Введение к работе
Актуальность проблемы. онтогенетические исследования рыб -перспективное и быстро развивающееся направление, которое изучает глубинные биологические процессы, происходящие в одном из вахнек-вих звеньев водных экосистем, раскрывает их регуляторные механиз-, ми. Цель настоящей работы заключалась в анализе эволюционных перестроек кариотипов рыб и изучении функциональных изменений геномов в ходе индивидуального развития. Главные направления эволюции хромосомных наборов определяли на основе обвирного фактического материала, накопленного в кариологии рыб, с помощью специально разработапных подходов. Особенности функционирования геномов в онтогенезе исследовали на примере генов рибосомкой РНК, активность которых оценивали на цитологическом уровне по ядрышковому критерию.
Эволюционные преобразования наследственного аппарата рыб анализировали по изменениям числа и морфологии хромосом. Хромосомы рыб - объект, тиагельно изучаемый на протяжении многих лет. Ой этом свидетельствуют около 1200 первоисточников, опубликованных по цитогенетик? рыб и содержащих сведения о хромосомных наборах приблизительно 2000 видов; наличие серьезных обобщающих работ как отечественных (Васильев, 1985; Кирпичников, 1987), так и зарубежных авторов (Ohno, 1970; Hinegardner, Rosen, 1972; Gold, 1979). Однако целый ряд проблем остается еще не ревенным. Так, до конца не выяснены значение и роль разных типов геномных и хромосомных мутаций в филогенезе рыб; нет единого взгляда на основные пути эволюции кариотипов, темпы их изменения; много споров вызывает вопрос о влиянии хромосомных аберраций на процессы формообразования у рыб и др. Для определения основных закономерностей эволюции кариотипов рыб необходимо обобщить имеющийся фактический материал, создав банк данных по хромосомным наборам около двух тысяч видов, провести его детальный анализ с помощью специально разработанных подходов и
. - 2 - . ' ' . , . ... критериев.
Для изучения особенностей функционирования генома клетки на разных стадиях индивидуального развития использовали количественные характеристики ядрышек (число и размер). Ядрышки представляю! собой комплекс амплифицированных генов рибосомной РНК и их продуктов, изменения их морфологии непосредственно связаны с важнейшими молекулярно-генетическими процессами в клетке и объективна отражают особенности ее метаболизма. В отличие от многочисленных рабої но эволюции кариотипов рыб крайне мало исследований, связанных с изучением ядрыиковых показателей; сведения, приводимые в них отрывочны,' что не позволяет делать каких-либо существенных заключений и обобщений. Детальные исследования, посвященные изменениям ядрыиковых характеристик в онтогенезе, .особенностям связи ядрынковой активности клеток с физиологическим состоянием рыб, тканеспецифич-ности, наследуемости ядрышкового критерия и т.д., у данного класса позвоночных вообще не проводились, вследствие этого многие аспекты рассматриваемой проблемы разрабатывались автором впервые.
Использование морфологических' характеристик ядрынек в качестве биотеста - еце одно перспективное направление исследований. Преимущества ядрышкового критерия заключаются, помьмо технической простота метода, в его высокой чувствительности и экспрессивности, , что обусловлено оценкой воздействий внешних факторов по функциональным, а не структурным изменениям генетического аппарата.
Диссертационная работа выполнялась как часть комплексных исследований отдела экологической физиологии водных животных 'Института гидробиологии НаН УГранин, направленных на изучение Физиологических основ культивирования гидробионтов в регулируемых системах (госбюджетные, темы N2.33.(.2 и N01 ?'
- З -ликвидации последствий Чернобыльской катастрофы), разработку системы биоиндикации и биотестироваиия природных вод (прикладная тема ГКНТ Украины N02.02.01/003-92). Работы по определению основных направлений эволюции кариотипов рнб поддерживаются Госфондом фундаментальных исследований (тема Мб.3/39).
Цель работы. Изучение закономерностей структурных и функциональных изменений геномов рыб в течение их исторического и индивидуального развития.
Основные задачи научного исследования были следующие:
Определить основные направления эы:люции кариотипов рыб;
изучить роль разных типов хромосомных мутаций в эволюция важнейних таксонов рыб;
исследовать взаимосвязь между кариотипической и фенотипи-ческой изменчивостью, оценить роль хромосомных и геномных мутаций в процессах формообразования у рыб;
установить связь изменений морфологических характеристик ядрышек с основными показателями метаболизма в клетках рыб;
определить особенности функциональной активности ядрынек па отдельных этапах онтогенеза (эмбриогенез, ювенилышй период, половозрелое состяяние), проанализировать ядрыиковые характеристики в разных органах и тканях рыб; .
выяснить зависимость массы, тенденций роста у рыб разного возраста от ядрышковой активности их клеток;
исследовать ритмичность ядрыиковых характеристик у взрослых особей на протяжении года, суток, а также в период нересга<
* определить характер наследственной изменчивости ядрняковых показателей у рыб;
- выяснить механизмы регуляции ядрынковой акти~ности в клет
ках с различной структурой ядрышкового аппарата;
- A -
- разработать принципы использования ядрышковых характеристик
в биотестировании.
