Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 – Обзор литературы по теме
1.1 Систематическое положение и биология атлантической трески, влияние факторов среды на основные этапы ее жизненного цикла 11
1.2 Обзор результатов изучения внутривидовой структуры трески 25
1.3 Характеристика используемых генетических маркеров .33
Глава 2 – Материалы и методы исследования
2.1 Характеристика материала .36
2.2 Методы
2.2.1 Выделение ДНК 42
2.2.2 Секвенирование мтДНК .43
2.2.3 Анализ микросателлитных локусов 45
2.2.4 Анализ полиморфизма локуса пантофизина (Pan I) .46
2.2.5 Методы статистического анализа 47
Результаты и обсуждение
Глава 3 – Полиморфизм локуса цитохрома b (CytB) мтДНК трески .
3.1 Полиморфизм локуса цитохрома b (CytB) у трески в Баренцевом и Белом морях 51
3.2 Филогенетические связи трески Баренцева и Белого морей 58
Глава 4 – Полиморфизм микросателлитных локусов у трески 62
Глава 5 – Полиморфизм локуса пантофизина (Pan I) у трески 73
5.1 Разработка праймеров для аллель-специфичной ПЦР 73
5.2 Пространственное распределение трески с различной частотой аллелей и генотипов 73
5.3 Распределение трески с различным генотипом по сезонам года 78
5.4 Распределение трески с различными генотипами по локусу Pan I в зависимости от условий обитания в Баренцевом море 84
5.5 Частота аллелей локуса Pan I у трески разного возраста 88
5.6 Сопоставление генотипа трески по локусу Pan I с типом ее отолитов 90
Глава 6 Обсуждение результатов 94
Заключение 104
Выводы 106
Список использованной литературы
- Обзор результатов изучения внутривидовой структуры трески
- Секвенирование мтДНК
- Филогенетические связи трески Баренцева и Белого морей
- Распределение трески с различными генотипами по локусу Pan I в зависимости от условий обитания в Баренцевом море
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Исследования популяционной структуры океанических видов рыб представляет интерес в связи с тем, что наряду с высоким внутривидовым полиморфизмом им нередко свойственна нечетко выраженная популяционная подразделенность. По совокупности морфологических признаков и ряда других критериев исследователи зачастую выделяют отдельные группировки рыб, генетическая обособленность которых не очевидна.
Атлантическая треска (Gadus morhua L.) образует большое количество форм на видовом, подвидовом и популяционном уровнях. Крупнейшей единицей является популяция северо-восточной арктической трески – объект промысла в Баренцевом, Норвежском и Гренландском морях, важный элемент продовольственной безопасности России и ключевой компонент экосистемы этих морей.
Результаты исследований внутривидовой структуры северо-восточной арктической трески очень обширны. В ряде работ показано, что треска характеризуется однородностью по морфологическим, паразитологическим и другим критериям (Карасев, 1998; Борисов и др., 1999). В других работах отмечается подразделенность особей на обособленные группировки, выделяемые по размерам рыбы, форме отолитов, протяженности миграций и срокам наступления по-ловозрелости (Глебов, 1963; Lken et al., 1994). Примерами таких группировок может служить треска, обитающая в губе Ура (жилая форма, называемая «ту-рянка») на побережье Кольского полуострова, а также во фьордах Норвегии, где она обитает и вылавливается круглогодично.
В течение длительного периода предпринимаются попытки выработать критерии для подтверждения разделения группировок трески открытой части моря и фьордов (Hylen, 1962, 1964; God, 1986; Pogson et al, 1995). По аналогии с норвежской прибрежной треской в районах Баренцева моря около побережья Кольского полуострова выделяют популяцию «мурманской» трески (Манкевич, 1960). На вылов особей, обитающих в прибрежных водах, ежегодная квота составляет 21 тыс. т из общего допустимого улова. Вместе с тем, выделение прибрежных популяций трески обосновано недостаточно, поскольку репродуктивная обособленность этих группировок не подтверждена, а используемые для разделения критерии допускают двоякое толкование результатов.
В последние десятилетия в исследованиях атлантической трески стали активно использоваться генетические методы, поскольку согласно современным представлениям генетическая изменчивость является одним из важнейших факторов, определяющих скорость и направление эволюции видов и популяций. Однако изучение внутривидовой структуры трески Баренцева моря с применением методов анализа полиморфизма ДНК-локусов велось фрагментарно и потому не давало общего представления о генетической структуре популяции и путях ее происхождения.
