ВОПРОСЫ ИХТИОЛОГИИ, 2014, том 54, № 1, с. 43-56
УДК 597.553.2.574.32.575.174
СТРУКТУРА И ГЕНЕТИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ МАЛЫХ ПОПУЛЯЦИЙ КУМЖИ SALMO TRUTTA КАНДАЛАКШСКОГО ЗАЛИВА БЕЛОГО МОРЯ
© 2014 г. Е. В. Пономарева*, **, К. В. Кузищин*, А. А. Волков***, Н. В. Гордеева****, М. В. Пономарева*, Е. А. Шубина**
* Московский государственный университет ** Институт физико-химической биологии Московского государственного университета — НИИФХБ МГУ, Москва *** Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии — ВНИРО, Москва
**** Институт общей генетики РАН — ИОГЕН, Москва E-mail: kponom@mail.ru Поступила в редакцию 11.10.2012 г.
Изучены фенетическое разнообразие (типы жизненной стратегии, возрастной и половой составы, биологические особенности), уровень антропогенного воздействия и генетическая изменчивость по пяти микросателлитным локусам небольших популяций кумжи Salmo trutta прол. Великая Салма Белого моря (Кандалакшский залив). Уровень фенетического и генетического разнообразия в малых популяциях сопоставим с таковыми из крупных водных систем. Установлена значительная пространственная дифференциация популяций, расположенных на расстоянии менее 15 км. Для исследованных популяций характерно низкое аллельное и генное разнообразие. Выявлены временные различия между выборками по отдельным локусам. Обосновывается положение, что малые популяции кумжи могут рассматриваться как природные эталоны для проведения мониторинга популяций кумжи и среды их обитания в краткосрочной и долгосрочной перспективах.
Ключевые слова: кумжа Salmo trutta, биоразнообразие, структура популяций, жизненные стратегии, генетическая изменчивость, микросателлиты, природные эталоны.
DOI: 10.7868/S0042875214010093
Кумжа Salmo trutta — широко распространённый вид лососёвых рыб, характеризуется высоким уровнем географической, экологической, морфологической и генетической изменчивости (Берг, 1948; Барач, 1962; Осинов, 1984; Elliott, 1994; Осинов, Берначе, 1996; Кузищин, 1997). Широкий диапазон параметров среды обитания, воздействующий на популяции кумжи, ограниченный поток генов между ними и существование многочисленных изолятов создают на ареале вида высокую степень мозаичности фенетическо-го разнообразия и генетической дифференциации популяций (Алтухов и др., 1997). Кумжа в нашей стране промыслом не используется, но с конца ХХ в. стала популярным объектом спортивного рыболовства. Однако к настоящему времени многие популяции кумжи в результате антропогенного воздействия существенно деградировали, во многом утеряв свою природную структуру, а большинство водоёмов, где она обитает, претерпели серьёзную антропогенную трансформацию. В связи с этим для сохранения и устойчивого использования вида актуальной является разработка экологического прогноза и оценка популяционных аспектов устойчивости кумжи к внешним воздействиям (природным и
антропогенным). Одним из способов такой оценки является прогнозирование состояния популяций на основе тенденций генетической и морфо-экологической изменчивости (Решетников, 1980; Савваитова и др., 1988; Савваитова, Кузищин, 1998). Особый интерес для мониторинга и прогнозирования состояния вида в целом приобретают природные популяции кумжи, сохранившие свою естественную структуру.
В бассейне Белого моря кумжа не являлась объектом аквакультуры, её перевозки носили ограниченный характер. Небольшие водоёмы, в которых она обитает, часто расположены в труднодоступных районах, до сих пор многие из них остаются в первозданном состоянии. В связи с этим цель исследования — изучение характера фенетического разнообразия и генетической изменчивости малых популяций кумжи в пространстве и времени. В задачи входило выяснение структуры популяций, расположенных на близком расстоянии друг от друга, оценка генетической изменчивости популяций во времени и влияния антропогенного воздействия на генетическую изменчивость популяций.
Рис. 1. Карта-схема района проведения исследований: (•) — место сбора материала. Масштаб: 3 км.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
В качестве модельных выбраны три популяции кумжи, населяющие водоёмы в бассейне прол. Великая Салма, Кандалакшский залив Белого моря (рис. 1). Эти популяции являются объектами многолетнего мониторинга (Кузищин, 1997; Кузищин и др., 1995, 1998; Махров и др., 1999). Водоёмы, где обитает кумжа, представляют собой озёрно-речные системы: озеро является истоком ручья или речки, впадающих в море. Площадь озёр варьирует от 0.84 до 18.56 км2, длина ручьёв — от 4.2 до 6.7 км, расход воды в устье — от 0.2 до 2.1 м3/с; все водоёмы расположены в таёжной зоне, воздействие климатических факторов на них сходно (Кузищин, 1997). Особенностью озёрно-речной системы р. Нильма является симпатричное обитание в ней кумжи и атлантического лосося Salmo salar (Кузищин, Новиков, 1994).
Сбор материала проводили в 1989—1999 гг., из года в год рыб отлавливали стандартным набором орудий лова (удебные снасти, ставные сети, элек-тролов), места и режим лова были неизменными во все годы. Все пойманные рыбы подвергнуты биологическому анализу (Правдин, 1966). Определяли численность производителей методом прямого учёта на нерестилищах и плотность мо-
лоди на контрольных участках. Степень антропогенного воздействия, в первую очередь незаконного вылова, оценивали по данным собственных наблюдений, личных бесед с лицами, осуществлявшими лов, и по персональным сообщениям источников, вызывающих доверие. Всего на разные виды анализа собран 1251 экз., объём использованного материала приводится в соответствующих таблицах.
