Введение к работе
Актуальность темы. Сиговые рыбы (сем. Coregonidae, или подсем. Coregoninae, отр. Salmoniformes, Teleostei) широко распространены в субарктической и бореальной зоне Европы, Азии и Северной Америки и являются важнейшими компонентами экологических систем и ценными объектами местного и промыслового рыболовства. Современные морфо-экологические, генетические, палеонтологические данные позволяют рассматривать сиговых рыб как отдельное семейство, внутри которого большинство исследователей выделяют три рода Coregonus, Prosopium и Stenodus (Берг, 1948; Решетников, 1980; Решетников и др., 2002; Черешнев и др., 2002; Богуцкая, Насека, 2004). Наибольшее число видов рода собственно сигов Coregonus сосредоточено именно в водоёмах Сибири, а также в прибрежной акватории омывающих ее полярных морей.
Сиговые рыбы обладают высокой морфо-экологической пластичностью и имеют сложную внутривидовую структуру (Решетников, 1980; Bematchez et al., 1991; Bodaly et al.. 1991; Бодали и др., 1994; Reist et al., 1998; Черешнев и др., 2002). Таксономический статус многих аллопатрических и симпатрических форм остается неясным. Кроме того, для представителей рода Coregonus свойственно явление межвидовой естественной гибридизации.
В рамках морфо-экологического подхода не представляется возможности решить спорные вопросы внутривидовой дифференциации, реконструировать филогению и филогеографию сиговых. Развитие исследований в этом направлении стало возможным благодаря использованию генетических маркеров. Изменчивость молекулярно-генетических маркеров не зависит от условий среды обитания и отражает различия в генотипах особей. МтДНК является удобным инструментом для решения филогеографических вопросов, поскольку она обладает высокой скоростью мутирования и имеет клональный характер наследования по материнской линии (Ferris, Berg, 1987; Avise, 1994). Анализ полиморфизма мтДНК позволяет не только дифференцировать таксоны, но и реконструировать возможные эволюционные сценарии. Изоферментные локусы, являющиеся кодоминантными ядерными генными маркерами, зарекомендовали себя как эффективный инструмент для изучения внутри- и межвидовой дифференциации. Совместное применение ядерных и митохондриальных генетических маркеров позволяет получить наиболее полную информацию о состоянии генофондов сиговых рыб и о процессах, протекающих в популяциях.
Сиговые рыбы, обитающие на территории Сибири, в отличие от европейских (Sendek, 2002; 0stbye et al., 2005), генетически изучены слабо. Ранее полученные данные в основном касаются межвидовых отличий представителей рода Coregonus (Ермоленко, 1992; Бодали и др., 1994; Politov et al., 2000, 2002, 2004). В то же время внутривидовая дифференциация сиговых на сибирской части ареала с помощью молекулярно-генетических маркёров изучалась крайне фрагментарно. Имеются сведения о генетических особенностях некоторых видов в локальных водоемах (Ермоленко, 1989, 1991, 1992; Мамонтов, Яхненко, 1987, 1994; Sendek, 2002; Суханова, 1996; Яхненко, Мамонтов, 2006; Sukhanova et al., 2002, 2004; Суханова и др., 2007), однако, широкомасштабный сравнительный анализ между популяциями бассейнов сибирских рек ранее не проводился.
Высокая изменчивость, широкая адаптивная радиация, способность к межвидовой гибридизации (Reist et al., 1992; Медников и др., 2000) позволяет использовать данную группу рыб в качестве модельного объекта для изучения процессов видообразования и расселения (Правдин, 1949; Пирожников и др., 1975; Сычевская, Яковлев, 1976; Шапошникова, 1976, 1977; Сычевская, 1988; Politov et al., 1999, 2002, 2004; Фролов, 2000). Понимание генетических процессов в популяциях позволит наиболее оптимально использовать ресурсы этих ценнейших рыб.