Наиболее часто для разделения океанической и прибрежной трески исследователи применяют ядерные маркеры: микросателлитные локусы и ген панто-
физина (Pan I), которые дифференцируют популяции атлантической трески на небольших географических расстояниях (Pogson et al., 1995; Fevolden, Pogson, 1997; Delghandi et al., 2003). Именно этот тип генетических маркеров использован в работе.
Проведенный сравнительный анализ трески, выловленной в глубоких губах на побережье Кольского полуострова Ура и Ивановская с треской, выловленной в открытом море, позволил уточнить популяционный статус прибрежной трески и предложить механизм образования жилых форм.
Подвид атлантической трески в Белом море (Gadus morhua marisalbi Der-
jugin 1920) имеет меньшее промысловое значение, но представляет научный ин
терес в качестве объекта изучения адаптаций организмов к обитанию в услови
ях отрицательных температур, таксономического и филогеографического ста
тусов в популяционной структуре атлантической трески и путей ее расселения.
В настоящее время в международной базе данных FishBase
() и классификации ФАО (Cohen et al., 1990) треску Белого моря относят к виду Gadus ogac. На основании сравнительного анализа последовательностей полной митохондриальной ДНК была показана близость тихоокеанской и гренландской трески (Coulson et al., 2006), и обосновано отнесение последней к роду G. macrocephalus в статусе подвида (G. macrocephalus ogac), однако таксономическое положение беломорской трески в данной работе не рассматривалось. Близость гренландской и тихоокеанской трески также была подтверждена как на основании морфологического анализа (Евсеенко и др., 2006), так и по изменчивости микросателлитных и аллозимных локусов (Строганов и др., 2011; Строганов, 2014). В то же время в последней версии электронного каталога рыб Калифорнийской академии наук беломорская треска рассматривается как подвид атлантической трески Gadus morhua marisalbi (Eschmeyer, Fricke, 2015).
В представленной работе исследован полиморфизм последовательности фрагмента гена цитохрома b (CytB) мтДНК у баренцевоморской трески из ряда промысловых районов и прибрежных губ, а также у беломорской трески, для которой были уточнены таксономический и филогеографический статусы.
Применение современных генетических методов для детального исследования популяционной структуры северо-восточной арктической трески является весьма актуальным и востребованным в настоящее время при изучении внутривидовой структуры атлантической трески, разработке мер по организации рационального промысла в Баренцевом и смежных морях, а также при развитии региональной марикультуры.
Цель и задачи исследования. Цель работы – исследование внутривидовой изменчивости атлантической трески (Gadus morhua L.) в северо-восточной части ее ареала с использованием митохондриальных и ядерных ДНК-маркеров.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. изучить вариабельность митохондриального гена цитохрома b (CytB) у трески Баренцева и Белого морей и выявить филогеографические связи атлантической трески из различных частей ареала;
-
провести сравнительную оценку генетического разнообразия трески в районах нагула по селективно-нейтральным ядерным микросателлитным локусам;
-
оценить адаптивные свойства локуса пантофизина (Pan I) в зависимости от сезона, глубины вылова, придонной температуры воды на разных стадиях жизненного цикла северо-восточной арктической трески;
-
изучить генетический полиморфизм трески, обитающей в губах побережья Кольского полуострова (Ура и Ивановская);
-
уточнить таксономический и филогенетический статус и степень обособленности трески Белого моря по полиморфизму ДНК-маркеров;
-
дать характеристику генетической изменчивости и подразделенности трески Баренцева моря из промысловых районов открытой части моря и прибрежных вод.
Научная новизна исследования. Впервые проведено комплексное исследование трески Баренцева моря и смежных вод с использованием современных генетических методов – анализа полиморфизма митохондриальной и ядерной ДНК. Изучены филогеографические связи атлантической трески на северо-востоке ареала. Охарактеризованы распределение и выживаемость трески с различным генотипом по адаптивному локусу Pan I в зависимости от условий ее обитания. Подтверждено отсутствие популяционной подразделенности северо-восточной арктической трески.
Теоретическая и практическая значимость работы. В результате проведенных исследований расширены представления о внутривидовой структуре трески Баренцева и Белого морей. Полученные результаты могут быть использованы для создания баз данных по генетическим маркерам, идентификации и мониторинга популяционных процессов, а также сохранения генетического разнообразия в условиях активной антропогенной деятельности в морях Арктического региона.
