Содержание к диссертации
Введение
1. Экологические и биологические закономерности распространения и динамики численности серебряного карася в понто-каспийском регионе на историческом этапе 20
1.1. Видовая диагностика в роде Carassius 21
1.2. Цитологические особенности размножения Carassius auratus 24
1.3. Генетическая структура популяций С. a. gibelio в пределах бывшего СССР 25
1.4. Азовский бассейн 26
1.4.1. Бассейн р. Кубань и приазовские лиманы 27
1.4.2. Бассейн р. Дон 36
1.5. Черноморский бассейн 50
1.6. Каспийский бассейн 54
2. Материал и методы исследований 60
2.1. Определение размерно-возрастной, половой и генетической структуры популяций серебряного карася Азовского бассейна 60
2.2. Сравнительное определение токсической устойчивости серебряного карася Азовского бассейна 63
2.3. Дифференциальная избирательность самцов С. a. gibelio к самкам бисексуальной и гиногенетической форм при брачном и нерестовом поведении 69
2.3.1. Брачное поведение 70
2.3.2. Стайное брачное и нерестовое поведение 76
2.4. Определение размеров и других характеристик зрелых сперматозоидов и яйцеклеток у диплоидных и триплоидных С. a. gibelio 80
2.4.1. Диплоидные и триплоидные самцы 81
2.4.2. Диплоидные и триплоидные самки 84
2.5. Генетико-биохимическое и иммуногенетическое определение филетических отношений у представителей родов Carassius и Cyprinus 88
3. Цитологические, экологические и этологические механизмы трансформации генетической структуры в популяциях серебряного карася азовского бассейна 96
3.1. Современная половая и генетическая структура в экологически различных азовских популяциях серебряного карася 97
3.2. Особенности гаметогенеза триплоидных и диплоидных самцов С. a. gibelio Азовского бассейна 108
3.3. Миксоплоидный характер гаметогенеза у азовских диплоидных и триплоидных самок С. a. gibelio 119
3.4. Естественный диплоидный гиногенез в популяциях серебряного карася Азовского бассейна 152
3.5. Хромосомная мозаичность в соматических клетках рыб различных геноформ серебряного и золотого карасей 161
3.6. Цитогенетические механизмы появления триплоидных самцов Carassius auratus 183
3.7. Цитогенетические механизмы появления триплоидных и гиногенетических диплоидных самцов в смешанных диплоидно-триплоидных популяциях С. a. gibelio Азовского бассейна 224
3.8. Этолологические закономерности функционирования азовского однополо-двуполого комплекса серебряного карася 236
3.8.1. Экспериментальные и натурные исследования закономерностей репродуктивного поведения в диплоидно-триплоидном комплексе С. a. gibelio Азовского бассейна 238
3.8.2. Эволюция сексуальной мимикрии в азовских локальных однополо- двуполых комплексах серебряного карася и других рыб 260
3.9. Закономерности динамики пространственного распределения разных геноформ в евроазиатских однополо-двуполых комплексах С. a. gibelio 271
3.9.1. Генетико-биохимические механизмы многовидового гиногенеза у Carassius auratus gibelio 283
3.9.2. Современное географическое распределение различных геноформ в однополо-двуполом комплексе С. a. gibelio Азовского бассейна 294
3.10. Модельная оценка современной генетической структуры в популяциях , серебряного карася Азовского бассейна 297
4. Биология и промысел серебряного карася в азовском бассейне на современном этапе 311
4.1. Сравнительные токсикологические исследования 317
4.2. Азово-Кубанский бассейн и приазовские лиманы 326
4.3. Азово-Донской бассейн (нижний участок) , 336
4.4. Цимлянское водохранилище 347
5. Сравнительный анализ ихтиологических и некоторых промысловых характеристик азовских популяций с. a. gibelio из экологически различных водоемов 357
5.1. Речные популяции г 357
5.2. Популяции из пресноводных полуизолятов 359
5.3. Популяции из пресноводных изолятов 363
5.4. Морские популяции 364
Заключение 377
- Генетическая структура популяций С. a. gibelio в пределах бывшего СССР
- Сравнительное определение токсической устойчивости серебряного карася Азовского бассейна
- Особенности гаметогенеза триплоидных и диплоидных самцов С. a. gibelio Азовского бассейна
- Азово-Кубанский бассейн и приазовские лиманы
Введение к работе
Актуальность темы
В биологических ресурсах ихтиофауны серебряный карась Carassius auratus (Cyprinidae), по оценкам различных авторов представленный 6-8 подвидами (Васильев, 1985; Васильева, Васильев, 2000; Murakami et al., 2001), является одним из наиболее распространенных полупресноводных видов рыб Евразии. Основным континентальным подвидом является Carassius auratus gibelio (Bloch, 1783), ареал которого простирается от Китая (Fan, Shen, 1990) до Англии (Кукурадзе, Марияш, 1975; Wheeler, 2000). Данный подвид практически повсеместно обитает в СНГ и странах Центральной Европы.
Помимо распространения в Евразии, интродуцированный в Северную Америку Carassius auratus пока имеет локальный ареал в прудах и озерах канадской провинции Квебек (Richardson, Whoriskey, 1992; Richardson et al., 1995). В одном из прудов численность особей серебряного карася составила 15-17 тыс. экз./га (Richardson et al., 1995).
В США в верховьях р. Миссисипи (штат Иллинойс) также отмечено резкое увеличение численности Carassius auratus (в 31,4 раза) при сравнении интенсивности лова данного вида в периоды 1976-1987 и 1988-1992 гг. (Day et al., 1996).
Carassius auratus был зарегистрирован в Южной Америке в некоторых рыбоводных хозяйствах Бразилии в районе г. Сан-Пауло, куда он попал вместе с посадочным материалом карпа (Cyprinus carpio L.), скорее всего, завезенного из Европы (Alexandrino et al., 1998).
В Австралии серебряный карась был обнаружен в лососевых хозяйствах, куда был завезен с посадочным материалом из Японии в 1974 г. (Whittington, 1988). Дикие популяции серебряного карася (Carassius auratus L.) обитают в пресноводных водоемах Новой Зеландии (Sharpies et al., 1994).
