ОНТОГЕНЕЗ, 2010, том 41, № б, с. 438-450
УДК 597.5:577:591.3
РОЛЬ ГОРМОНА ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ В ОНТОГЕНЕЗЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ ДИВЕРСИФИКАЦИИ Barbus intermedius sensu
ОЗЕРА ТАНА, ЭФИОПИЯ1
© 2010 г. Ф. Н. Шкиль, В. Б. Борисов*, Белай Абдисса**, С. В. Смирнов*
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН 119334 Москва, ул. Вавилова, д. 26 * Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский проспект, д. 33 ** Бахар-Дарский исследовательский центр рыбного хозяйства и аквакультуры, Эфиопия, Bahir-Dar Fishery and Other Aquatic Life Research Center, Bahir-Dar, Ethiopia E-mail: fedorshkil@gmail.com Поступила в редакцию 22.03.10 г. Окончательный вариант получен 25.03.10 г.
Экспериментальными методами исследована роль гормона щитовидной железы в онтогенезе большого африканского усача Barbus intermedius sensu Banister, 1973 (Teleostei; Cyprinidae) — предполагаемого анцестрального вида, давшего начало пучку видов больших африканских усачей о. Тана (Эфиопия). Показано, что тиреоидный гормон оказывает влияние на сроки и темпы многих морфо-генетических процессов, а изменение его уровня вызывает гетерохронии, отражающиеся на дефинитивной морфологии рыб. Это позволяет предположить, что даже незначительные изменения активности тиреоидной оси в ходе онтогенеза могут быть причиной широкой вариабельности морфологических признаков B. intermedius и лежать в основе быстрой диверсификации пучка видов больших африканских усачей о. Тана.
Ключевые слова: Barbus intermedius, тиреоидный гормон, скелетогенез, гетерохронии, морфологическая диверсификация.
Большие гексаплоидные африканские усачи рода Barbus (Teleostei, Cyprinidae) оз. Тана (Эфиопия) отличаются высоким морфологическим разнообразием: они различаются по форме и пропорциям головы и тела, положению рта, относительному размеру глаз и другим пластическим признакам (рис. 1). Различаются они и по экологии, многие являются рыбоядными формами (Nagelkerke, Sibbing, 2000; De Graaf et al., 2008), что в целом нехарактерно для карповых рыб. Систематический статус усачей о. Тана неясен. Банистер (Banister, 1973) считал их мор-фотипами фенотипически полиморфного B. intermedius, широко распространенного не только в бассейнах о. Тана и Голубого Нила, но и в других речных и озерных бассейнах Восточной Африки. Позднее 15 морфотипов танских усачей были описаны как самостоятельные виды, образующие пучок видов,
1 Работа выполнена в рамках исследований совместной Российско-Эфиопской биологической экспедиции (JERBE III) и поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проекты № 08-04-00061-а, 07-04-00141-а), а также Программой Президиума РАН "Биоразнообразие и динамика генофондов".
т.е. группу близкородственных форм, обитающих на ограниченной территории (Nagelkerke, Sibbing, 2000). Существует и "промежуточная" точка зрения: Мина с соавторами (Mina et al., 1996) полагают, что наряду с несколькими действительно видами в озере обитают несколько морфотипов полиморфного вида B. intermedius.
Предполагается, что танский пучок видов или комплекс форм имеет монофилетическое происхождение от В. intermedius и возник относительно недавно, около 15 тыс. лет назад (Nagelkerke, Sibbing, 1998; De Graaf, 2010). Эти оценки основаны на геологических данных, свидетельствующих о полном пересыхании оз. Тана в плейстоцене (Lamb et al., 2007) и на отсутствии четких генетических различий между морфотипами/видами больших танских усачей (Berrebi, Valiushok, 1998; De Graaf, 2010).
Учитывая молодой возраст пучка, высокую степень морфологического разнообразия и отсутствие четких генетических различий между формами, можно предположить, что формообразование танских барбусов шло очень быстрыми темпами. Наиболее вероятным механизмом быстрой дивергенции
Рис. 1. Головы некоторых морфотипов/видов больших африканских усачей о. Тана: а — B. intermedius, б — B. megastoma, в — B. platydorsus, г — B. gorguari, д — B. acutirostris, е — B. macrophtalmus.
усачей считаются гетерохронии (Mina et al., 2001; Mina, Golani, 2004).
Гетерохронии — изменения относительных сроков и скорости процессов развития, приводящие к изменениям дефинитивной морфологии, согласно широко распространенной точке зрения, являются одним из важнейших механизмов эволюционных преобразований (Шмальгаузен, 1938; De Beer, 1958; Gould, 1977; Alberch P., Alberch J., 1981; McNamara, 1986). Так, согласно Рэффу и Кофману (1986), гетерохронии служат одним из самых могущественных и в то же время доступных механизмов эволюции форм.
Наиболее обстоятельно эволюционный потенциал гетерохроний исследован у амфибий, у которых темпы и сроки многих онтогенетических процессов, включая метаморфоз, находятся под контролем гормонов щитовидной железы — тирео-идных гормонов (ТГ). Показано, что относительно небольшие генетические изменения активности ти-реоидной оси (влияющие на уровень ТГ тиреоид-ный метаболизм, чувствительность тканей-мишеней к гормону, ТГ-реактивность тканей-мишеней и т.д.) сопровождаются изменениями темпов развития — гетерохрониями, которые могут приводить к мощным скоординированным изменениям в морфологии, физиологии и поведении животных, т.е. вызывать макроэволюционные преобразования (Рэфф, Кофман, 1986).
