ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 9, с. 1209-1217
ГЕНЕТИКА ^^^^^^^^^^^^^^^^ ЖИВОТНЫХ
УДК 575.832:597.553.2
ВЛИЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ НА ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОПУЛЯЦИЙ ГОЛЬЦОВ РОДА Salvelinus
© 2007 г. Ä. Г. Олейник, Л. Ä. Скурихина, Е. И. Чукова
Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток 690041; факс: (4232) 31-09-00; e-mail: alla_oleinik@mail.ru Поступила в редакцию 01.06.2006 г.
Методом PCR-RFLP-анализа мтДНК исследованы жилые популяции Salvelinus malma krascheninnik-ovi и Salvelinus malma malma, представляющие разные модельные экосистемы для изучения влияния изоляции на уровень генетической изменчивости мтДНК. Показано значительное снижение показателей гаплотипического и нуклеотидного разнообразия мтДНК в трех изолированных популяциях в результате случайного дрейфа генов. Проведена реконструкция генеалогии гаплотипов мтДНК и обсуждается филогеографический аспект формирования современной структуры изолированных популяций.
Высокая экологическая пластичность гольцов рода Salvelinus позволяет им осваивать самые разнообразные биотопы, что создает предпосылки для образования различных популяционных систем. По азиатскому побережью Тихого океана они населяют горные, тундрово-горные, равнинные реки разной протяженности, ручьи и озера. Гольцы являются группой, способной успешно существовать в составе крайне бедных сообществ и в предельных условиях среды. Кроме преобладающей проходной формы они образуют жилые ручьевые, речные и озерно-речные экотипы [1]. Генетические исследования природных изолированных популяций гольцов, несомненно, представляют интерес, так как позволяют определить генетические различия между популяциями, находящимися на разных уровнях фенотипической дивергенции. Проведение филогеографического анализа помогает лучше понять процессы, которые привели к формированию современных изолированных экосистем [2].
Одним из основных факторов эволюции является случайный дрейф генов, который проявляется в стохастическом изменении частот генов в ряду поколений. В природных популяциях действие дрейфа генов компенсируется процессами миграции. Таким образом, величина генетической дифференциации между популяциями определяется уровнем обмена генетическим материалом и временем их независимого существования [3]. Значимость географической изоляции, препятствующей обмену генами между популяциями, очевидна при сопоставлении генетической изменчивости у пресноводных, анадромных и морских рыб [2]. Проследить влияние дрейфа генов в истории развития популяций легче с помощью анализа мито-
хондриальной ДНК (мтДНК), что связано с особенностями ее эволюции и наследования [2, 4].
Цель данной работы заключалась в изучении генетической структуры полностью изолированных популяций мальмы Salvelinus malma kra-scheninnikovi Taranetz и Salvelinus malma malma (Walbaum) методом рестриктазного анализа фрагментов митохондриальной ДНК (RFLP), ам-плифицированных в полимеразной цепной реакции (PCR).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для изучения влияния изоляции на частоты гаплотипов мтДНК анализировались жилые популяции гольцов (табл. 1), представляющие четыре разные модельные экосистемы. Популяция S. та1та krascheninnikovi в ручье Безымянном (название приводится согласно [5]) изолирована от моря 4-метровым водопадом, который не проходим для гольцов [5]. Популяция S. та1та кга-scheninnikovi р. Лесной изолирована со стороны моря теплым серным ручьем, стекающим со склонов расположенного рядом вулкана Менделеева [6]. В ключе Холодном обитает популяция карликовых гольцов S. та1та та1та, которая заселяет средний и нижний участки русла. Мы полагаем, что в настоящее время обмен генами с другими локальными популяциями не происходит, так как проходные гольцы в ключе обнаружены не были [7]. Популяция S. та1та та1та в оз. Кро-кур (название приводится согласно [8]) представляет искусственный изолят. Озеро Крокур относится к типичным кратерным озерам со средней глубиной 22.5 м. Глубина кратера до поверхности озера составляет от 250 до 100 м. Возможно, что раньше уровень озера был выше, но в настоящее
Таблица 1. Данные об исследованных пoпyляцияx гольцов рода Salvelinus
Вид Локальность Объем выборки
Популяция Широта Долгота
Salvelinus malma malma оз. Крокур, п-ов Камчатка 54°42'N 160°22'E 35
S. malma malma р. Кроноцкая, п-ов Камчатка 54°42'N 160°22'E 12
S. malma malma кл. Холодный, северное побережье Охотского моря 59°31'N 150°45'E 24
S. malma malma р. Яма, северное побережье Охотского моря 59°41'N 154°06'E 12
S. malma krascheninnikovi р. Лесная, о. Кунашир, восточное побережье 44°12'N 145°59'E 30
S. malma krascheninnikovi р. Вал, о. Сахалин, северо-восточное побережье 52°21'N 143°04'E 19
S. malma krascheninnikovi руч. Безымянный, о. Сахалин, юго-восточное побережье 47°24'N 142°50'E 24
S. malma krascheninnikovi р. Анива, о. Сахалин, юго-восточное побережье 47°24'N 142°49'E 26
время поверхностный сток отсутствует. Благодаря небольшим размерам (площадь - 0.8 км2) и полной изолированности озеро рекомендовалось использовать в качестве экспериментального водоема для акклиматизации новых видов рыб и кормовых беспозвоночных [8]. Гольцы в озеро были перевезены около 25 лет назад предположительно из р. Кроноцкой, исток которой находится в 3 км от оз. Крокур. Только в 2005 г. были замечены процессы, подтверждающие возможную адаптацию вселенцев к новым экологическим условиям и обнаружена самовоспроизводящаяся популяция мальмы (личное сообщение C.B. Фролова). Для получения сравнительных характеристик изменчивости мтДНК в анализ также были включены данные по четырем популяциям мальмы (руч. Ани-ва, реки Вал, Яма, Кроноцкая). Представление об объеме проанализированного материала дает таблица 1.
