сибири – байкальский омуль, озерный сиг, озерно-речной Сиг, ледовитоморский пыжьян, сибирская ряпушка (Яхненко и др., 1992; Yakhnenko, Mamontov, 2002; Яхненко, Мамонтов, 2006); внутривидовой дифференциации обыкновенного сига на Европейском Севере посвящены исследования, проведенные в ГосНИОРХe (Sendek, 2004; Сендек и др., 2005), в поле зрения специалистов из ИОГена оказались практически все виды сиговых рыб России, причем внутривидовая структура сига, чира, муксуна, омулей и байкальских сиговых исследована наиболее Полно (Politov et al., 2000,2002, 2004; Балдина и др., 2008а, б, 2010; Политов и др., 2008,2010). Толерана по англи - Примером успешности использования генетических методов в филогеографических исследованиях сиговых рыб является изучение ряпушек Северо-Запада России. Исследователям из разных лабораторий удалось обнаружить ряд молекулярных маркерных признаков (в том числе аллеломорф) вида С. sardinella в генотипах вида c. albula: в популяциях беломорской, белозерской и водлозерской ряпушек, а также в некоторых популяциях ряпушек Кенозерского национального парка (Сендек, 1998,2000; Sеndеk, 2002; Konovalov et al., 2002; Махров и др., 2003; Боровикова и др., 2006; Боровикова, 2009; Гордеева и др., 2009). Таким образом, в отличие от других представителей европейской ряпушки, — переславской ряпутки, иряпурен Беломорско-Кулойското плато, тв пенотипат которых молекулярных признаков сибирской ряпушки выявлено не было (Махров и др., 2003; Сендек и др., 2010), становление популяций беломорской, белозерской, водлозерской ряпушек, и, по крайней мере, ряда популяций Кенозерского национального парка, по-видимому, связано с происходившими в прошлом на обширной территории Северо-Запада России процессами интрогрессивной гибридизации двух видов – Coregonus albula и Coregonus sardinella,
Межвидовые сопоставления сиговых рыб. Наряду с филогеографическими исследованиями отдельных видов сиговых рыб, техника электрофореза также широко применяется при выяснении таксономических взаимоотношений между разными видами. Пионерской работой такого типа можно считать исследование, предпринятое Челлеволдом (Chellеvоld, 1970), который на основании изменчивости небольшого числа белков сумел продемонстрировать принадлежность проанализированных им видов и форм сиговых к четырем дискретным группам и определить степень их родства. Первый сравнительный анализ европейских и североамериканских популяций сиговых рыб р. Coregonus выявил существенные межвидовые различия для большинства «хороших» видов, а также удивительную схожесть по белковым локусам между арктическим омулем из Северной Америки и полланом (с. pollan Tompson) с Британских островов (Ferguson, 1974; Ferguson et al., 1978). На основании полученных данных авторами было сделано предположение о конспецифичности C. pollan и C. autumnalis. В последующих работах статус поллана, как приледниковой расы арктического омуля, был подтвержден изоферментными данными Р. Бодали и его коллег (Bodaly et al., 1991; Бодали и др., 1994).
В нашей стране межвидовые генетические сопоставления при исследовании сиговых рыб были впервые выполнены А. Б. Локшиной (1980а, 1983). На примере сига, пеляди, чира и европейской ряпушки автор продемонстрировала уникальность каждого вида и определила степень генетической дивергенции между ними. Исследование А. А. Перелыгина (1988) было посвящено выяснению генетических взаимоотношений между двумя близкородственными видами ряпушек – европейской и сибирской. Установлено, что степень дивергенции между видами невелика и что по большинству исследованных локусов оба вида ряпушек имеют схожие аллельные варианты, отличающиеся только частотами встречаемости.
В конце XX века наиболее масштабные работы, посвященные изучению межвидовых взаимоотношений сиговых рыб, в нашей стране проведены Л.Н. Ермоленко (1989а, 1991б, 1992). В серии работ, выполненных в соавторстве (Ермоленко и др., 1987, 1988а, б), показано сравнительное распространение аллельных вариантов трех ферментных систем у лососевидных рыб, в том числе и у трех родов сем. Coregonidae. Исследования популяций трех видов р. Coregonus, а также двух других родов семейства северо-востока азиатской территории обобщены в работах Л.Н. Ермоленко (1989а, б, в, 1991а, б). Отметим, что Л.Н. Ермоленко первой из исследователей популяционной генетики сиговых удалось проанализировать сибирских эндемиков семейства – муксуна, сига-хадары и амурского сига. Данные изоферментных анализов этого автора показали значительное уклонение p. Prosopium от общего ствола сиговых рыб, в то время как р. Stenodus демонстрировал большее сродство ср. Coregonus. По мнению автора, выявленная небольшая генетическая дивертенция между предотавителямир. Coregonus может свидетельствоватъ0 сравнительно недавнем происхождении исследованного рода.