Полученные данные об отсутствии популяционной подразделенности у северо-восточной арктической трески, обитающей в прибрежных водах Кольского полуострова и в открытой части Баренцева моря, могут быть использованы при разработках стратегии управления промысловым запасом. Полученные результаты имеют значение для региональной марикультуры при организации предприятий по воспроизводству и созданию маточных стад трески.
Положения, выносимые на защиту.
1. Атлантическая треска в Баренцевом море и прилегающих районах Нор
вежского и Гренландского морей является генетически единой популяцией, но
может образовывать частично изолированные жилые формы, обитающие в гу
бах на побережье, генетически отличающиеся как от основной популяции, так и
между собой.
2. На распределение трески по локусу пантофизина оказывает влияние
направленный отбор в период оседания молоди в зависимости от глубины в
районе оседания.
3. Треска Белого моря является подвидом атлантической трески, генетиче
ски изолированным от трески Баренцева моря.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в сборе материалов, проведении лабораторных исследований, статистической обработке и анализе результатов. Диссертация написана автором лично с использованием результатов, полученных в совместных экспериментах с сотрудниками лаборатории молекулярной генетики ФГБНУ «ВНИРО». Процент личного участия в экспериментальных исследованиях составил не менее 90%.
Степень достоверности результатов определяется применением современного сертифицированного аналитического оборудования, а также стандартных статистических методов обработки данных.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях: Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 125-летию со дня рождения И.И. Месяце-ва (Мурманск, 2010); II научно-практическая конференция молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рыбохозяйственного комплекса» (Москва, 2011); Международная научно-техническая конференция «Наука и образование – 2012» (Мурманск, 2012); Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов с международным участием, посвященная 90-летию со дня постройки первого научно-исследовательского судна ПИНРО "Персей" (Мурманск, 2012); Третья научно-практическая конференция молодых ученых ФГУП "ВНИРО" «Современные проблемы и перспективы рыбохозяйственного комплекса» (Москва, 2012); Ежегодная научная конференция ИКЕС (Берген, 2012); XXIX Международная конференция «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера» (Мурманск, 2013), XXXI конференция молодых ученых Мурманского морского биологического института, посвященная 135-летию со дня рождения К.М. Дерюгина "Океанография и биология арктических морей" (Мурманск, 2013). и 1-я Международная конференция молодых ученых «Проблемы и перспективы развития рыбохозяй-ственного комплекса на современном этапе» (Мурманск, 2014).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 2 статьи в журналах, соответствующих перечню ВАК, 9 тезисов докладов и материалов конференций.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 125 страницах, содержит 19 рисунков, 21 таблицу и состоит из следующих разделов: введение, обзор литературы, материалы и методы, результаты, обсуждение, выводы и список литературы. Библиография включает 180 источников, в том числе 81 – на иностранных языках.
Благодарность. Особая признательность научному руководителю, Зелениной Д.А., за всестороннюю помощь и советы на всех этапах работы. Автор выражает большую благодарность всем коллегам из ФГБНУ «ПИНРО», принимавших участие в сборах и первичной обработке биологических материалов в ходе тралово-акустических съемках, проводимых ФГБНУ «ПИНРО», и в промысловых экспедициях. Особая признательность ведущему сотруднику лаборатории донных рыб Северо-Европейского бассейна д.б.н. Ярагиной Н.А. за тщательный разбор работы при рецензировании, а также заведующей лаборато-
рии болезней промысловых гидробионтов к.б.н. Карасевой Т.А. за помощь и рекомендации в ходе проведения исследования. Автор признателен заведующему лаборатории к.б.н. Мюге Н.С. за ценные консультации при анализе результатов, старшему научному сотруднику Волкову А.А. за помощь в освоении методик и всему коллективу лаборатории Молекулярной генетики ФГБНУ «ВНИРО» за помощь при выполнении работы.
Обзор результатов изучения внутривидовой структуры трески
Динамика роста трески в возрасте до 3-х лет в губах характеризуется высокой интенсивностью в летне-осенний период и замедлением в январе-апреле под влиянием сезонного снижения температуры воды и биомассы планктона. В годовом ходе питания трески ведущая роль принадлежит зимне-весеннему откорму мойвой, который бывает наиболее интенсивным в прибрежных мелководных районах. В целом, у молоди трески в фиордах и губах спектр питания с возрастом резко уменьшается [Треска Баренцева моря…, 2003].