Теоретическая и практическая ценность результатов работы, их научная новизна. Теоретическую ценность результатов диссертации составляют: наиболее полный банк данных по кариотипическии и ге-ноіїньм характеристикам рыб, предложенные .автором индексы и критерии эволюционной перестройки кариотипов; выводы, касающиеся основных закономерностей эволюции кариотипов рыб, а также особенностей Функционирования генома (на примере ядрывкового критерия) в онтогенезе рыб.
Их научная новизна заключается в следующем:
создан наиболее полный банк данных по хромосомным числам и формулам 1700 видов рыб, по размерам генома приблизительно 500 видов;
для обработки больного объема кариологических данных предложены процентный критерий, индексы эволюционной перестройки ка-
^рпотипов;
доказано, что изменения числа хромосом и количества ДНК у костистих рыб (Teleostei) не носят однонаправленного - в сторону уменьвения или увеличения - характера;
получены новые данные, более полно раскрывающие роль в эволюции важнейжях таксонов рыб разных типов хромосомных мутаций: ро-бертсоновских транслокаций, периценгрических инверсий, авто- и ал-лоцолиплоидии, дупликаций и делеций, элиминаций хромосом;
сравнительный анализ показателей кариотипической изменчивости! с одной стороны, и эволюционного возраста отрядов рыб, а также количества составляющих их видов, родов, семейств - с другой, обнаружил влияние генных, хромосомных и геномных мутаций на >'икроэволюционные и только генных изменений - на макроэволюционные
-..-5-процессы;
- конкретно для класса костных рыб (Cstetchthyes) подтвержде
на взаимосвязь кариотипических изменений а морфологического разно
образия;
..'
показано увеличение темпов хромосомной эволюции у более молодых по палеонтологическому возрасту отрядор костистых рыб;
впервые исследованы закономерности изменения морфологнчес-' ких характеристик ядрывек. на разных этапах онтогенеза рыб;
выявлена тканеспецифичность ядрыпковой активности;
установлена ритмичность ядрынковых показателей у рыб ь течение суток, года, а также нерестового периода;
выяснен характер взаимосвязи ядрышковых характеристик с массой и размерами рыб разного возраста;
доказана наследуемость ядрышковых характеристик;
изучены механизмы изменения числа и размера ядрышек в клетках, различающихся по строению ядрыикового аппарата;
обосновано использование ядрыиковою критерия в качестве высокочувствительного биотеста.
Практическая значимость выполненных исследований эаклкчао-тск в следующем. Выводы но эволюции кариотипов рыб были включены, как составная часть, в курс "Генетика гидробионтов" для студептов биологического факультета Киевского национального университета им. Т.Г.Шевченко. Применение индексов эволюционной перестройки карио-, типов является новым подходом в карьпсистематикс рыб. Банк данных-по хромосомным числам и формулам, оформленный в "Атлас хромосом рыб", предлагается в качестве справочника для специалистов и студентов вузов биологического и рыбоводного профилей.
Тесная взаимосвязь числа, размера ядрышек, процента их гет«-ромгрфиик пар с. осковьам» показателями метаболических процессов з
- 6 — .
клетке позволяет рекомендовать количественные характеристики ядры-аек как цитологический критерий биосинтетической активности клетки. Оценка физиологического состояния организма с помочью ядрыико-вого критерия позволяет выявлять оптимально готовых к воспроизводству самок без повреждения их репродуктивных- и жизненных Оуькций, получать качественное потомство в максимальном количестве (новизна подтверждена авторским свидетельством). Ядрышковые характеристики, обладающие высокой степенью наследуемости, могут использоваться как ценный селекционный признак в рыбоводстве. Ядрыв-ховый критерий является высокочувствительным биотестом для определения пороговых величин антропогенных факторов, влияющих на клетки как 'животных, так и растительных организмов. Например., он фиксирует воздействие иа геном радиации в малых дозах, которые не регистрируются другими цитогенетическими методами. Данный способ и его модификации защищены диуи* патентами. Использование ядрывковых показателей не ограничивается рамками только ихтиологических и гидробиологических исследований, они также успешно могут применяться в радиобиологии, токсикологии, фармакологии к т.д.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались на III и IV Международных конференциях по цито-генетике (Пловдив, Болгария, 198*; Враца, Болгария, 1969); V съезде Всесоюзного общества генетиков и селекционеров (Москва, 1987) V Всесох>эной конференции по раннему онтогенезу рыб (Астрахань 1991); Международной конференции, посвященной методам исследовани и использования гидроэкосистем О'ига, 1991); VI съезде Украинског общества генетиков » селекционеров ( Полтава, 1102).
Все теоретические положения работы, ее практические результа ты опубликованы в ведущих журналах общебиологического и генетичес кого профиля. Всего по теме диссертации опубликовано 43 работы,
- 7 -той числе 2 депонированных монографии, 33 статьи, 5 тезисов докладов, получены авторское свидетельство и два патента.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, методики исследований, II глав с описанием результатов исследований и их обсуждением, заключения и выводов, 26 таблиц, 37 рисунков и списка литературы, включающего 322 первоисточника, из них 171 - иностранных авторов. Работа изложена на 276 страницах маиинописи.