BIOCHEMICAL POLYMORPHISM IN POPULATIONS OF THE BLACK-CASPIAN SEA SARDELLE CLUPEONELLA CULTRIVENTRIS (NORDMANN, 1840) FROM DIFFERENT PARTS OF THE AREA
Abstract and keywords
Abstract (English):
The features of allocation of alleles of four genetical loci of various populations of an areal of the Black-Caspian Sea sardelle are considered. Geographical differentiation between populations on frequencies of alleles of muscular lactate dehydrogenase-A is stated. Frequency of allele LDH-A*100 is higher in a natural-historical part of an areal. Allele Ldh-A*120 predominates in the Volga sardelle populations where it was possibly fixed since existence of the residential freshwater form.

Keywords:
Black-Caspian Sea sardelle, Clupeonella cultriventris, genetics, allozymes, lactate dehydrogenase
Text
Введение Изучение географической изменчивости частот аллелей является важнейшим компонентом популяционной биологии рыб. В большинстве случаев пространственная генетическая неоднородность обусловлена пониженной вероятностью генетического обмена из-за удалённости между разными популяциями животных [1, 2]. Зависимость частоты встречаемости определённых аллелей от географического положения популяции описано, например, для американского угря [3], лососевых [4] и ряда других рыб [5, 6]. Очень часто особенности географического распределения генетических маркеров связаны с экологией вида. Так, для чукучана (по локусу Est) и нерки (по локусу Ldh-B1) различия в температурной устойчивости аллозимов соответствуют направлению клин аллелей соответствующих локусов [5, 7]. Географические особенности распределения аллелей могут быть связаны не только с экологическими особенностями, они могут возникнуть в результате вторичного контакта между генетическими расами одного вида. Примером этого служит распределение аллеля гемоглобина Hb-1 у балтийской трески, который является маркером разных физиологических рас с узкой зоной смешивания [8]. Некоторые авторы [9, 10] полагают, что выбор оптимальной среды существования генетически различными особями является основным фактором поддержания белкового полиморфизма в популяциях животных самой разной систематической принадлежности. Удобным объектом для изучения генетической изменчивости служат рыбы с широким ареалом, активно расселяющиеся по водным экосистемам Европы. Высочайший темп саморасселения по рекам Евразии демонстрирует маленькая рыбка из сем. Сельдёвых – черноморско-каспийская тюлька Clupeonella cultriventris (Nordmann, 1840). Естественноисторическим ареалом черноморско-каспийской тюльки являются Азовское, Каспийское моря, опресненные части Черного моря и нижние участки рек Понто-Каспийского бассейна [11]. После создания каскада водохранилищ на крупных реках бассейна тюлька широко расселилась по водохранилищам Волги, Дона и Днепра. По Волге она за довольно короткий период (40–50 лет) продвинулась на север вплоть до Белого озера. Столь высокие темпы расселения, широкий ареал и высокая численность тюльки делают актуальным всестороннее изучение этого вида. Данное сообщение посвящено определению особенностей географического распределения аллелей некоторых генетических локусов в ареале черноморско-каспийской тюльки. Материал и методы исследования Для исследований использовались представители различных популяций черноморско-каспийской тюльки. В основе работы лежат сборы, произведённые нами в экспедиционный сезон 2003–2011 гг. Сбор материала проводился с использованием малого пелагического трала с горизонтальным раскрытием 12 м, вертикальным – 2 м, ячеёй в крыльях 30–10 мм, в кутке – 5 мм. Время одного траления – 15 минут. На ряде водоёмов применялся мальковый невод с горизонтальным раскрытием 25 м, вертикальным – 2 м, ячеёй в крыльях 20–10 мм, в кутке – 3 мм. Объем выборки составлял не менее 40 экз. половозрелых самцов и самок; всего генотипировано по 8–17 