Введение к работе
Актуальность проблемы. Лососєеьіє рыбы семейства Salmonidae (включающего подсемейства Salmoninae, Coregoninae и Thymallinae) - относительно молодая группа полиплоидных рыб, особенностью которых является незавершенность у них процесса диплоидизации генома. В отличие от других полиплоидных рыб, таких как осетровые Acipenseridae или карповые Cyprinidae, диплоидизация геномов которых проходила преимущественно на функциональном уровне и не сопровождалась значительными структурными перестройками кариоти-пов, у лососевых рыб она осуществляется через оба этих процесса. Одним из результатов этого является чрезвычайное разнообразие ка-риотипов лососевых рыб. Проявлением незавершенности процесса диплоидизации является распространение у лососевых рыб хромосомного полиморфизма и мозаицизма. Все это определяет повышенный интерес к лососевым рыбам как модельному объекту для исследования механизмов изменчивости и эволюции кариотипов. Стимулируют широкое привлечение генетическим методов к исследованию лососевых рыб и нерешенные проблемы систематики и филогении некоторых их таксонов, прежде всего сигов рода Coregonus и гольцов рода Salvelinus.
С другой стороны, многие виды лососевых рыб, распространенные очень широко, являются ценными объектами промысла, акклиматизации и искусственного воспроизводства. Среди наиболее важных задач, от решения которых зависит успех этих работ - точная дифференциация видов, являющихся объектами хозяйственной деятельности, выработка представлений о степени и характере внутривидовой дифференциации этих объектов. В настоящее время решение этих задач наиболее остро стоит в отношении сиговых рыб (Coregoninae) и гольцов (Salvelinus, Salmoninae), являющихся объектами традиционного местного промысла, взгляды на систематику которых противоречивы, а часто и диаметрально противоположны.
Цель и задачи исследования. Цель исследования заключалась в выявлении и исследовании механизмов, обусловливающих изменчивость кариотипов лососевых рыб, и выработке на этой основе представлений о направлениях, механизмах и темпах эволюции кариотипов этих рыб. Поставленная цель определила решение следующих задач:
1. Существующие методы приготовления хромосомных препаратов рыб ориентированы на работу в условиях лаборатории и включают
-4.-
длительную предподготовку к нему рыб. Учитывая особенности лососевых рыб и возможности доставки материала, первой задачей, от решения которой зависело выполнение остальных, была разработка метода приготовления хромосомных препаратов в полевых условиях.
2.. Исследование кариотипов представителей есєх трех подсемейств лососевых рыб для выявления изменчивых либо стабильных по кариологическим характеристикам таксонов.
-
Установление направления и механизмов изменчивости кариотипов лососевых рыб. Проверка гипотезы о допустимости широкой изменчивости их кариотипов путем элиминации и нерасхождения отдельных хромосом или их групп.
-
Разработка гипотезы о возможном предковом кариотипе лососевых рыб, направлениях и механизмах его последующих изменений в отдельных подсемействах.
-
Определение механизмов и темпов дивергенции кариотипов в одной из наиболее сложных в систематическом отношении групп лососевых - сиговых рыб Coregoninae.
-
Выяснение механизмов внутривидовой изменчивости и эволюции кариотипов гольцовых рыб родов Salvelinus и Salvethymus. Сопоставление степени кариологйческой и морфологической дифференциации этих рыб.
Научная новизна. В ходе выполнения работы были апробированы большинство из известных методов исследования кариотипов рыб. Был разработан оригинальный метод приготовления хромосомных препаратов, пригодный для использования в полевых условиях, достоинствами которого являются простота, небольшие затраты времени и высокое качество получаемых препаратов.
Используя его, исследованы кариотипы 24 видов и форм лососевых рыб, 11 из которых впервые. Установлено, что кариотипы подавляющего большинства видов лососевых рыб в той или иной степени изменчивы. Изменчивость проявляется на двух уровнях. Изменения числа хромосом обусловлены робертсоновскими транслокациями, присутствием в кариотипе добавочных хромосом, наличием гетероморфних половых хромосом. Изменения структуры отдельных хромосом часто обусловлены характером проявления ядрышкообразующих районов хромосом.
У двух видов выявлен редкий у лососевых рыб тип хромосом -добавочные хромосомы, и обусловленная варьированием их числа иг-
менчивость кариотипов. Предложена гипотеза механизма возникновения В-хромосом. У двух видов выявлены и описаны гетероморфные половые хромосомы. Показано разнообразие систем половых хромосом у лососевых рыб и обосновано предположение об их дифференциации в филогенезе лососевых рыб в ДЕа этапа - генетической и морфологической дифференциации.