Серебряный карась (С. a. gibelio) считается одним из традиционных объектов промысла на озерно-речных водоемах Белоруссии (Костоусов и др.,
1997; Марзан, 1999), Урала, Сибири (Медведев, 1971; Судаков, 1973; Силин, 1982; Колосов, 1997; Ядренкина, Бабуева, 1997; Вдовченко, 2002; Кириллов 2002), Алтая (Соловов, 1984; Веснина, 1996, 2002; Журавлев, 1990, 1997) и Дальнего Востока (Демина, 1974 а, б, 1977; Сафронов, Чан, 1995; Кучер, Абакумов, 1997; Никифоров и др., 1997; Шаповалов, 2003).
В текущий период С. a. gibelio также является одним из основных промысловых видов в пресноводных, лиманных и морских акваториях Понто-Каспийского региона в пределах СНГ (Матишов и др., 2003).
В Китае, производящем 50-70% мировой пресноводной рыбной продукции (China heads..., 1996; Золотова, 1997, 2001; Мамонтов, 1999; Моисеев, Илясов, 1999; Власов, 2001; Fernando, 2002), серебряный карась является непременным элементом прудовой, озерной, водохранилищнои и рисо-рыбной поликультуры (Xu Yuchang, Guo Yixian, 1992; Fu Yougjin, Lin Jinlu, 1992; Shao Jianjun, 1994; He Yuanchong, Feng Hui, 1996; Liu Yun, 1997; Sharma Khem et al., 1999; Zhang Zhengzhong et al., 1999; Koedprang et al., 2000; Zhu Xiao-ming et al., 2000; Xie et al., 2001 a; Zou et al., 2001; Wang Cuitang et al., 2003; Zhao Hong et al., 2003; Zhou et al, 2003).
Чтобы избежать таксономической путаницы, необходимо принять, что в дальнейшем серебряного карася С. a. gibelio мы будем называть видом, если речь будет идти о его ареале обитания, динамике численности популяций, популяционной структуре, биологических, промысловых характеристиках и как о компоненте биологических ресурсов. В случаях рассмотрения вопросов, касающихся систематики Carassius auratus, цитогенетики, способов размножения различных геноформ однополо-двуполого комплекса С. a. gibelio, он будет указываться как подвид (Матишов и др., 2003).
По способу размножения у подвида Carassius auratus gibelio известны две геноформы — гиногенетическая, практически состоящая из одних самок (Головинская, 1954; Черфас, 1987), и бисексуальная (самки и самцы), причем морфологически самки обеих форм достоверно не различимы (Головинская и др., 1965; Васильева, 1990).
В.П. Васильев (1985) и Н.Б. Черфас (1987) считали, что на востоке ареала обитания в естественно-историческом центре своего происхождения (бассейн р. Амур; Берг, 1909), данный подвид, в основном, был представлен двуполыми диплоидными (2п = 98-100) популяциями, а в европейской части - однополо-женскими триплоидными (Зп = 135-165).
Между крайними частями ареала С. a. gibelio имеется градиент соотношения однополых и бисексуальных популяций. Такое пространственное распределение гиногенетических и двуполых популяций серебряного карася (С. a. gibelio), действительно, наблюдалось до середины XX века (Ромашов, Головинская, 1960; Абраменко, 2001).
Однако, за последние 35-40 лет в европейских популяциях серебряного карася Азово-Черноморского бассейна и, в частности, в Азово-Донском и Азово-Кубанском бассейнах, стало отмечаться устойчивое увеличение доли диплоидных самцов и самок (Иванченко, Баландина, 1987; Абраменко и др., 1989; Абраменко и др., 1997; Абраменко и др., 2004 а).
При определении плоидности особей С. a. gibelio из экологически различных локальных пресноводных и морских популяций Азовского бассейна за период исследований 1989-2002 гг., процент диплоидной бисексуальной геноформы колебался в пределах 78,8-100% от общего количества обследованных выборок независимо от возраста рыб (Абраменко, 1994; Абраменко, Кравченко, 1995; Абраменко и др., 1997; Матишов и др., 2003).
Начиная с 1995 г., в некоторых нижнедонских, а затем в азово-донских и азово-кубанских популяциях Carassius auratus gibelio была идентифицирована новая генетическая форма - триплоидные (Зп = 130-150) самцы (Абраменко и др., 1998 а; Абраменко и др., 2004 а).
Аналогичные изменения половой и генетической структуры популяций серебряного карася еще с середины 60-х годов XX века стали отмечаться в водоемах Черноморского бассейна: низовьях, лиманах и предустьевых пространствах Дуная (Holcik, 1980 а, Ь; Замбриборщ, Хаммуд, 1981; Papadopol,
8 1983; Могильченко, Гончаренко, 1986 а, б), Днестра (Мариц, 1988; Гончаренко, 1990) и Днепра (Артющик, 1973, 1975; Бугай, Коваль, 1976).
Появление диплоидных (2п = 100) самцов С. a. gibelio было отмечено и в среднем течении Дуная в водоемах бывшей Югославии (Fister, 1989). Ранее считалось, что в Дунае обитают только однополые триплоидные (Зп = 150-160) гиногенетические популяции (Fister, Soldatovic, 1989).
Еще в середине XX века отечественными генетиками рыб (Головинская, Ромашов, 1947; Головинская, 1954) впервые был поставлен ряд проблемных вопросов, являющихся актуальными и в настоящее время:
Может ли одна и таже самка С. a. gibelio давать однополое и двуполое потомство? Является ли способность к гиногенезу строго генетически обусловленной или условия среды до известной степени могут контролировать эту способность?
Основную задачу составляет выяснение возможности перехода самок серебряного карася от гиногенетического размножения к бисексуальному и тех условий, при которых может осуществляться такая трансформация.
3. Если существует градиент между двуполыми и однополыми
популяциями С. a. gibelio (с востока на запад СССР), то чрезвычайно важно и
интересно проследить при каких условиях происходит полное замещение,
(то есть, смена доминирования или трансформация генетической структуры),
двуполых линий однополыми и какими факторами регулируются их численные
отношения при совместном существовании в пределах одной популяции.
Хотя в популяциях серебряного карася Азовского бассейна в настоящий период наблюдается противоположный процесс смены ранее доминировавшей однополо-женской триплоидной гиногенетической геноформы С. a. gibelio (Абраменко, 2001) на диплоидную бисексуальную, тем не менее, сущность постановки вопросов о базовых механизмах трансформации генетической структуры в популяциях данного промыслового вида остается той же и требует разностороннего изучения.