В свете изложенного целью исследования было: изучение внутривидовой генетической дифференциации сиговых рыб Сибири и уточнение их филогенетических связей.
В соответствии с заявленной целью работы были поставлены следующие задачи:
Разработать систему молекулярных маркеров для филогеографических и популяционно-генетических исследований сигов Сибири.
Исследовать внутривидовую генетическую дифференциацию сигов рода Coregonus рек Сибири по ядерным и митохондриальным локусам.
С использованием молекулярно-генетических маркеров уточнить филогенетические взаимоотношения представителей сиговых рыб Сибири
Оценить роль межвидовой гибридизации в видообразовании и адаптации у сиговых рыб
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые был проведён сравнительный анализ популяций сиговых рыб, обитающих в бассейнах ряда сибирских рек с использованием полиморфизма мтДНК и изоферментных локусов. Уточнено филогенетическое положение ряда представителей рода Coregonus, как пыжьян С. pidschian, чир С. nasus, муксун С. muksun. Выявлено генетическое сходство симпатричных видов С. pidschian, С. muksun. Использованные маркеры не подтверждают монофилию муксуна. Получены данные, свидетельствующие о гибридном происхождении С. muksun. Обнаружено существование отдельной, дифференцированной от ледовитоморской, южно-сибирской линии в эволюции «настоящих» сигов (С. lavaretus/C. pidschian complex) Сибири, в наиболее чистом виде сохранившейся в верхней Оби. Выдвинута гипотеза о том, что Енисей выступает в качестве главного пути обмена генами между южным и северным генными пулами сигов. В пределах бассейна Енисея концентрация специфических аллелей, маркирующих южно-сибирский генный пул, уменьшается от верхнего к нижнему течению Енисея. Впервые с помощью анализа мтДНК и аллозимного анализа было показано генетическое своеобразие популяций чира С. nasus Западной Сибири и Северо-Востока России. Работа послужит основой для дальнейших исследований в области внутривидовой дифференциации, филогеографии и филогении сиговых рыб.
Практическая значимость работы. Пополнена коллекция образцов тканей представителей рода Coregonus: «настоящих» сигов (С. pidschian complex), чира, муксуна. Создана база генетических данных исследованных видов, включающая гаплотипы мтДНК и аллельные частоты по 31 изоферментному локусу в 43 популяциях. Результаты представленной работы могут применяться для идентификации видов и локальных популяций сигов p. Coregonus. Полученные данные о внутривидовой структуре и межвидовых отличиях могут быть использованы для разработки научно обоснованных мер сохранения генофондов сиговых и для мониторинга рыбных ресурсов Сибири. Положения, выносимые на защиту.
-
Комплексный подход с использованием ядерных (изоферментных) и нерекомбинирующих клонально наследуемых мтДНК маркеров представляется наиболее перспективным в изучении популяционно-генетической структуры сигов p. Coregonus.
-
Генетическая близость муксуна С. muksun с симпатричными пыжьяновидными сигами С. pidschian complex указывает на существование общей пыжьяновидной предковой формы. Монофилетичность муксуна не подтверждается молекулярными данными.
-
Существует отдельная, дифференцированная от ледовитоморской, южно-сибирская линия в эволюции пыжьяновидных сигов, в наиболее чистом виде сохранившаяся в верхней Оби.
-
Енисей является главной магистралью для обмена генами между южным и северным генными пулами сигов.