По достижении половозрелости прибрежная треска в основном выходит из губ для нереста у Лофотенских островов. В губах Баренцева моря известные районы нереста ограничиваются прибрежной мелководной зоной, лежащей за пределами влияния потоков Прибрежного течения. В 20-30-е годы XX века треска нерестилась преимущественно в губах кутовой части Мотовского залива на глубинах 30-100 м, и с меньшей интенсивностью – в восточных губах (Териберка, Ярнышная, Рында) [Мельянцев, Мухина, 1994; Танасийчук, 1932 б]. Считалось, что в нерестовый период треска практически не питается, поэтому ее тяжело выловить традиционными орудиями лова с наживкой. При этом сетями из воды вылавливалось большое количество икры [Марти, 1939].
Во второй половине XX века нерест трески отмечался в губах Мотовского залива над глубинами 25-75 м при температуре воды у дна 0-2 С и солености 34,4-35,0. В срединной части залива, где глубина более 200 м, икринки встречались единично. Нерест начинался в марте, а заканчивался в основном в июне. Пик нереста наступал в апреле, когда температура воды в поверхностном слое колебалась от 0,1 до 1,6 С, у дна – от 0,2 до 2,5 С. При таких температурных условиях на развитие икры от оплодотворения до выклева эмбриона требуется 32-36 дней, поэтому личинки в основном вылавливались в мае [Берестовский, 2009; Филина, Тростянский, 2007].
Жесткие природно-климатические условия Восточного Мурмана оказывают лимитирующее влияние на процессы размножения трески, а потому нерест здесь отмечен в апреле, в береговой полосе [Марти, 1939]. Наблюдения за нерестом трески в условиях бассейнового содержания на Восточном Мурмане показали, что некоторые особи приступают к размножению в феврале. Продолжительность нерестового периода варьирует и составляет от 25 до 60 дней. При этом было отмечено до 6 икрометаний за сезон [Журавлева, 2004]. Из этого следует, что, хотя большая часть особей мигрирует на нерест в Норвежское море, у побережья Кольского полуострова в Баренцевом море также существуют условия для размножения и оседлой жизни особей трески.
Таким образом, описание трески Баренцева моря отражает разнообразие биологических характеристик особей и сложность миграционного поведения. Эти параметры меняются в зависимости от этапа жизненного цикла трески и условий среды. Обширный ареал, подразделенный на функциональные части, а также многочисленность северо-восточной арктической трески и ее пластичность к обитанию в разнообразных условиях делают изучение внутривидовой структуры более интересным. Поэтому исследования популяции трески Баренцева моря с использованием различных методов длится уже не одно десятилетие, но многие вопросы остаются до сих пор неясными.
Белое море является внутренним морем, глубоко вдающимся между полуостровами Кольский и Канин (см. рис. 1). Средняя глубина моря 67 м, максимальная - 340 м. Берега Белого моря высокие, скалистые, сильно изрезанные, с крупными заливами. Северную часть моря называют Воронкой, среднюю – Бассейном, а наиболее узкую – Горлом [Зонн, Костяной, 2011; Скибинский, 2003]. Воды Баренцева моря свободно проникают в Бассейн и смешиваются с его водами [Елисов, Балыкова, 1995].
Подвид беломорской трески значительно отличается от баренцевоморской трески большей шириной лба, меньшим количеством лучей в первом спинном плавнике, меньшим количеством жаберных тычинок, отсутствием выемки в хво 24 стовом плавнике, высоким телом и хвостовым стеблем, более крупной головой с нижним положением рта, но менее длинной нижней челюстью (см. рис. 4 В). Эти признаки – следствие менее подвижного образа жизни, придонного и бентосного характера питания, отсутствия значительных миграций. Кроме того, для беломорской трески характерны более медленный темп роста, меньшая величина и более темная окраска тела [Ильин, Певзнер, 1939; Попова, 1968].
Нерест трески Белого моря проходит с начала марта еще при отрицательных температурах, а наиболее интенсивно – с конца апреля по конец мая в губах и небольших заливах Карельского и Терского берегов, в открытых мелководных районах прибрежной зоны Кандалакшского и северной части Онежского заливов, а также отмечен в районе Кузомень у северного побережья Бассейна (см. рис. 5). Считается, что именно нерест беломорской трески при отрицательных температурах воды и обеспечивает ее репродуктивную изоляцию от баренцевоморской [Бу-рыкина, Бурыкин, 2013 б; Строганов, 2014].