По данным цитологических, электрофоретических (Статова, 1965; Kojima et al., 1984; Feng Zhang et al., 1992), молекулярно- биологических (Wang Li et al., 1997; Zhou et al., 2000 a; Zou et al., 2001; Matsuba et al., 2002), эндокринологических (Гомельский, Черфас, 1982; Kobayashi, Nakanishi, 1999) исследований, а также работ с использованием постановок скрещиваний (Murayama et al., 1984; Murayama et al., 1986; Fan, Shen, 1990; Zhou et al., 2000 a) было доказано, что самки триплоидной (Зп = 150) формы серебряного карася (С. a. gibelio и С. a. langsdorfii - японский подвид) могут одновременно размножаться амейотическим гиногенетическим и мейотическим бисексуальным (с рекомбинацией хромосом и наличием редукционных делений) способами.
Такой нечетно-полиплоидный организм должен иметь набор половых хромосом типа XXX или XXY (Zan, 1982). Во второй комбинации мужская Y-хромосома находится в репрессивном состоянии и фенотипически не проявляется при гиногенетическом способе размножения (Абраменко, 2004 а).
Пусковым механизмом трансформации половой и генетической структуры в азовских популяциях серебряного карася явилось антропогенное изменение естественных ритмов функционирования водных экосистем Азовского бассейна (Макаров и др., 1988; Бессонов и др., 1991; Воловик и др., 1992; Абраменко и др., 1997), резко усилившееся с середины XX века. Данный фактор обусловил "переключение" амейотического гиногенетического способа размножения у самок ранее абсолютно доминировавшей в водоемах данного бассейна триплоидной формы С. a. gibelio, на мейотический бисексуальный (Абраменко, 2000 а).
В результате имело место появление с повышенной частотой в гиногенетических потомствах триплоидных самцов С. a. gibelio (Абраменко и др., 1998 а) с набором половых хромосом типа XYY в связи со свободной или слабо ограниченной перекомбинацией половых хромосом в ооцитах триплоидных самок с генотипом XXY на ранних стадиях профазы I мейоза (Миноранский, 1992; Матишов и др., 2003; Абраменко, 2004 а).
Вследствие миксоплоидного характера гаметогенеза, наличие гаплоидных мужских и женских половых клеток, продуцируемых триплоидными самками и самцами (Абраменко и др., 2004 а; Абраменко, 2005 а), могло обеспечить устойчивое появление диплоидной двуполой формы С. a. gibelio, поскольку при резко изменяющихся параметрах водной среды биологически более выгодным становится бисексуальный комбинативный способ размножения (Cuellar, 1977; Абраменко и др., 1997). Результатом эколого-цитогенетических изменений явилась общая трансформация половой и генетической структуры генеральной популяции серебряного карася Азовского бассейна с наблюдаемым в последние 16-20 лет абсолютным доминированием диплоидной геноформы.
Изучение особенностей брачного и нерестового поведения у С. auratus gibelio в экспериментальных и природных условиях показало достоверно различающуюся избирательность диплоидных и триплоидных самцов в период брачного ухаживания и размножения к диплоидным самкам бисексуальной формы по сравнению с триплоидными гиногенетическими (Абраменко, 1997 б, 2005 б). Таким образом, доминирование двуполой геноформы в азовских популяциях серебряного карася предопределяется уже на этапе размножения.
С появлением в азовских популяциях С. a. gibelio большого количества (в среднем 30,8 %) диплоидных самцов, созревающих в естественные для данного подвида сроки, исчезла зависимость, связанная с самцами родственных видов (золотого карася Carassius carassius, сазана Cyprinus carpio carpio, леща Abramis brama, тарани Rutilus rutilus heckeli и других), которые ранее регулировали численность гиногенетической формы серебряного карася при её размножении (Суховерхов, 1950; Иванова, 1955; Сыроватский, 1955; Щетинина, 1956).
Кроме трансформации генетической структуры у нижнедонского С. а. gibelio стали наблюдаться продолжительные по расстоянию и времени речные анадромные нерестовые и катадромные нагульные миграции в Таганрогском заливе Азовского моря (Иванченко, Баландина, 1987; Абраменко и др., 1997).
Указанные изменения биологии данного вида явились решающими факторами значительного роста численности и биомассы серебряного карася с образованием новых речных и дельтовых популяций, в том числе, на рыбохозяйственных водоемах пресноводной части Азовского бассейна (Абраменко, 1998 а, б; Абраменко, Кравченко, 1999).
Повышенная неспецифическая резистентность С. a gibelio к дефициту кислорода (Берг, 1949 а; Черфас, 1956; Горюнова, 1962; Бельченко, Кель, 1991) и к поллютантам антропогенного происхождения (Абраменко и др., 1998 б) также способствовала освоению этим подвидом новых различных биотопов и экологических ниш. Например, в рукаве дельты Дона - Мёртвом Донце, куда попадает основная часть городских стоков Ростова-на-Дону и в котором ценные виды рыб уже не размножаются, доминирующим (фоновым) видом является серебряный карась.
По отчетным данным Азоврыбвод за период 1980-2002 гг., промысловые уловы серебряного карася в Азово-Донском бассейне в различные годы увеличивались в 22-23 раза, по сравнению с данными 1980 г. По отчетным данным Кубанрыбвод за период 1989-2002 гг., промуловы этого вида в отдельные годы увеличивались в 18 раз, по сравнению с данными 1989 г.
С 1984 г. на Азово-Донском участке и с 1993 г. на Азово-Кубанском участке по настоящий период (данные АзЧеррыбвод за 2005 г.), серебряный карась по промвылову прочно входит в первую тройку полупресноводных промысловых видов рыб российской зоны Азовского бассейна. По отчетным данным Цимлянскрыбвод, с 1999 г. аналогичная ситуация по рангу объемов вылова такого биологического ресурса, как серебряный карась наблюдается и в Цимлянском водохранилище (р. Дон).