Индивидуальные препараты тотальной ДНК получали из фиксированных тканей печени и сердца по стандартной методике [9]. Изменчивость мтДНК анализировали, используя полиморфизм длины ре-стрикционных фрагментов (RFLP) трех участков (ND1/ND2, ND5/ND6, Cytb/D-loop), амплифициро-ванных в полимеразной цепной реакции. Прай-мерные последовательности, положение фрагментов на карте мтДНК и условия амплификации описаны ранее [10]. Размер амплифицированных участков составляет около 47% митохондриаль-ного генома (7672 пн). Для анализа использовали 13 рестрикционных ферментов: AsuI, Aval, Avail, BstNI, BstUI, Ddei, EcoRV, Hinfl, Hhai, Mboi, Mspi, Rsai, Styi. Данные о размерах фрагментов рестрикции и составе комбинированных гаплоти-пов не приводятся в статье из-за ограниченности объема, но могут быть получены по запросу от авторов. Подробно методика анализа изложена ранее [11].
Статистическая обработка полученных результатов была выполнена с использованием пакетов программ REAP [12] и Arlequin ver. 2.000
[13]. Гетерогенность частот гаплотипов между каждой парой тестируемых популяций оценивали методом Монте-Карло [14]. Внутрипопуляцион-ный полиморфизм оценивали, рассчитывая усредненную оценку различий между всеми парами гаплотипов в выборке [15], величины нук-леотидного (п) и гаплотипического (h) разнообразия [12]. Количественную оценку географической подразделенности изменчивости мтДНК гольцов проводили методом AMOVA, при котором молекулярная дисперсия разделялась на два иерархических уровня [16]. Для реконструкции филогенетических связей между гаплотипами мтДНК были построены сети или деревья минимальной протяженности MST (Minimum Spanning Tree) [17].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Общее описание гетерогенности
У 182 исследованных гольцов было выявлено 34 гаплотипа мтДНК: 12 в популяциях S. malma malma, 22 - S. malma krascheninnikovi. Распределение гаплотипов по популяциям приведено в табл. 2. Количество проанализированных сайтов, число обнаруженных изменчивых сайтов и определяемых ими гаплотипов, а также значения гаплотипического и нуклеотидного разнообразия для каждой исследованной популяции приведены в табл. 3. Анализ географических выборок по частотам гаплотипов методом Монте-Карло [14] выявил статистически значимые различия между парами популяций S. malma malma оз. Крокур и р. Кроноцкой (х2 = 24.07, d.f.=6.16, P < 0.001), кл. Холодного и р. Яма (х2 = 11.30, df.=5.14, P = 0.02). Критерий х2 также подтверждает достоверность различий между двумя парами популяций S. malma krascheninnikovi руч. Безымянного и руч. Ани-ва (х2 = 13.62, d.f.=11.22, P = 0.001), р. Лесной и р. Вал (х2 = 46.19, d.f.=11.20, P < 0.001).
Степень генетической дифференциации также оценивалась между всеми парами популяций
Таблица 2. Абсолютные частоты гаплотипов мтДНК в популяциях гольцов рода Salvelinus
Популяция Гаплотип
S. та1та та1та NAJ №0
(оз. Крокур) 34 1
S. та1та та1та NAJ NBJ ШК NBL ШМ NBN
(р. Кроноцкая) 5 1 1 3 1 1
S. та1та та1та NAJ ^В NAG NBG ШН
(кл. Холодный) 8 6 6 2 1 1
S. та1та та1та NAJ NAG
(р. Яма) 11 1
S. та1та krascheninnikovi БВВ SAQ SBC
(р. Лесная) 28 1 1
S. та1та krascheninnikovi SAB SAQ SAS SAT SAU SAV SAW SAX SAZ SBA
(р. Вал) 2 2 4 2 1 3 1 1 2 1
S. та1та krascheninnikovi SAB
(руч. Безымянный) 24
S. та1та krascheninnikovi SAB SAC SAD SAE SAF SAG SAH SAI SAS SAK SAL SAM
(руч. Анива) 15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Таблица 3. Значения молекулярного, гаплотипического и нуклеотидного разнообразия в популяциях гольцов рода Salvelinus
Вид Популяция Молекулярное разнообразие* Гаплотипическое разнообразие Нуклеотидное разнообразие
1 2 3 4
S. та1та та1та оз. Крокур р. Кроноцкая кл. Холодный р. Яма 2 6 6 2 178 178 178 178 6 13 6 2 0.3428 ± 0.3469 3.1363 ± 1.7469 1.7137 ± 1.0360 0.3333 ± 0.3564 0.0571 ± 0.0531 0.8030 ± 0.0959 0.7862 ± 0.0445 0.1667 ± 0.1343 0.000243 0.002208 0.001196 0.000233
р. Лесная 3 187 5 0.9057 ± 0.6469 0.1310 ± 0.0821 0.000627
S. та1та ^а- р. Вал 10 187 21 7.3684 ± 3.6061 0.9240 ± 0.0357 0.005116
scheninnikovi руч. Безымянный 1 187 0 0.0000 ± 0.0000 0.0000 ± 0.0000 0.000000
руч. Анива 12 187 25 4.9266 ± 2.4818 0.6967 ± 0.1046 0.003426
* Показатели молекулярного разнообразия: 1 -
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.