В более поздних работах, выполненных интернациональными коллективами авторов, суммированы опубликованные ранее данные и результаты новых работ О генетических характеристиках популяций видов сиговых, на основании чего исследуются взаимоотношения между таксонами на разных уровнях биологической организации. Например, в сообщений Р. Бодали и соавторов (Bodaly et al., 1991; Бодали и др., 1994) показано подразделение проанализированных видов на семь отдельных генетических групп, причем в одни группы попали виды, родственность которых ранее считалась очень далекой. Так, была выявлена генетическая однородность группы, куда вошли арктический омуль C. autumnalis, байкальский омуль C. a. migratorius, ирландский поллан C. a. pollan и американская озерная ряпушка C. аrtеdі, причем наиболее генетически обособленной в этой группе оказался байкальский омуль. Еще одну сборную группу составили европейский сиг С. lavаrеtus из различных географических точек Евразии, а также американский озерный сиг C. clupeaformis из водоемов Северной Америки. Отмечено, что популяции европейского сигa из Европы и Сибири оказались генетически ближе к озерному Сигу Аляски, чем популяции C. clupeaformis, – дериваты двух ледниковых рас — между собой. Как конспецифичные формы авторами предлагается рассматривать два вида ряпушек – сибирскую С. sardinella и европейскую C. albula, которые показали невысокую степень генетической дивергенции между собой. На основании полученных оценок авторами делаются предположения о возможных путях эволюционирования некоторых таксонов, определивших их нынешний статус в сем. Coregonidae. Toyota - Взаимоотношениям между разными видами – представителями р. Prosopium, а также между тремя родами, составляющими семейство Сиговых рыб, посвящено исследование Ю. Вуоринена с сотрудниками (Vuorinen et al., 1998). Продемонстрирована значительная генетическая неоднородность пяти видов р. Prosopium, причем дистанция между Р. cylindraceum и другими видами рода оказалась схожей с расстоянием, разделяющим роды Coregonus и Stenodus. На основании данных электрофоретических исследований обсуждаются вопросы происхождения, дивергенции и расселения вальков и других родов семейства.
в более поздних исследованиях филогенетических связей сиговых рыб России с использованием изоферментного анализа (или с использованием этого метода, как одного из генетических подходов) был подтвержден ряд обоснованных ранее выводов (например, об искусственности выделения всех сиговых рыб с конечным и верхним положением рта в подрод Leucichthys, o не вполне определенном положении p. Stenodus относительно представителей p. Coregonus) (Politov, 2000,2002; Сендек, 2000,2001а; Sеndеk, 2002; Политов и др., 2008,2010), а также сделаны важные заключения о реальном таксономическом статусе и положении байкальских пиповы7 рыб относительно друпит предотавителей печейства Coregonidae, что заставляет критически оценивать некоторые положения существующей систематики этого семейства (Politov, 2002,2004; Политов и др., 2008,2010). Новым свидетельством несовершенства систематических построений, основанных преимущественно на ихтиологических признаках, явились результаты популяционно-генетического анализа пенжинского омуля Coregonus autumnalis Kaganovsky. Выяснилось, что эта сиговая рыба, которая традиционно относилась к подвиду арктического омуля, в действительности является представителем ряпушек (Politov et al., 2007).
Выявление гибридов сиговых рыб. В последние два десятилетия данные электрофоретических исследований стали активно применяться в промышленном рыбоводстве при выращивании в хозяйствах одновременно нескольких видов сиговых рыб. Известно, что при этом с достаточно высокой частотой может возникать спонтанная межвидовая гибридизация, которую не всегда удается обнаружить с помощью традиционных морфологических критериев. Биохимический анализ по диагностическим локусам позволяет поддерживать чистые линии разводимых видов сиговых или выявить случившуюся гибридизацию и определить ее степень.
В одной из первых работ, выполненных с использованием электрофоретических методов норвежским исследователем Петоном (Pethon, 1974), сообщается об обширной межвидовой гибридизации между C. albula и C. lavаrеtus, выявленной в норвежском озере. По мнению исследователя, обнаруженные с помощью характеристичных спектров трансферринов естественные гибриды сигa и ряпушки в этом озере могли образоваться в связи с возросшим антропогенным прессом на популяцию сига и общим загрязнением водоема биогенами.
Изучение сига и пеляди из водоемов Чехословакии помогло обнаружить обширную гибридизацию двух видов в 11 из 17 исследованных стад (Slechtova et al., 1992). Высокий уровень гибридизации видов С. lavаrеtus и C. peled зафиксирован и для польских озер: гибриды между пелядью и сигом найдены в 7 из 10 исследованных локальностей, причем в неСкольких случаях обнаружено биологическое загрязнение «чистых» маточных стад (Luczynski et al., 1992).
Электрофорез также был успешно применен и для выявления природных гибридов сиговых рыб в Европе (Vuorinen, 1988) и из арктических районов Канады (Reist et al., 1992). Гибриды сигa и пеляди в искусственно поддерживаемых стадах, а также сигово-ряпушковая помесь в природных популяциях Европейского континента обнаружена Ю. Вуориненом по 3-5 маркерным локусам (Vuorinen, 1988). Результаты применения изоферментного анализа для идентификации естественных гибридов сиговых рыб России можно найти в следующих публикациях (Сендек, 2001б; Politov et al., 2002; Яхненко, Мамонтов, 2006). - Помимо очевидной значимости при работе с чистыми линиями и породами сиговых рыб в условиях искусственного разведения, выявление гибридов имеет также важное значение с точки зрения исследования механизмов эволюции семейства сиговых рыб, поскольку межвидовая гибридизация в некоторых случаях, вероятно, может приводить к появлению новых видов. Так, например, некоторые биохимические данные свидетельствуют в пользу гипотезы о гибридном происхождении байкальского омуля (Политов и др., 1999; Politov et al., 2002). По всей видимости, «гибридные» виды возникают не в дополнение к родительским видам, а в результате их слияния под воздействием специфических условий на ограниченном ареале (Попов, Сендек, 2003).