Одновременно с увеличением численности произошло дальнейшее расширение ареала обитания С. a. gibelio в связи нерестовыми и пищевыми миграциями собственно в Азовском море с выходом в черноморскую российскую прибрежную зону через Керченский пролив (Абраменко и др., 1999; Абраменко, 2000 б). Прогнозирование динамики численности
12 серебряного карася в Азовском бассейне уже является актуальной прикладной проблемой (Абраменко, 1998 а; Матишов и др., 2003).
В диссертации обобщены сведения и представления о путях современной цитогенетической эволюции в однополо-двуполых комплексах Carassius auratus в пространственно разделенных акваториях Евроазиатского континента. В данной работе также проведен анализ факторов и механизмов, обусловивших вспышку численности и расширение ареала обитания С. auratus gibelio в пресноводных и морских экосистемах Понто-Каспийского региона во второй половине XX века (см. рис. 1) на примере Азовского бассейна.
Актуальность работы очевидна в связи с общим уменьшением других биологических ресурсов ихтиофауны во многих водоемах Азовского бассейна.
Цель и задачи исследования
Целью данной работы являлось установление закономерностей функционирования популяций однополо-двуполого комплекса серебряного карася в Азовском бассейне. Определение причин трансформации половой и генетической структуры азовских популяций С. a. gibelio со сменой доминирования триплоидной гиногенетической формы на диплоидную бисексуальную. Установление биотических и абиотических факторов резкого увеличения промысловых запасов серебряного карася, j
В задачи исследования входило:
1. Определение абиотических и биотических механизмов, регулирующих
распространение и динамику численности С. a. gibelio в Понто-Каспийском
регионе на историческом этапе.
2. Анализ комплекса антропогенных, экологических, цитологических
факторов и механизмов, обусловивших трансформацию генетической
структуры популяций серебряного карася Азовского бассейна.
U)
Годы
Нижний Дунай и придунайские водоемы
Нижний Днестр и Днестровский лиман
-а— Нижний Днепр и Днепровско-Бугский лиман
Нижний Дон и Таганрогский залив
- - Нижняя Кубань, лиманы и Азовское море —*— Нижняя Волга и её дельта
Рис. 1. Динамика уловов серебряного карася в низовьях и эстуарных участках рек Азово-Черноморского и Каспийского бассейнов за 1964-1995 гг., (по данным Запчеррыбвод; Ветлугиной 1984, 1996) и 1980-2005 гг., (по данным Азоврыбвод, АО "Краснодаррыба", Кубанрыбвод, АзЧеррыбвод)
3. Оценка роли активных протяженных нерестовых и пищевых миграций
в увеличении численности, расширении ареала обитания серебряного карася в
Азовском бассейне и дифференциации популяций на пресноводные и морские.
Изучение репродуктивных поведенческих механизмов и средовых факторов, определяющих динамику соотношения численности рыб бисексуальной и гиногенетической форм в современных смешанных диплоидно-триплоидных популяциях С. a. gibelio Азовского бассейна.
Анализ закономерностей динамики пространственного распределения двуполой и гиногенетической биоформ в евроазиатских однополо-двуполых комплексах С. a. gibelio.
6. Модельная оценка современной генетической структуры и её
возможной эволюции в популяциях серебряного карася Азовского бассейна.
7. Анализ причин динамики уловов серебряного карася в прудовых
хозяйствах, на Азово-Кубанском, Азово-Донском и Цимлянском
рыбопромысловых участках.
8. Сравнительный анализ ихтиол ого-генетических характеристик
популяций С. a. gibelio из экологически различных водоемов Азовского
бассейна.
Научная новизна и теоретическая значимость
Теоретическая значимость представленной работы заключается в определении механизмов функционирования популяций однополо-двуполого комплекса серебряного карася Азовского бассейна как саморегулирующейся эколого-генетической системы.
1. Впервые установлена глобальная трансформация половой и генетической структуры генеральной популяции серебряного карася Азовского бассейна со сменой доминирования амейотического на мейотический тип размножения.
Впервые в диплоидно-триплоидных популяциях С. a. gibelio Азовского бассейна (и странах СНГ) обнаружена новая генетическая форма — триплоидные самцы. Впервые изучены репродуктивные и цитогенетические характеристики, а также определена биологическая роль данной формы в фукционировании различных евразийских популяций С. a. gibelio. У триплоидных самцов установлен несбалансированный сперматогенез вследствие неравных мейотических делений, при котором определенную долю составляют зрелые гаплоидные фертильные половые клетки.
Впервые у азовских триплоидных и диплоидных самок серебряного карася был обнаружен миксоплоидный характер гаметогенеза. Триплоидные самки С. a. gibelio продуцировали триплоидные, диплоидно-триплоидные, диплоидные и гаплоидные овулировавшие яйцеклетки. Диплоидные самки продуцировали зрелые яйцеклетки ниже гаплоидного (п < 50), гаплоидного (п = 50) и диплоидного (2n = 100) уровней. Относительная частота встречаемости зрелых половых клеток различной плоидности у триплоидных и диплоидных азовских самок носит индивидуальный характер.
Наличие хромосомной мозаичности в митотически стабильных соматических клетках впервые было установлено как у триплоидных самцов, так и у особей всех генетических форм С. a. gibelio из противоположных частей евроазиатского ареала (Азовский бассейн и оз. Ханка, Приморский край), а также у золотого карася Carassius carassius.
В экспериментальных и природных условиях впервые была установлена достоверно различающаяся избирательность диплоидных и триплоидных самцов С. a. gibelio к диплоидным самкам бисексуальной формы в период брачного ухаживания и размножения по сравнению с триплоидными.
6. Впервые была использована преобразованная к нашим задачам модель
частотно-зависимого механизма, описывающего динамику соотношения
численности рыб бисексуальной и гиногенетической форм С. a. gibelio при
брачном ухаживании и совместном групповом нересте в зависимости от
изменения нерестовой обстановки (средовых факторов) на водоеме: гидрологического режима, температуры воды, развития нерестового субстрата.
7. Впервые установлены активные протяженные межбассейновые
нерестовые миграции С. a. gibelio из Азовского моря?; в Черное через
Керченский пролив, а также быстрое освоение серебряным карасем
освобождающихся, другими видами рыб пресноводных, морских биотопов и
нерестилищ в Азовском бассейне:
8. Впервые в Азовском бассейне установлена дифференциация популяций
серебряного карася на пресноводные и азово-морские.
