ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 3, с. 293-307
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.174.015.3:597.553.2
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ В ПОПУЛЯЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ АТЛАНТИЧЕСКОГО ЛОСОСЯ (Salmo salar L.). I. ПРИЗНАКИ КАРИОТИПА И АЛЛОЗИМЫ
© 2007 г. В. С. Артамонова
Институт общей генетики им. НИ. Вавилова Российской академии наук, Москва 119991;
e-mail: valar99@mail.ru Поступила в редакцию 18.04.2006 г.
Окончательный вариант получен 26.10.2006 г.
В обзоре, состоящем из двух частей, обобщены литературные данные обо всех генетических маркерах, используемых в популяционных исследованиях атлантического лосося. Первая часть обзора посвящена особенностям кариотипа и аллозимным маркерам. Последние успешно используют для того, чтобы различать популяции и субпопуляции атлантического лосося, а также для генетического мониторинга популяций. Показано, что распространение аллельных вариантов ряда аллозимов может быть связано с отбором на устойчивость к определенным условиям среды.
Изучение генетического разнообразия многих видов растений и животных продолжалось в течение всего XX столетия, однако дискуссии о механизмах его возникновения и устойчивости во времени идут до сих пор. Без понимания этих механизмов невозможно правильно реконструировать процесс эволюции, а также грамотно планировать мероприятия по сохранению и рациональному использованию живых организмов (монография: [1]).
Закономерности формирования генетического разнообразия изучают преимущественно на так называемых модельных видах. Например, целый ряд важных положений популяционной генетики сформулирован в ходе изучения лососевых рыб, особенно тихоокеанских лососей рода Onco-rhynchus. В последние годы круг модельных объектов расширяется. В частности, появляется все больше работ по атлантическому лососю, Salmo salar L. (монография: [2]).
Атлантический лосось образует как пресноводные, так и проходные формы (на Севере России проходную форму называют семгой). Этот вид имеет обширный ареал и распространен по обе стороны Атлантического океана. На североамериканском побережье ареал простирается на север до 68° с.ш., а на юге он доходил раньше до 41° с.ш. По другую сторону Атлантики ареал атлантического лосося охватывает все побережье Европы (включая Исландию, Британские острова, бассейн Балтики) от Португалии до р. Кара, захватывая побережья Белого и Баренцева морей [3]. Атлантический лосось - важный компонент
экосистем северных рек, ценный объект промысла и аквакультуры.
Генетические исследования атлантического лосося ведутся уже более 70 лет. Первая работа по генетике этого вида выполнена в Советском Союзе сотрудницей Института генетики A.A. Проко-фьевой-Бельговской [4]. С тех пор опубликованы уже сотни работ, но обобщению и анализу полученных данных препятствуют как языковые барьеры, так и чрезвычайное разнообразие методических подходов, применяемых исследователями.
Авторы обзорных работ уделяли большое внимание сравнению генетических характеристик разных популяций [5-10]. Несколько обзоров были посвящены разнообразию кариотипов атлантического лосося [11-15]. Недавно появился обзор, в котором обобщен очень большой массив данных по разнообразию аллозимов у данного вида [16].
Однако работ, в которых были бы сопоставлены результаты исследований разных авторов, применявших для изучения популяций атлантического лосося ДНК-маркеры различных типов, до сих пор нет. Отсутствуют и теоретические работы, в которых были бы представлены сравнительные характеристики разных методов анализа, даны оценки их разрешающей способности и области применения.
Между тем только полный обзор генетических маркеров, использованных при изучении атлантического лосося, позволит включить его в число модельных видов для популяционно-гене-тических исследований и использовать большой
объем накопленных фактических данных для
теоретических обобщений.
*
В первой части обзора изложены данные о признаках кариотипа и аллозимах - маркерах, с которых началось изучение популяционной генетики атлантического лосося и которые используются уже десятки лет. Благодаря их применению обнаружен ряд важных фактов, в обзоре приведены основные результаты исследований.
ПРИЗНАКИ КАРИОТИПА
Разрешающая способность кариологического анализа, как правило, невелика, а у целого ряда видов, имеющих полиплоидное происхождение, область его применения ограничена еще и тем, что метод не всегда позволяет получить абсолютно надежные результаты. Атлантический лосось проходил стадию тетраплоидии и имеет довольно большое количество мелких хромосом. Модальное (т.е. наиболее часто встречающееся) число хромосом (2n) в его популяциях колеблется от 54 до 60, число хромосомных плеч - от 72 до 74 [11-15]. При этом у особей в пределах одной популяции число хромосом может быть представлено всеми возможными хромосомными вариантами, и две популяции порой отличаются друг от друга только по частоте встречаемости того или иного варианта [11].