На основании .анализа кариотипов лососевых рыб трех подсемейств Thymallinae, Coregoninae и Salmoninae, и наиболее близких им диплоидных представителей отряда Salmoniformes разработана гипотеза о структуре предкового кариотипа лососевых рыб, лучше имеющихся согласующаяся с существующими представлениями об их филогении. Показано единство механизмов, обеспечивающих внутривидовую изменчивость кариотипов лососевых рыб и их эволюционные преобразования. Сходство этих механизмов в разных таксонах проявляется в виде параллельного возникновения в них близких по числу и морфологии хромосом кариотипов.
Разработана оригинальная схема дивергенции кариотипов сиговых рыб Coregoninae, основанная на морфологических особенностях маркерных субметацентрических хромосом. Предложена оригинальная схема эволюции кариотипов гольцов рода Salvelinus, основными моментами которой являются закрепление в двух филогенетических группах гольцов разных ЯОР-несущих хромосом' и последующая эволюция кариотипов в каждой из этих групп в направлении уменьшения ЯОР в процессе диплоидизации.
Теоретическая и практическая ценность работы. В теоретическом плане наиболее важным представляется установление единства механизмов внутривидовой изменчивости и эволюционных преобразований кариотипов всех лососевых рыб, сходство этих механизмов с таковыми у других животных.
Не менее важна разработанная гипотеза о структуре предкового кариотипа лососевых рыб, которая предполагает их монофилетическое происхождение и позволяет объяснить как различия кариотипов представителей трех подсемейств, так и сходные и параллельные изменения кариотипов в пределах отдельных подсемейств на основе общих для всех лососевых рыб механизмов.
Важным представляется и выявление у лососевых рыб добавочных хромосом. Сведения об их структуре позволяют с большей определенностью говорить о механизмах изменчивости и направлении эволюции
кариотипов лососевых рыб. Данные о механизмах дифференциации половых хромосом свидетельствуют о случайности происходящих в процессе эволюции кариотипов лососевых рыб хромосомных перестроек. В то же время они показали принципиальное сходство структуры кариотипов и механизмов их эволюции у рыб и других животных.
На примере гольцов рода Salvelinus показана неравномерность темпов эволюции морфологических структур и кариотипов. Соотношение скоростей их изменчивости своеобразно у каждого вида и проявляется в противоречивости имеющихся представлений о систематике этих рыб, основанных на анализе разных признаков.
Без ясного представления о видовом составе и возможности точной идентификации таксонов невозможны рациональное использование и охрана эксплуатируемых видов лососевых рыб. В работе на примере симы, сиговых и гольцовых рыб показана возможность успешного решения этих вопросов, используя наркологический метод. Выявленные в кариотипах этих рыб системы маркеров (В-хромосомы, яд-рышкообразующие районы хромосом, отдельные маркерные хромосомы) позволяют уверено идентифицировать не только разные виды, но и отдельные популяции широко распространенных видов.
Сведения о полиморфизме по добавочным хромосомам могут быть полезны при проведении работ по искусственному воспроизводству и акклиматизации имеющих их видов, поскольку у растений и животных такой полиморфизм часто имеет адаптивную природу. Данные же о степени дифференцированности половых хромосом необходимо учитывать при проведении работ по управлению полом лососевых рыб с целью получения однополых популяций.
Апробация работы. Результаты исследований представлялись на Координационном совещании по лососевидным рыбам (Ленинград, 1983), III Всесоюзном симпозиуме "Биологические проблемы Севера" (Магадан, 1983), Научных конференциях Института-биологии моря (1985, 1987, 1991, 1993), III Региональной конференции молодых ученых и специалистов Дальнего Востока (Южно-Сахалинск, 1986), 5 Съезде Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н.И.Вавилова (Москва, 1987), 3 Всесоюзном совещании по лососевидным рыбам (Тольятти, 1988), International Symposium on Biology and Management of Coregonid Fishes (Quebec, Canada, 1990), 5 Всероссийском совещании по систематике, биологии и биотехнике разведения лососевых рыб (Санкт-Петербург, 1994), 5 Всероссийском сове-
щании по биологии и биотехнике разведения сиговых рыб (Санкт-Петербург, 1994), 45th Arctic Science Conference (Vladivostok, 1994), 75th Annual Meeting of the American Society of Ichthyologists and Herpetologists (Edmonton, Canada, 1995).
Часть работы выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты No 94-04-11129 и No 96-04-бЗОЮк) и Международного научного фонда (гранты No N0FOOO и No N0F300).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 39 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, в которых рассмотрены методы исследования ка-риотипов рыб (глава 1), механизмы изменчивости кариотипов лососевых рыб (глава 2), механизмы дифференциации половых хромосом лососевых рыб (глава 3) и вопросы эволюции кариотипов лососевых рыб (глава 4), основных выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 316 страницах машинописного текста и содержит 18 таблиц и 41 рисунок. Список использованной литературы включает 615 источников (192 отечественных и 423 зарубежных).