Практическая значимость
Установленные в настоящей работе закономерности динамики; численности серебряного карася^ являются важным, звеном' при ежегодном; (с 1999т.) прогнозе вылова этого вида;в?Цимлянском'водохранилище:
В 2007 г. общая, квота вылова серебряного карася на Цимлянском в-ще была увеличена до 3000 т, в отличие от 1266 т, утвержденных на 2006 г. Освоение квоты вылова этого вида по водоему в 2007 г. составило; 82,99%.
Апробацияїработьь
Результаты, настоящего исследования*, были представлены и- обсуждены. на: II и III Всесоюзных совещаниях по генетике, селекции и гибридизации рыб (Ростов-на-Дону, 1981; Тарту, 1986), I; II и III съездах Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Саратов, 1994; Санкт-Петербург, 2000; Москва, 2004), III! Международной конференции "Экология города!' (Ростов-на-Дону, 1994); Первом^ конгрессе ихтиологов» России (Астрахань, 1997), УШ Всероссийской' конференции' по проблемам; промыслового прогнозирования (Мурманск, 1998); Международном семинаре им. F. Седова и Ф; Нансена "Проблемы экосистем заливов; фьордов;, эстуариев», морей' Арктики и юга России (Ростов-на-Дону, 1998),. Международной? научно-практической конференции "Биосфера и человек" (Майкоп, 1999); Научно-практической/ конференции- "Проблемы развития» атомной- энергетики; на: Дону"" (Ростов-на-Дону,; 2000); ХШ Международно» хромосомной* конференции (Германия;
17 Вюрцбург, 2001), Первой Всероссийской школе по морской биологии "Современные проблемы биологии и экологии морей" (Ростов-на-Дону, 2001), Международной конференции "Эволюция морских экосистем под влиянием вселенцев и искусственной смертности фауны" (Азов, 2003), Международной научной конференции "Проблемы естественного и искусственного воспроизводства рыб в морских и пресноводных водоемах (Ростов-на-Дону, 2004), Международном семинаре "Современные технологии мониторинга и освоения природных ресурсов южных морей" (Ростов-на-Дону, 2005), Международной конференции "Современные климатические и экосистемные процессы в уязвимых природных зонах (арктических, аридных, горных)" (Ростов-на-Дону, 2006), Международной конференции "Естественные и инвазийные процессы формирования биоразнообразия водных и наземных экосистем" (Ростов-на-Дону, 2007). Работа выполнялась в НИИ Биологии Ростовского госуниверситета и Южном научном центре Российской Академии наук.
Основное финансирование исследований по теме диссертации осуществлялось в рамках инициативных проектов, выполняемых под руководством автора: гранты Госкомвуза России (1993-1995 гг.) и РФФИ (№№ 96-04-50446; 99-04-49757; 02-04-49662).
Положения, выносимые на защиту:
1. В современный период функционирования однополо-двуполого комплекса серебряного карася Азовского бассейна в генеральной популяции наблюдается процесс трансформации половой и генетической структуры со сменой доминирования триплоидной гиногенетической биоформы на диплоидную бисексуальную. Следствием явилась вспышка численности этого подвида и общее увеличение его ареала в бассейне с разделением популяций на пресноводные и азово-морские.
2. Превалирование мейотического бисексуального или амейотического
гиногенетического способов размножения обуславливается определенной
стратегией распространения и поддержания оптимальной численности
популяций однополо-двуполых комплексов Carassius auratus, которая на
некотором временном отрезке должна соответствовать размеру экологической
ниши и пищевым ресурсам.
3. Биотическая составляющая является основным механизмом,
определяющим функционирование (во временном и пространственном
аспектах) и дальнейшую цитогенетическую эволюцию популяций однополо-
двуполых комплексов серебряного карася. Абиотическая составляющая также
имеет существенное значение для формирования генетической структуры
диплоидно-триплоидных комплексов С. a. gibelio, но является лишь фактором,
возмущающим (сдвигающим) данную систему в том или ином направлении.
4. Вспышка численности серебряного карася в Азовском бассейне
определяется многофакторным процессом общей перестройки водных
экосистем, в том числе, ихтиоценозов.
Публикации
По теме диссертации представлено 37 основных печатных работ, из которых 11 статей опубликованы в центральных академических журналах, в том числе, монография в академическом издании.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 462 страницах печатного текста и состоит из введения, обзора литературы, 5 глав собственных исследований, выводов, практических рекомендаций и списка литературы, включающего 443 отечественных и 352 иностранных источника. Работа содержит 58 рисунков и 30 таблиц.
Лично автором проведены все натурные и экспериментальные исследования, анализ литературных данных и собственных результатов работы. Большинство публикаций лично автора.
19 Автор выражает искреннюю признательность академику РАН Г.Г. Матишову за всемерную поддержку при публикации результатов диссертации. Также он благодарит д.б.н. В.П. Васильева (ИПЭЭ РАН), д.б.н. Е.П. Гуськова (НИБИ РГУ) и д.б.н. Н.В. Лебедеву (ММБИ РАН) за ценные советы и критические замечания в ходе выполнения работы. Автор признателен сотрудникам лаб. ихтиологии НИБИ РГУ Т.Г. Полтавцевой и М.А. Полтавскому, а также всем своим студентам-дипломникам за оказанную помощь при сборе, обработке материала и постановке экспериментов.
Генетическая структура популяций С. a. gibelio в пределах бывшего СССР
Примерно до начала 70-х годов XX века на востоке ареала С. a. gibelio в бассейне р. Амур - историческом центре происхождения подвида (Берг, 1909), достаточно высокий процент (68-76) составляли двуполые популяции (Ромашов, Головинская, 1960). При продвижении на запад наблюдалось значительное доминирование гиногенетических популяций при различном соотношении однополых и двуполых геноформ, в целом называемых однополо-двуполыми комплексами.
В европейской части ареала, в большинстве водоемов Молдавии, Украины, Центрального Нечерноземья и Поволжья обитали однополо-женские популяции С. a. gibelio (Суховерхов, 1950). В водоемах Азово-Черноморского бассейна также абсолютно доминировали гиногенетические популяции (Абраменко, 2001). Там, где однополые и двуполые геноформы серебряного карася сосуществовали совместно, первые были представлены быстрорастущими особями, а вторые - тугорослыми (Абраменко и др., 1997).