Большая часть генетических исследований кумжи Белого моря проведена на основе алло-зимной изменчивости (Осинов 1984; Казаков 1990; Осинов, Берначе, 1996; Махров и др., 1999). Для этой методики необходимы замороженные образцы тканей хорошей сохранности, тогда как во многих случаях, например в результате лова по принципу поймал—отпустил, доступным источником ДНК может служить только чешуя. Поэтому применяли метод анализа микросателлитной ДНК, позволяющий исследовать чешуйный материал, дающий представление о временной изменчивости в популяциях (Nielsen et al., 1999).
ДНК выделяли из чешуи (в чешуйных книжках) фенол-хлороформенным методом (Taggart et al., 1992). Для анализа были выбраны один тет-рануклеотидный локус Ssa197 (O'Reily et al., 1996)
Таблица 1. Характеристика и кодовые обозначения выборок кумжи Salmo trutta, исследованных с помощью мик-росателлитного анализа
Водная система Год сбора Объём выборки, экз. № выборки Обозначение выборки
Река Нильма 1992 38 1 НИЛ92
1994 63 2 НИЛ94
1995 11 3 НИЛ95
1997 14 4 НИЛ97
1998 28 5 НИЛ98
1999 11 6 НИЛ99
Святой ручей 1994 16 7 СВ94
1995 40 8 СВ95
Воробьёв ручей 1992 4 9 ВР92-94
1994 12 9 ВР92-94
1995 10 10 ВР95
1998 28 11 ВР98-99
1999 3 11 ВР98-99
и четыре динуклеотидных: Ssa85 (O'Reily et al., 1996), SSOSL456 (GenBank: Z69645.1), Str60 и Str73 (Estoup et al., 1993). Смесь для полимераз-ной цепной реакции (ПЦР) состояла из: 20 нг экстрагированной геномной ДНК, 2.5 мкл 10х буфера для ПЦР, 2.0 мМ MgCl2, 0.5 мкМ каждого праймера, 0.7 ед. Taq ДНК-полимеразы; объём смеси доводили до 20 мкл деионизованной водой. Амплификацию проводили в термоциклере "MJ Research PTC-100". ПЦР проводили по следующей схеме: при температуре 95°С — 2 мин; далее 8 циклов при 90° по 15 с; затем серия циклов с понижением температуры на 0.5°С (с 62°С до температуры отжига праймеров 58°С) (Touchdown) 30 с; при 70°С — 30 с; далее 34 цикла при 90°С по 15 с, при 58°С - 15 с, при 70°С - 20 с; заключительная элонгация при 72° С — 10 мин. В случае слабой выработки ПЦР-продукта число циклов увеличивали до 55. Для разделения ам-плифицированных фрагментов ПЦР-продукт наносили в 6%-ный полиакриламидный гель и проводили электрофорез при 300 V в течение 2—3 ч в 1х ТБЕ-буфере (Маниатис и др., 1984). Для определения длин фрагментов использовали стандарт "20bp DNA Ruler" (BioRad, США). Гели окрашивали бромистым этидием и сканировали с помощью сканера гелей Typhoon 8600. Длины аллелей определяли с использованием программы "1D Image Analysis Software Version 3.5". Ошибки генотипирования, выпадения длинных аллелей и наличие нуль-аллелей проверяли с помощью программы Micro-checker (Van Oosterhout et al., 2004). Характеристики исследованных выборок, использованных для генетического анализа, приведены в табл. 1. Небольшие выборки из руч. Во-
робьёв (1992 г. — n = 3 экз. и 1999 г. — n = 4) были объединены с выборками ближайших лет, так как объединённые выборки по всем локусам достоверно не различались.
Материал обрабатывали с помощью стандартных методов статистического анализа. Отклонения от равновесия Харди—Вайнберга с использованием точного теста (Guo, Thompson, 1992) и равновесие по сцеплению рассчитывали в программе GENEPOP 3.1c (Raymond, Rousset, 1995). Генетическая дифференциация популяций и пар популяций на основе попарной ©ST оценки (Weir, Cockerham, 1984) и 95%-ный доверительный интервал определяли методом бутстрепа всех локу-сов по программе FSTAT 2.9.1 (Goudet, 1995). Также мы использовали эту программу для расчёта аллельного (El Mousadik, Petit, 1996) и генного разнообразия (Nei, 1978). Матрицу попарных генетических расстояний Неи (Nei, 1978) вычисляли в программе TFPGA 1.3 (Miller, 1997). Взаимное расположение выборок отображали методом многомерного шкалирования на основе матрицы несмещённых генетических расстояний Неи (Nei, 1978). Для этого анализа использовали программный пакет STATISTICA 6.0 (StatSoft, Inc).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Структура популяций. Вид кумжа на ареале демонстрирует большие вариации в параметрах жизненной стратегии. В пределах мигрантного и резидентного типов выделяются частные варианты: ручьевой, или карликовый, — весь жизненный цикл реализуется в небольших ручьях, рыбы ведут осёдлый образ жизни, самцы и
самки созревают при мелких размерах; о з ё р н о -речной — нерест и первые 2—3 года жизни проходят во впадающих или вытекающих из озера ручьях, нагул — в озере; эстуарный — после 3—4 лет жизни в реке особи из неё скатываются, задерживаясь в солоноватых
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.