Икринки на ранних стадиях развития распределяются в районах нереста, а на поздних – по значительной части моря, что свидетельствует об их выносе с нерестилищ. Развитие икры происходит в толще воды, причем в годы с ранним прогревом вод икринки развиваются к концу мая, а при сохранении ледового покрова, встречаются в пелагиали до середины июня. Икра дрейфует со стоком поверхностных вод и с приливно-отливными течениями. Кроме того, на разнос икринок оказывают влияние постоянные поверхностные течения.
Предличинки и личинки трески концентрируются вблизи мест нереста, в кутовых частях губ, но в целом могут образовывать скопления и в открытых водах, продолжая пассивные миграции икры (см. рис. 5). Предличинки имеют размеры 2,8-5,8 мм, встречаются до середины июня при температуре 0-12 С и солености 20-26. Личинки появляются в конце июня - в июле при температуре от 9 до 15 С и солености 20-26. Оседание пелагической молоди в придонные слои происходит к концу июля при длине 20-35 мм [Бурыкина, Бурыкин, 2013 б].
В период откорма младшие возрастные группы трески держатся на более мелководных участках, ближе к берегу. В это время максимальная биомасса зоо 25 планктона наблюдается в мелководной части Кандалакшского залива, что обеспечивает наилучший откорм занесенных сюда личинок трески. В циклоническом круговороте на выходе из Двинского залива условия откорма также благоприятны, но в этом районе и над центральной частью Бассейна, отсутствуют мелководья, необходимые для оседания молоди [Бурыкина, Бурыкин, 2013 а].
В Белом море треска достигает возраста 11 лет и вырастает до 88 см. В целом, преобладают особи в возрасте 2-4 лет, длиной 20-40 см и массой 120-180 г. Это самый короткоцикловый подвид атлантической трески. Половозрелой треска становится в возрасте 3 лет. При средней длине в 37 см среднее количество икринок в ястыке составляет около 220 тыс., т.е. плодовитость беломорской трески примерно в 12 раз меньше атлантической. После нереста линейный рост особей замедляется. Упитанность и жирность старших возрастных групп трески выше, чем у младших, особенно в июне [Каневская, 1968; Попова, 1968].
Питание трески в Белом море с возрастом значительно изменяется. Уже у четырехлеток доля рыбного корма увеличивается, а у старших особей рыбная пища занимает ведущее место. Взрослая треска потребляет навагу, собственную молодь, маслюка [Извекова, 1964; Кудерский, 1966; Каспирович, Попова, 1968].
Таким образом, треска Белого моря, несмотря на географическую близость к треске Баренцева моря, не смешивается с ней и сохраняет свою уникальность. В следующем разделе представлен краткий обзор внутривидовых исследований трески Баренцева и Белого морей.
Секвенирование мтДНК
В целом, в ходе работы проанализировано 1957 экземпляров трески, выловленных в Баренцевом море, 316 особей из прибрежных губ Баренцева моря, 283 особи трески первого года жизни, а также 61 особь беломорской трески. Сотрудниками ВНИРО сбор образцов трески в западной и восточной частях побережья Мурмана проводился в 2008-2009 гг., на Белом море – в 2009 и 2011 гг. Образцы трески, выловленной в губе Ивановская в 2008 г, были собраны сотрудниками Санкт-Петербургского государственного университета. Пробы трески, собранные в 2011-2012 гг. в губе Ура и в Мотовском заливе, в ряде исследований рассматриваются в качестве отдельных выборок, а в других – объединяются с выборкой Западного побережья Мурмана. Жилая форма трески с бурой окраской («турянка»), собранная в 2012 г, рассматривается отдельной выборкой.