5. Восточносибирские популяции муксуна и чира являются предковыми для данных видов.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены в виде личных устных
докладов автора на российских и международных конференциях: 9-ая Международная
Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пушино,
2005), Научная школа молодых ученых «Актуальные проблемы современной генетики» при
Международной конференции «Генетика в России и мире», посвященной 40-летию
Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН (Москва, 2006), Конференция молодых
учёных «Экология: от Арктики до Антарктики» (Екатеринбург, 2007), X Международный симпозиум «Биология и управление ресурсами сиговых рыб» (Виннипег, Канада, 2008), Всероссийская конференция «Водные и наземные экосистемы: проблемы и перспективы исследований» (Вологда, 2008), Международная конференция «Эволюционная экология рыб - разнообразие, адаптация и видообразование» (Эркнер, Германия, 2009), Седьмое международное научно-производственное совещание «Биология, биотехника разведения и состояние запасов сиговых рыб» (Тюмень, 2010), V Верещагинская Байкальская конференция (Иркутск, 2010). Кроме того, материалы диссертации были представлены на следующих конференциях: IX международный симпозиум «Биология и управление ресурсами сиговых рыб» (Ольштын, Польша, 2005), Научно-практическая конференция «Водлозерские чтения: естественнонаучные и гуманитарные основы природоохранной, научной и просветительской деятельности на охраняемых природных территориях Русского Севера» (Петрозаводск, 2006), XII Европейский ихтиологический конгресс (Дубровник, Хорватия, 2007), Рабочее совещание «Штрих-кодирование видов рыб в России на основе ДНК: интеграция в глобальную программу F1SH-BOL» (Владивосток, 2007), Международная конференция «Современное состояние водных биоресурсов» (Новосибирск, 2008), Международная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения B.C. Кирпичникова «Генетика, селекция, гибридизация, племенное дело и воспроизводство рыб» (Санкт-Петербург, 2008), Вторая Московская международная конференция «Молекулярная филогенетика MolPhy-2» (Москва, 2010).
Декларация личного участия автора. В диссертационной работе использованы экспериментальные материалы, полученные лично автором, а также совместно с коллегами из лаб. популяционной генетики ИОГен РАН (Д.В. Политов, Н.Ю. Гордон) и Института систематики и экологии животных СО РАН (Н.А. Бочкарё'в, Е.И. Зуйкова). Автор принимал участие в полевых работах по сбору биологического материала, проводил выделение ДНК, полимеразную цепную реакцию (ПЦР), рестрикционный анализ, принимал участие в проведении изоферментного анализа и секвенирования, самостоятельно проводил подготовку баз данных и статистическую обработку результатов экспериментов, принимал участие в обсуждении и оформлял результаты своих исследований в виде статей и докладов на конференциях. Суммарное личное участие автора составило 75%.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 статей, из которых 1 статья в журнале, включенном в перечень научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России (Генетика, 2008) и 12 тезисов, в которых полностью изложен материал диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 157 страницах, иллюстрирована 26 рисунками и содержит 23 таблицы. Список литературы содержит 290 наименований, из них 117 на иностранных языках.
Благодарности. Автор считает приятным долгом выразить признательность своему руководителю Д.В. Политову и ближайшему соратнику - Н.Ю. Гордон за всестороннюю помощь в работе и обсуждении диссертации. Автор благодарит за помощь в сборе материала участников международной экспедиции «Экология тундры-1994» и Д.Р. Балданову, СВ. Носкова, Н.Д. Карташева, а также за предоставленный материал: А.Г. Бубличенко, О.А. Исаеву, А. М. Мамонтова, А.Н. Матвеева, Д.С. Сендека, Н. М. Соломонова, Л.В. Суханову, И.А. Черешнева, А.В. Шестакова. Отдельное спасибо за помощь в сборе материала и ценную методическую помощь в проведении экспериментов по секвенированию Н.А. Бочкареву и Е.И. Зуйковой. Автор выражает благодарность Ю.С. Белоконю за помощь в обработке результатов, Е.А. Салменковой и М.М. Белоконь за искренние наставления и ценные советы, а также всем сотрудникам лаборатории популяционной генетики ИОГен РАН за поддержку и творческую благожелательную атмосферу в коллективе. Особую признательность автор выражает своему первому руководителю Н. Л. Болотовой за помощь в выборе научного пути.
Похожие диссертации на Внутривидовая генетическая дифференциация и филогеография сигов (P. Coregonus) Сибири