Однако модальное число хромосом (2n) у близкородственного вида - кумжи (Salmo trutta), несмотря на ее значительное внешнее сходство с атлантическим лососем, колеблется уже в пределах от 76 до 84 в разных популяциях [14, 15]. Это позволяет использовать кариологический анализ при идентификации гибридов атлантического лосося и кумжи. Такие гибриды обычно вполне жизнеспособны, а иногда и плодовиты. Тем не менее хозяйственной ценности они не имеют, и к тому же могут генетически загрязнять природные популяции. Поэтому задача их выявления различными методами достаточно актуальна: таких рыб иногда получали искусственно, а также обнаруживали время от времени в природных популяциях (обзор: [17]).
Никаких определенных закономерностей в географическом распределении хромосомных вариантов, в том числе и между континентами, выявить не удается. Нет выраженных различий и между популяциями, принадлежащими к проходным и озерно-речным формам. В то же время различия по модальному набору хромосом между некоторыми географически удаленными или изолированными популяциями выступают иногда
*
Вторую часть обзора см.: Генетика. 2007. Т. 43. < 4.
вполне отчетливо, причем даже тогда, когда две изолированные популяции обитают в пределах одной речной системы [11].
Практическое использование хромосомных маркеров очень ограничено и в настоящее время в популяционных исследованиях их почти не используют. Тем не менее с их помощью удалось показать, что лососи из Шотландии, вселенные в реки Испании, выживают в этих реках хуже, чем "местные" рыбы [18]. Позже этот факт был подтвержден исследованиями с применением молекулярных маркеров (см. ниже).
РАЗНООБРАЗИЕ НА УРОВНЕ БЕЛКОВ
По сравнению с кариологическим анализом анализ белков обладает существенно более высокой разрешающей способностью. Он менее трудоемок и позволяет анализировать большие выборки материала по нескольким генетическим маркерам одновременно. В исследованиях, связанных с задачами систематики, а также в популя-ционно-генетических исследованиях нашел применение анализ аллозимов - аллельных вариантов белков [1]. При этом под аллельными вариантами в данном виде анализа понимают белки, кодируемые одним и тем же генетическим ло-кусом не только у одного вида, но и у разных, систематически близких видов.
Различия между близкородственными видами
Благодаря аллозимному анализу появился надежный и доступный способ отличать атлантического лосося от близкого вида - кумжи. В некоторых локусах у этих видов фиксированы разные аллельные варианты ферментов, а для других ло-кусов наборы аллелей, характерные для каждого из видов, не совпадают (по крайней мере, в местах симпатрического обитания).
В разное время для распознавания атлантического лосося и кумжи, а также гибридов между ними использовали электрофоретическое разделение в геле самых разных белков. К их числу относятся ферменты: эстераза (локус EST-2*), глю-козофосфатизомераза (локусы GPI-B1* и GPI-A*, которые ранее обозначали как GPI-1* и GPI-3*), фосфоглюкомутаза (PGM-1*, PGM-2*), суперок-сиддисмутаза (sSOD-1*, ранее SOD*), ксантиндегид-рогеназа (XDH*), малик-энзим (sMEP-2*, ранее MEP-3,4*), эстераза Д (ESTD*), формальдегидде-гидрогеназа (FDHG*), фосфоглицераткиназа (PGK-2*), маннозофосфатизомераза (MPI*), а также белок трансферрин (TF*) (ссылки см.: [17]).
Помимо перечисленных с целью выявления гибридов между атлантическим лососем и кумжей пригодны, по-видимому, фумаратгидратаза, экс-прессирующаяся в мышцах (локус FH-2,3*), окта-
нолдегидрогеназа (ODH*) печени [19], изоцитратде-гидрогеназа, экспрессирующаяся в глазу (sIDHP-1 *), а также пара-альбумин крови (PALB*) [20]. Элек-трофоретический спектр запасных белков яйцеклетки позволяет установить видовую принадлежность матери [21].
Межконтиненталъные, межпопуляционные и внутрипопуляционные различия
Широкое применение аллозимного анализа для выявления гибридов возможно, в том числе, благодаря тому, что атлантический лосось является молодым и относительно низкополиморфным видом, у которого много аллозимных локу-сов, имеющих только один аллель. По показателю средней гетерозиготности для вида в целом он уступает как кумже, так и тихоокеанским лососям [19, 22].
Однако по этой же причине спектр белковых маркеров, используемых для характеристики внутривидового разнообразия, у атлантического лосося не очень широк, хотя основная доля генетического разнообразия приходится именно на разнообразие внутри популяций (около 70-75%). Только по 15-20% от общей вариабельности белков приходится на долю межпопуляционных и межконтинентальных различий [22].
На практике для характеристики популяций используют, как правило, только девять локусов (далее - характеристические локусы): sAAT-4*, ESTD*, FLABAD*, IDDH-1*, IDDH-2*, sIDHP-3*, sMDH-B1,2*, mMEP-2* и TPI-3*, для которых альтернативные аллели обнаружены в большинстве популяций вида. Кроме того, эти локусы высокополиморфны: существуют популяции, в которых частота альтернативных аллелей для каждого из них превышает 10%. Высокополиморфными являются, по-видимому, также локусы mME*, PER* и белковый локус TF*, но они либо плохо изучены, либо используютс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.