Выделение тотальной ДНК в лабораторных условиях из ткани плавника трески проводилось следующими методами: 1. фенольно-хлороформной экстракции с последующим осаждением этанолом [Маниатис и др., 1984]; 2. солевой экстракции [Aljanabi, Martinez, 1997]; 3. с помощью набора для выделения ДНК «WizardSV 96 Genomic DNA Purification System» («Promega», США), согласно протоколу фирмы-изготовителя. 4. на абсорбционных колонках (PALL, США) [Ivanova et al., 2007]. Концентрацию и степень очистки выделенной ДНК определяли на планшетном спектрофотометре SPECTRAmaxPLUS384 («Molecular Devices», США), результаты измерений вычисляли с помощью программы SOFTmaxPRO («Molecular Devices», США). Амплификация ДНК-локусов проводилась на амплификаторе «MJresearch PTC-225 Thermocycler» с использованием видоспецифических праймеров.
Определена нуклеотидная последовательность фрагмента гена цитохрома b (CytB) длиной 970 нуклеотидов и исследован ее полиморфизм у 173 особей трески из разных частей исследованной акватории. Исследуемый фрагмент соответствует положению 14440-15369 п.н. полного генома мтДНК атлантической трески (GenBank, # X99772) (позициям 57-1026 п.н. гена CytB). Последовательности универсальных праймеров для рыб семейства Gadidae, разработанных в лаборатории молекулярной генетики ВНИРО, приведены в таблице 3.
Секвенирование проводилось на «ABI Prism 3130xl» (“Life Technologies”, США) с тех же праймеров в обоих направлениях с набором для секвенирования BigDye vl.l («Applied Biosystems», США). Последующая обработка хромато-грамм и множественное выравнивание последовательностей проводилось в пакете программ «Geneious 6.0.5» [Geneious Basic, 2012]. Для анализа и представления филогенетических отношений между гаплотипами использовался метод максимальной экономии (Templeton et al, 1992), реализованный в программе TCS (Clement et al., 2000). Генетический полиморфизм, уровень дифференциации выборок (с использованием точного критерия Фишера) и распределение попарных расстояний между гаплотипами оценивали в программе «Arlequin v.3.5.1.3» [Ех-coffier, Lischer, 2010]. Филогенетическое дерево построено в «Geneous 6.0.5» на основании алгоритма максимального правдоподобия [Guindon, Gascuel, 2003].
В работе нами исследован полиморфизм восьми микросателлитных локу-сов, описанных для атлантической трески, у 960 особей [Characterization of 18 new…, 2008].
Для проведения анализа концентрация ДНК выравнивалась до 50 нг/мкл с целью предотвращения перегруза по матрице. Для микросателлитного анализа синтезированы и апробированы 8 пар праймеров, один из них в каждой паре был модифицирован флуоресцентным красителем FAM, R6G, TAMRA (табл. 4).
Разделение продуктов амплификации микросателлитных локусов осуществляли с использованием системы для капиллярного электрофореза «ABI Prism 3130xl» (“Life Technologies”, США). Перед электрокинетической инжекцией ПЦР-продуктов к каждому образцу добавляли HiDi-формамид в расчете 15 мкл на 5 мкл продукта и денатурировали при t = 95 С в течение 3 минут. В качестве внутреннего стандарта длин фрагментов ДНК использовали маркер молекулярной массы (ДНК-ладдер), модифицированный флуоресцентным красителем ROX.
Определение длин аллелей (генотипирование образцов) осуществлялось с применением программного обеспечения «Gene Marker Software» («Soft Genetics», США), статистический анализ проводился в программе «GenAlEx 6» [Peakall, 2006].
Филогенетические связи трески Баренцева и Белого морей
В работе мы провели сравнение последовательности гена цитохрома b (CytB) у особей трески из Белого и Баренцева морей (наши данные) с последовательностями того же участка мтДНК у трески из Северной Атлантики из районов Норд-Кап, банка Гамильтон (Южный Лабрадор, Канада), Флемиш-Кап и Тромсё (Норвегия), гренландской и тихоокеанской трески (данные международной базы GenВank) для выявления филогенетических связей и возможных путей происхождения трески Баренцева и Белого морей. Общее количество проанализированных рыб составило 214 особей.
Построенная сеть гаплотипов указывает на высокий внутривидовой полиморфизм атлантической трески. Все проанализированные особи имеют общее происхождения от предка из Северной Атлантики, от которого путем мутаций шло образование новых гаплотипов. Размеры кругов пропорциональны количеству особей с данным гаплотипом, расстояние между гаплотипами указывает на количество отличающих их нуклеотидных замен. Между гаплотипами располагаются теоретически рассчитанные предковые или промежуточные гаплотипы (рис. 10).