В период с конца 30-х и кончая 50-ми годами XX века интенсивно проводились мероприятия по акклиматизации некоторых дальневосточных видов рыб в западные регионы СССР. Среди первых акклиматизантов был и амурский (в том числе и двуполый) серебряный карась. В дальнейшем естественная, исторически сложившаяся популяционная структура и ареал генерального однополо-двуполого комплекса С. a. gibelio в пределах бывшего СССР стал резко меняться в связи с производственной деятельностью человека.
Но в научной литературе (Бурмакин, 1963) имеются абсолютно четкие указания (когда, в какой водоем и в каком количестве), что в европейской части СССР серебряным карасем в 1951-1957 гг. зарыблялись только озера Белоруссии, относящиеся к Балтийскому бассейну, либо к Черноморскому (верховья Днепра), а также некоторые водоемы Центрального Нечерноземья, относящиеся к Каспийскому бассейну (Верхняя Волга).
Никаких сведений об интродукции серебряного карася в Азовский бассейн нами не найдено. В этой связи, можно считать, что до 1949-1951 гг. распространение, численность и генетическая структура популяций С. a. gibelio в Понто-Каспийском регионе являлась их естественно-историческим фоном. Эти данные очень важны для оценки изменений, произошедших с ареалом распространения, динамикой численности и генетической структурой популяций этого подвида в последующие десятилетия.
Уже в первой трети XX века серебряный (продолговатый) карась был внесен проф. Н.М. Книповичем (1923) в "Определитель рыб Черного и Азовского морей". В тот период еще не было таксономического деления представителей рода Carassius на два вида, и в целом эти рыбы обозначались автором как Carassius carassius (L.) = С. vulgaris Nilssen. В то же время в определителе уже была дана морфологическая идентификация серебряного карася и он обозначался как С. carassius morpha gibelio.
Серебряный карась встречался вместе с золотым (круглым) карасем С. carassius typicus в Азовском море (Таганрогский порт), лиманах Кубани и собственно в реках и озерах Азовского бассейна. Было замечено, что серебряный карась чаще золотого встречается в проточной воде. В предисловии Н.М. Книпович отмечает, что в определитель включено довольно много видов рыб, которые должны считаться чисто пресноводными, в том числе и карась. В тоже время они могут встречаться в сильно опресненных частях морей, предустьевых пространствах и т.п. (Книпович, 1923)
Первые значимые сведения об объекте исследования относятся к 1913 г. и отражены в "Отчете" техника рыболовства Войска Кубанского (Аверкиев, 1941). Из представленных данных следует, что карась (без видовой идентификации) фигурирует отдельной строкой в перечне видового состава промысловых рыб. Уловы карася в 1913 г. составили 1462 цн, что равнялось 4,8% от общего объема лова 20 видов частиковых полупресноводных и пресноводных рыб.
По общей биомассе карась занял седьмое место, "пропустив вперед" только основные промысловые частиковые виды Азово-Кубанского бассейна — судака Stizostedion lucioperca, тарань, сазана, леща, сома Silurus glanis и щуку Esox Lucius. Несмотря на отсутствие сведений об участках лова можно заключить, что представители рода Carassius уже в начале XX века являлись существенным компонентом ихтиофауны бассейна р. Кубань.
Сравнительное определение токсической устойчивости серебряного карася Азовского бассейна
Все три мнения принципиально не противоречат друг другу, что допускает различные пути проникновения серебряного карася в Манычские водохранилища. С нашей точки зрения, еще до строительства водохранилищ в 1932-1936 гг., не было существенных причин, которые могли препятствовать миграциям С. a. gibelio из Большого Егорлыка в Западный Маныч, особенно в сезоны распреснения, когда содержание хлора в воде падало до 0,8-1,2 г/л (Сыроватский, 1941; Круглова, 1962).
Вследствие увеличения солености, ухудшения газового режима и развития бактериально-вирусных заболеваний в построенных манычских водохранилищах, видовой состав ихтиофауны к 1934 г. значительно сократился: в Усть-Манычском водохранилище насчитывалось до 17 видов (Сыроватский, 1948), в Веселовском — до 22 видов (Сыроватский, 1941; Круглова, 1962). В оз. Гудило на тот период было зафиксировано 14 видов рыб, в том числе и карась (Сыроватский, 1941; Круглова, 1972).
В 1934 г. наблюдалось резкое увеличение уловов карася в Веселовском водохранилище со 140 кг до 1200 кг за одно притонение. В 1935 г. карась по промысловому лову являлся наиболее массовым видом, а его доля составила 37,1% (3474 цн). В дальнейшем, численность карася стала резко падать, и к 1938 г. его промысловый вылов составил всего 52,9 цн. В 1939 г. карась уже ловился только вентерями, хотя его темп роста в обследованных в 1938 г. выборках не снижался (Сыроватский, 1941).
Падение численности данного объекта промысла И.Я. Сыроватский (1941) частично объясняет его неограниченным переловом мелкоячейными неводами в 1935 г. Но основную причину падения численности карасей автор связывает с общим увеличением солености в водоеме. Содержание хлоридов в западной и центральной частях водохранилища, начиная с 1935 г., не опускалась ниже 1,8 г/л (5,11%о по Мору), а к осени 1939 г. соленость повысилась до 8,52%о.
Из-за высокой солености в период 1938-1939 гг. практически не наблюдалось размножения и потомства у сазана и леща. У других промысловых видов рыб — судака, окуня, тарани и язя Leuciscus idus нерест был также сильно ограничен. По материалам исследований этих лет И.Я. Сыроватский (1941) описывает общее влияние увеличивавшейся солености на темп роста и выживаемость основных промысловых и непромысловых рыб Веселовского водохранилища. Большинство чисто пресноводных видов — пескарь Gobio gobio, линь, сом, налим Lota lota, ёрш к тому времени уже исчезли.
Хотя в данной работе И.Я. Сыроватский (1941) и определяет карася как С. carassius (то есть, золотой), тем не менее, все описанные автором черты биологии, характерные для С. a. gibelio (резкие "скачки" численности, отсутствие потомства при "выпадении" нереста у сазана), косвенно свидетельствуют о наличии гиногенетической формы серебряного карася в Веселовском водохранилище еще в довоенный период.