ТГ участвуют и в регуляции онтогенеза костистых рыб, влияя на скорость и время начала многих онтогенетических процессов, как правило, ускоряя их при высокой концентрации ТГ и замедляя — при дефиците (Brown, 1997; De Jesus et al., 1998; Blanton, Specker, 2007). Показано, что ТГ участвуют в мета-морфных преобразованиях костистых рыб, как и у амфибий (Yamano et al., 1991; Hseu et al., 2002; Okada et al., 2005; Einarsdottir et al., 2006). Можно предположить, что генетически обусловленные изменения активности тиреоидной оси могут через гетерохронии вызывать изменения в дефинитивной морфологии рыб и способствовать их быстрой морфологической дивергенции.
Однако влияние изменений активности тирео-идной оси на дефинитивную морфологию рыб остается практически не исследованным, а их эволюционная роль неизвестной.
В этих обстоятельствах представляется целесообразным исследовать роль ТГ в регуляции онтогенеза B. intermedius и влияние изменения активности ти-реоидной оси на дефинитивную морфологию, а также оценить возможное участие ТГ в морфологической дивергенции танских барбусов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Объектом исследования служил Barbus intermedius — предполагаемый анцестральный вид, давший начало всему пучку видов больших гексаплоидных
усачей о. Тана (Эфиопия) (Nagelkerke, Sibbing, 1998; De Graaf, 2010).
Для изучения изменчивости исследуемых мери-стических признаков (число чешуй в боковой линии (1.1.), число подглазничных костей (inf), число глоточных зубов, число лучей в парных и непарных плавниках (lpt)) в природной популяции мы обработали более 250 взрослых особей B. intermedius, пойманных в о. Тана и его притоках.
Для изучения роли ТГ в онтогенезе B. intermedius произведено пять скрещиваний диких производителей, выловленных во время нереста в притоке о. Тана р. 1умара. Оплодотворение икры проводили "сухим методом" в чашке Петри. Оплодотворенную икру перемещали в аквариумы (V = 180 л) с постоянной аэрацией, температурой воды +24°С, естественным освещением (фотопериод — день/ночь: 12/12), ежедневной сменой воды (20—40 л) и чисткой дна. Воду для аквариумов брали из о. Тана и перед заливом в аквариумы подвергали УФ-обработке и фильтрации в течение суток. Кормление рыб осуществляли на ранних этапах (20—30 дней после оплодотворения, д.п.о.) науплиями Artemia salina и искусственным кормом Tetra BabyMin. В дальнейшем личинки и молодь кормили искусственным кормом Tetra AniMin в хлопьях.
Икра, а позднее личинки и молодь содержали в следующих средах: 1) чистой воде (контроль), 2) в 1 нг/мл щелочном растворе тиреоидного гормона трийодтиронина (T3) (повышенный уровень гормона) и 3) в 0.02%-ном растворе тиомочевины — гой-трогена, подавляющего активность щитовидной железы (дефицит ТГ).
Фиксацию личинок и молоди рыб (по 3—5 шт.) из контрольных и групп, содержавшихся в в среде с повышенной концентрацией ТГ, осуществляли ежедневно в 4%-ном растворе формалина. Личинки, выращиваемые при дефиците ТГ, фиксировались ежедневно только на ранних этапах — до 20 д.п.о. Затем интервалы между фиксациями были значительно увеличены в связи с большой продолжительностью эксперимента (3 года), поэтому представленные данные по развитию рыб при дефиците ТГ являются неполными. Измерение стандартной длины (SL) проводили с использованием электронного штангенциркуля ("Matrix", Россия) и окуляр-микрометра. В таблицах приводится средняя для личинок величина SL в потомстве от разных скрещиваний, при которой происходило появление той или иной структуры или начало кальцинации структур. Временем (д.п.о.) появления или начала кальцинации скелетных структур считали время их появления у большинства особей в пробе.
Перед окрашиванием личинки и молодь вымачивали в водопроводной воде в течение суток. Окра-
шивание осуществляли согласно общепринятой методике: для кости и хряща использовали красители Alizarin Red S и Alcian Blue соответственно ("Sigma", США) (Depew, 2008). Просветление материала производили в 1%-ном KOH, потом в смеси 20%-ного глицерина и 0.25%-ного KOH (1 : 1), затем материал переводили в смесь 50%-ного глицерина и 0.25%-ного KOH (1 : 1) для окончательного просветления и хранения (Walker, Kimmel, 2007).
Обработку материала производили с использованием бинокуляра Leica MS5, Германия. Фотографирование препаратов осуществляли с помощью фотоаппарата Pentax K20, Япония с последующей обработкой фотографий в программе "Adobe Photoshop CS2". Всего обработано более 1500 личинок и молоди B. intermedius.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Реакция черепа. Личинки B. intermedius вылупляются из икринок на 3-4-й д.п.о. На момент вылуп-ления у них отсутствуют какие-либо краниальные окостенения. Первые костные элементы operculum, dentale и exooccipitale появляются на 5-6-й д.п.о. В течение последующих 6 дней число костных элементов резко возрастает и достигает 26 к 11-му д.п.о. После э
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.