Центральным в сети гаплотипов и наиболее массовым является гаплотип NEAC_16, представленный во всех трех группах, что позволяет предположить его предковый статус. Второй по массовости гаплотип, NEAC_07, обнаружен только в выборках северо-восточной арктической и беломорской трески. В каждой из выделенных групп присутствует множество уникальных гаплотипов, а их расположение относительно предкового позволяет выдвинуть предположения, касающиеся филогеографии атлантической трески.
Большинство уникальных гаплотипов в выборке трески из Северо-Западной Атлантики отличается от предкового одной-двумя нуклеотидными заменами, что свидетельствует в пользу более позднего распространения атлантической трески на северо-запад современного ареала. Данная гипотеза подтверждается и наиболее низким значением гаплотипического разнообразия (h) в этой выборке трески (см. табл. 7).
Наибольший уровень гаплотипического разнообразия выявлен в популяции северо-восточной арктической трески, в которой редкие и уникальные гаплотипы характеризуются увеличенным средним количеством замен, что в совокупности указывает на больший возраст популяции в северо-восточной части ареала и на предковое положение данной популяции по отношению к другим (см. рис. 10).
Треска из Баренцева и Белого морей характеризуются значительно большим числом нуклеотидных замен между гаплотипами, чем особи трески из СевероЗападной Атлантики. Так, для большинства сравниваемых пар гаплотипов у трески из Северо-Западной Атлантики количество нуклеотидных замен составляет 1-3, в то время как для трески Баренцева моря 3-6. Это также указывает, что треска в северо-восточной части ареала имеет более древнее происхождение по сравнению треской из северо-западной части (рис. 11) Рисунок 11 – Попарное сравнение различных гаплотипов трески по количеству нуклеотидных различий между ними (наши данные)
У трески из Белого моря обнаружено значительное количество гаплотипов, не представленных в других районах, при этом некоторые из них были встречены у нескольких особей. Большинство «беломорских» гаплотипов располагаются на периферии сети, что указывает на их относительно недавнее происхождение от более старшей популяции северо-восточной арктической трески. Это подтверждает гипотезу о существовании в Белом море изолированной группировки атлантической трески, образовавшейся в результате вселения рыб из Баренцева моря.
С целью дополнительного уточнения таксономического статуса беломорской трески был проведен сравнительный анализ нуклеотидных последовательностей CytB особей атлантической трески из Баренцева и Белого морей с систематически близкими видами семейства тресковых, ранее использованных в филогенетическом анализе данного семейства [Coulson et al., 2006].
На дендрограмме генетического сходства представителей семейства Gadidae (рис. 12) присутствуют три обособленных клады с высоким уровнем бутстреп-поддержки: атлантической трески (Gadus morhua), минтая (Theragra chalcogram-ma) и тихоокеанской трески (G. macrochephalus), в состав которого входит гренландская треска (G. ogac). Треска Белого моря (G. morhua marisalbi) относится к кладе атлантической трески и не образует обособленного кластера внутри нее, в то время как гренландская треска формирует изолированный кластер в составе клады тихоокеанской трески. Полученные данные однозначно указывают на ошибочность отнесения беломорской трески к виду G. оgac. (рис. 12).
Распределение трески с различными генотипами по локусу Pan I в зависимости от условий обитания в Баренцевом море
Тенденция к увеличению частоты аллеля Pan IА у трески с севера на юг и с запада на восток отмечена нами во все сезоны 2009-2012 гг. (рис. 15, см. табл. 16).
Результаты исследований показали, что в ноябре-декабре в Северозападных районах Баренцева моря, преобладала треска с низкой частотой аллеля Pan IА: от 0,01 на Возвышенности Персея до 0,08 – на Центральной возвышенности. Частота этого аллеля у рыб увеличивалась в Центральных районах (до 0,11 в районе Северного склона Гусиной банки) и в Западных - до 0,12, а у Побережья Норвегии в разные годы изменялась от 0,14 до 0,22, в Прибрежных – от 0,15 до 0,34 и в Восточных 0,26-0,47.
В феврале-апреле в Прибрежных районах сохранялась частота аллеля Pan IА на уровне 0,18-0,32, а у побережья Норвегии отмечено ее уменьшение до 0,10. В районе Копытова в скоплении преднерестовой трески в одной выборке частота аллеля Pan IА составила 0,15, и отмечено присутствие трех гомозиготных по этому аллелю особей. В другой пробе трески из этого же района частота аллеля составила 0,03. По нашему мнению, это связано с разновременным подходом рыб с различными генотипами по исследованному локусу из разных районов нагула в Баренцевом море к нерестилищам у побережья Норвегии.