Кроме того, сам И.Я. Сыроватский (1941), при обсуждении вопроса о проживании карася и его хорошем темпе роста в сильно осолоненном водохранилище, ссылается на аналогичный пример существования этого вида в соленых озерах Барабинского р-на Новосибирской области (Дулькейт и др., 1935). Но именно в этих водоемах впоследствии были идентифицированы серебряные караси подвида С. auratus gibelio (Головинская, Ромашов, 1947; Кривощеков, 1953).
В период с 1946 г. и до начала 70-х годов XX века ихтиологические и гидробиологические исследования на Манычских водохранилищах выполнялись сотрудниками НИИ Биологии Ростовского госуниверситета. Проводимые рыбохозяйственные мероприятия также находились под научно-методическим контролем НИИ Биологии РГУ.
После взрыва плотин Веселовского водохранилища в 1942 г. на его месте 1 образовались изолированные мелководные водоемы, которые быстро осолонялись и зарастали. В августе 1945 г. соленость воды в западной, наиболее обширной части, достигла 13,3%о. В зиму 1946-1947 гг., вследствие массового отмирания растительности наблюдался сильный замор рыбы; производители леща, судака и щуки- вымерли практически полностью (Сыроватский, 1951 а, б).
С другой стороны, в результате обильного паводка в 1946 г. произошло общее опреснение водохранилищ Манычского каскада и соленость в Веселовском водохранилище в 1946-1947 гг. не превышала 3%о . В результате опреснения пережившие замор сазан и серебряный карась в 1947 г. дали массовые потомства. Но уже в 1948 г., из-за очередного повышения солености в водохранилище до 6,75%о, сазан не размножался, поскольку самцы С. сагріо не продуцировали текучую сперму (Сыроватский, 1955). По всей видимости, нерест серебряного карася, также был либо очень ограничен, либо 1 отсутствовал.
Особенности гаметогенеза триплоидных и диплоидных самцов С. a. gibelio Азовского бассейна
Аналогичное явление было обнаружено японскими исследователями (Murayama et al., 1986) при изучении мозаичных по содержанию ДНК в эритроцитах 2п-3п и 2n-3n-4n самцов, спонтанно полученных в гиногенетическом потомстве самки С. a. langsdorfii при скрещивании с самцом золотой рыбки С. a. auratus. Гистологический анализ семенников 2n-3n-4n самца в возрасте трех лет показал, что размеры сперматид у этой особи варьировали от обычного гаплоидного уровня до величин в 1,4-2,3 раза больших. По данным других японских авторов (Kojima et al., 1984), число хромосом в полиплоидных сперматоцитах у Зп самцов С. a. langsdorfii было больше гексаплоидного набора.
Мозаичные по размерам сперматозоиды также были обнаружены у триплоидных самцов китайского сома Silurus asotus (Siluridae). У диплоидных самцов данного вида сперматозоиды имели примерно одинаковые размеры (Yin Hong-bin et al., 2000).
Явление несбалансированного сперматогенеза у мозаичных самцов С. а. langsdorfii японские авторы (Murayama et al., 1986) объясняют двояко:
1. Первичные (термальные) диплоидные половые клетки проходят оба мейотических деления и становятся гаплоидными гаметами, в то время как часть половых клеток могут "пропускать" мейотические деления и преобразуются в полиплоидные гаметы по примеру протекания мейоза у триплоидных гиногенетических самок (Yamashita et al., 1993).
2. Анеуплоидные гаметы могут являться результатом несбалансированных (неравных) мейотических делений.
На основе литературных и собственных данных (см. табл. 13 и рис. 13, 14), можно заключить, что у триплоидных самцов серебряного карася из популяций Азовского бассейна имеет место несбалансированный сперматогенез.
Необходимо отметить, что мозаичные особи, как с увеличенными, так и с уменьшенными размерами сперматозоидов, (при модальном и среднем значениях 2 мкм), имеются и среди протестированных нами диплоидных самцов.
Так, за весь период исследований (N = 147), доля таких особей составила 9,5% от общей численности. Если рассматривать только период 1997-1999 гг. (N = 134), то их доля уменьшится до 6,7% (см. табл. 13). Наличие анеуплоидных, а также полиплоидных сперматоцитов с числом хромосом, больше тетраплоидного набора, было отмечено и у японских диплоидных самцов С. a. buergeri (Kojima et al., 1984).
По всей видимости, кроме цитогенетических факторов на процесс сперматогенеза у самцов С. a. gibelio и размеры гамет влияет и сезонная изменчивость. Следовательно, различие средних значений диаметров головок сперматозоидов триплоидных самцов, протестированных в 1996 и 1997-1999 гг. (см. табл. 13), может быть связано с неодинаковой функциональной активностью гонад у порционно нерестующих карасей.
Во время проведения тестов в июле-августе 1996 г., гонадосоматический индекс у самцов С. a. gibelio в данный период резко снижается (Вронский, 1965; Пипоян, Рухкян, 1998) и, соответственно, снижается количество пластического материала, необходимого для полноценного протекания сперматогенеза. Наше предположение о различном содержании энергетических компонентов в сперматозоидах у диплоидных и триплоидных самцов, протестированных в 1996 и 1997-1999 гг., косвенно подтверждается различием по времени их подвижности в воде (см. табл. 13).
С учетом пониженного содержания пластического материала в гонадах триплоидных самцов серебряного карася летом 1996 г. можно допустить, что при несбалансированном (или весьма лабильном) сперматогенезе в гаметы преобразовались только наиболее подвижные, мелкие половые клетки с наименьшим содержанием ДНК (см. рис. 13 в и табл. 13). Это предположение косвенно подтверждается отсутствием в данной выборке особей, на мазках спермы которых наблюдались бы различные (и, в первую очередь, крупные) по размерам сперматозоиды.
Возможное продуцирование триплоидными самцами половых клеток различной плоидности в зависимости от сезонной динамики (см. табл. 13) представляется нам весьма интересным явлением, поскольку оно может иметь место не только в лабораторных, но и в природных условиях. При обследовании нижнедонских популяций С. a. gibelio в различные годы в июле-августе нам очень часто "попадались" текучие самцы в брачном наряде; у данного подвида нередко наблюдался естественный нерест.