В августе-сентябре треска широко распределяется по акватории моря вслед за кормовыми объектами и проходит далеко на северо-восток. Частота аллеля Pan IA в северо-западном и северо-восточных районах моря составила 0,03-0,08. На юго-востоке моря – 0,25 в Вайгачском районе и 0,31 в районе Южного склона Но-воземельского мелководья. В Западном Прибрежном районе частота аллеля Pan IА оставалась на уровне 0,21.
В водах Мотовского залива треска вылавливалась с мая по октябрь, и частота аллелей за этот период изменялась незначительно. Так, в губе Ура в мае частота аллеля Pan IА достигала 0,71-0,79, в июле-августе – 0,67, а в сентябре – 0,62. В Мотовском заливе в мае частота аллеля Pan IА составила 0,68, в июле-августе снизилась до 0,50, а к сентябрю до 0,44. Особи трески с окраской «турянка» имели частоту аллеля Pan IА 0,65.
В Варангер-фьорде, расположенном в западной части побережья Кольского полуострова, частота аллеля Pan IА в июне-августе составила 0,48. В других исследованных губах Западного побережья Мурмана частота этого аллеля составляла 0,50.
В губах Восточного побережья Мурмана частота аллеля Pan IА в июне-августе сохраняла высокие значения (в среднем 0,50), а в губе Ивановка была отмечена фиксация этого аллеля.
Статистическая обработка результатов по каждой выборке трески приведена в табл. 17. В целом, у северо-восточной арктической трески наблюдаемая гете-розиготность соответствовала ожидаемой, равновесие Харди-Вайнберга соблюдалось в большинстве выборок, о чем свидетельствуют значения индекса фиксации. Некоторое отклонение частот от равновесного наблюдается у трески из юго-восточных районов моря и здесь же отмечены наиболее статистически значимые различия.
Хотя районы нагула трески тесно связаны с распределением кормовых объектов, а также с температурными условиями в конкретном году, межгодовая стабильность частот аллелей является косвенным подтверждением активных миграций трески к местам с подходящими для нее условиями обитания, т.е. с адаптивным характером распределения трески по локусу Pan I.
Продолжение рисунка 15 – Частота аллелей локуса Pan I у трески в различные сезоны 2009-2012 гг. по промысловым районам Баренцева моря (наши данные) Таблица 17 – Генетические характеристики трески из районов исследования: объем выборки (N), частота аллелей Pan I, ожидаемая (He) и наблюдаемая (Ho) гете-розиготность, индекс фиксации (F), результаты теста на соответствие равновесию
Изменение у трески частоты аллеля Pan IА с севера на юг и с запада на восток в целом повторяет распространение прибрежных, атлантических и баренце-воморских водных масс по акватории Баренцева моря (рис. 17). Высокая частота аллеля Pan IА приурочена к атлантическим водным массам, которые имеют сравнительно высокие температуру и соленость и распределены вдоль побережья Кольского п-ова на небольших глубинах.
Частота аллеля Pan IВ увеличивается в типично баренцевоморских водах в глубоководных районах моря. Кроме того, распределение трески различного возраста по акватории моря показывает, что высокая частота аллеля Pan IА сохраняется у рыб в возрасте до 4 лет в районах распределения атлантических и прибрежных водных масс. Именно эти водные массы считаются наиболее благоприятными для роста молоди трески в первые годы жизни [Треска Баренцева моря…., 2003; Океанографические условия…, 1999].
Треска, проанализированная нами, вылавливалась в водах с температурами от минус 0,7 до 7,5 С, на глубинах от 70 до 450 м. Для особей с различными генотипами по локусу Pan I были рассчитаны средние значения глубины обитания и придонной температуры воды. Значения придонной температуры воды для трески с различным генотипом, были близки и составили 3,14-3,25 С (табл. 18).
Особи, гомозиготные по аллелю Pan IА, встречались преимущественно в мелководных районах моря, средняя глубина их вылова составила 125 м. Особи гетерозиготные по локусу также встречались на сравнительно небольших глубинах (средняя – 166 м), а особи с генотипом Pan IВIВ предпочитали большие глубины, в среднем 240 м.