Таким образом, представленные нами ранее данные (Абраменко и др., 1998 а) о том, что у триплоидных самцов С. a. gibelio размеры головок сперматозоидов значительно меньше, чем у диплоидных, уже не находятся в противоречии с результатами аналогичных исследований китайских авторов (Fan, Shen, 1990), а только отражают одну из сторон сезонной динамики процессов сперматогенеза у данной генетической группы.
Возможность продуцирования различных по плоидности сперматозоидов вполне вероятна и у диплоидных самцов серебряного карася, поскольку именно летом 1996 г. у этой группы (N = 13) при тестировании наблюдался самый высокий (38,5) процент мозаичных по размерам сперматозоидов (см. табл. 13).
Сравнительные данные по репродуктивной способности триплоидных и диплоидных самцов, а также выживаемость потомств в различных вариантах скрещиваний (см. подраздел 2АЛ., рис. 7), представлены в табл. 14. Результаты опытов указывают на высокую оплодотворяющую способность триплоидных самцов, а также на нормальную жизнеспособность полученных потомств от скрещиваний с самками различной плоидности.
Относительно невысокий процент оплодотворения в вариантах 8-10 связан с низким качеством икры триплоидной самки волминской линии. Выживаемость (выход) сеголеток в прудах по всем вариантам скрещиваний колебалась в пределах 50-70% от количества посаженных личинок, что является хорошим рыбоводным показателем.
Азово-Кубанский бассейн и приазовские лиманы
Следует отметить, что при измерении размеров и установлении уровней плоидности зрелых яйцеклеток у диплоидных и триплоидных азовских самок серебряного карася, мы имели дело с довольно "жесткой конструкцией", поскольку существовал своеобразный "контроль", возникший из-за перекрытия размерных рядов двух генетических групп (см. рис. 16).
Несмотря на то, что средний диаметр, (но не общий диапазон изменчивости), в объединенной выборке из 7 триплоидных азовских самок имеет одну из наименьших величин (см. табл. 15) по сравнению с аналогичными показателями из других однополо-женских популяций С. а. gibelio (см. табл. 17), мы все же считаем, что определенные нами индивидуальные размеры диаметров и плоидность икринок диплоидных и триплоидных самок соответствуют их естественным параметрам.
В противном случае, при введении поправочного коэффициента, (например, на 30%), мы бы имели: х3п = 1026 мкм и lim = 520-1365 мкм; х2п = 751 мкм и lim = 286-1105 мкм. Но тогда возникает серьезная трудность в объяснении, как 21% 2п неоплодотворенных яйцеклеток диплоидных самок (с нашими значениями 700-850 мкм, см. рис. 16) имеют размеры 910-1105 мкм, уже соответствующие триплоидному уровню (см. сравнительный график 3 рис. 16 и табл. 17).
Необходимо признать, что существует некая искусственность в определении уровня плоидности икры (см. рис. 16) на размерном отрезке от 700 до 800 мкм: для диплоидных самок это 2п, а для триплоидных - это 2п-3п. Но экспериментально установленное существование диплоидно-триплоидного уровня у определенной части яйцеклеток, продуцируемых триплоидными самками С. a. langsdorfii (Murayama et al., 1984), практически снимает это противоречие, поскольку размеры икринок в среднем со 125 хромосомами (у Зп азовских самок) и со 100 хромосомами (у 2п самок) вполне могут совпадать.
Переходим к анализу индивидуальных особенностей гаметогенеза у триплоидных и диплоидных самок серебряного карася азовской популяции.
Триплоидные самки. На рис. 15 наглядно видно, что некоторые триплоидные самки - №183 и №232 продуцируют, в основном, триплоидные икринки. Эти же самки имеют наименьший коэффициент вариации индивидуальных размерных значений в своей группе (см. табл. 15). Триплоидные самки №188 и №189 (в нашей шкале измерений) продуцируют как триплоидные, диплоидно-триплоидные, так и диплоидные икринки (см. рис. 15). Самка №188 также продуцирует незначительную долю икринок, скорее всего, гаплоидно-диплоидного уровня.
Цитологическим механизмом появления диплоидных икринок в процессе оогенеза триплоидных самок может быть выделение одного генома при единственном делении созревания, как это описано для триплоидных (Черфас, Шарт, 1970) гиногенетических самок из прудовых молдавских популяций серебряного карася (Статова, 1963). Другим вариантом может быть выделение одного генома во время первого деления созревания, при условно двух мейотических делениях, как это описано в редчайших случаях для триплоидной гиногенетической формы прудовой волминской линии С. a. gibelio (Черфас, 1966 6).
В триплоидной группе также имеются самки №184, №190 и №317, которые могут продуцировать триплоидные, диплоидно-триплоидные, диплоидные и гаплоидные икринки (см. рис. 15). Следует заметить, что указанные Зп самки, продуцирующие гаплоидные икринки (кроме № 190, ПЯЭ - 96,4 мкм ), имеют наименьшие размеры площадей ядер эритроцитов (см. рис. 15).
Цитологический механизм продуцирования гаплоидных икринок триплоидными самками можно частично объяснить, опираясь на теоретическую схему китайских коллег (Fan, Shen, 1990), считающих, что у Зп самок С. a. gibelio, в процессе диплоидизации генома часть ооцитов у одной и той же самки развивается гиногенетически, но представлена уже не триплоидными, а диплоидными (2n = 156) яйцеклетками, а другая часть ооцитов, проходя оба мейотических деления, становятся гаплоидными икринками (n = 75), способными к оплодотворению и дальнейшему развитию.
Другим фактором, способствующим появлению гаплоидных икринок у триплоидных самок, по всей видимости, является кариологическая мозаичность у представителей различных генетических форм С. a. gibelio (Абраменко, Кравченко, 1999; Кравченко, 2000; Абраменко и др., 2004 а), а также у некоторых триплоидных самок и самцов японского подвида С. a. langsdorfii (Murayama et al., 1984; Murayama et al., 1986).
Мураяма с соавторами (1986) считают, что у мозаичных триплоидных С. a. langsdorfii первичные половые клетки (germ cells) могут иметь диплоидный, триплоидный и даже тетраплоидный уровни. Диплоидные (2n = 100) половые клетки, проходящие мейотические деления, будут продуцировать гаплоидные (п = 50) гаметы, а триплоидные клетки (Зп = 150) могут (но не обязательно — авт.) пропускать деления созревания.