генетическим локусам 2 635 особей тюльки. Объём изученного материала представлен в табл. 1. Таблица 1 Характеристика материала для генетико-биохимического анализа ГодВодоёмКоличество, экз. локусов 2003Рыбинское вдхр.15612 Иваньковское вдхр.4012 Угличское вдхр.3912 Чебоксарское вдхр.3912 Устье р. Дон3412 Азовское море, Порт Кантон4012 2004Рыбинское вдхр.48917 Куйбышевское вдхр. 3912 Река Волга у г. Саратов3014 Волгоградское вдхр.2014 Азовское море, Чумбур-Коса3912 Днестровский лиман3912 Манычский каскад вдхр.12617 2005Рыбинское вдхр.23817 Шекснинское вдхр.1617 Горьковское вдхр.8013 Северный Каспий, устье р. Сулак16017 Река Днепр8016 Азовское море, Чумбур-Коса7612 2006Рыбинское вдхр.19812 2007Рыбинское вдхр.19717 2008Рыбинское вдхр.16012 2011Рыбинское вдхр.1608 2011Горьковское вдхр.808 2011Камское вдхр.608 Живую рыбу непосредственно после отлова помещали в жидкий азот в сосудах Дьюара СК-50 либо замораживали целиком при температуре не выше –27 ºС. Для предотвращения вымораживания тканей проэтикетированную общую пробу заворачивали в алюминиевую фольгу. В лабораторных условиях проводили биологический анализ рыб и отделяли образцы для биохимического исследования. В качестве основного метода исследований был выбран диск-электрофорез полипептидов в полиакриламидном геле, PAGE [12, 13]. Наиболее удобны для популяционно-генетических исследований методом PAGE водорастворимые ферменты белых скелетных мышц. Эта ткань имеет набор ферментов всех основных классов, легко отделяется от других тканей даже неспециалистами, а также способна довольно долго храниться в замороженном состоянии (до 90 суток) без значимых потерь активности. В качестве экстрагирующего раствора, после ряда экспериментов, использовался 20 %-й раствор сахарозы на 0,05 М трис-HCl буфере pH 7,5 с добавлением 0,001 М раствора EDTA·Na2 [14]. В работе представлен материал по наиболее показательным локусам: мышечная лактатдегидрогеназа-А (Ldh-A, E.C. 1.1.1.27), малатдегидрогеназа NADP-зависимая (Me, E.C. 1.1.1.40), аспартатаминотрансфераза (Aat, E.C. 2.6.1.1), 2-нафтилацетат-зависимая эстераза (β-Est, E.C. 3.1.1.x). Для выявления ферментов в сложной смеси белков после электрофореза использованы реакции, специфичные для конкретной ферментной системы. При гистохимическом выявлении изоферментов пользовались общепринятыми методиками, основанными на базовых руководствах по выявлению ферментативной активности [15]. Подробно протокол электрофоретического выявления аллозимов именно для тюльки представлен в [14]. Результаты исследования и их обсуждение Результаты исследований представлены в табл. 2. При анализе этих данных была установлена особенность распределения аллелей локуса лактатдегидрогеназы-А. Аллель LDH-A*100 значительно преобладает в популяциях тюльки Каспийского (p = 0,81) и Азовского (p = 0,75) морей. В Днестровском лимане Чёрного моря, подверженном значительному опреснению из Днестра, частота этого аллеля несколько ниже (p = 0,73). Для речных популяций тюльки (кроме волжских и камских) концетрация варианта LDH-A*100 ниже, чем для морских популяций, но всё равно составляет не менее 50 %. Таблица 2 Распределение аллелей четырёх исследованных генетических локусов черноморско-каспийской тюльки по основным частям ареала ПопуляцияЧастота аллеля LDH-A*100 (LDH-A*120)ME-1*100 (ME-1*112)bEST-2*41 (bEST-2*45)AAT*100 (AAT*110) Днестровский лиман0,73 (0,27)0,25 (0,75)0,32 (0,68)0,52 (0,48) Река Днепр, Карачуновское вдхр.0,54 (0,46)0,13 (0,87)0,10 (0,90)0,50 (0,50) Азовское море, район пос. Порт Кантон0,75 (0,25)0,45 (0,55)0,35 (0,65)0,48 (0,52) Река Маныч, Пролетарское вдхр.0,47 (0,53)0,41 (0,59)0,32 (0,68)0,57 (0,43) Северная часть Каспийского моря0,81 (0,19)0,60 (0,40)0,25 (0,75)0,51 (0,49) Средняя зона Волгоградского вдхр.0,35 (0,65)0,38 (0,62)0,14 (0,86)0,53 (0,47) Река Волга у г. Саратов0,18 (0,82)0,34 (0,66)0,03 (0,97)0,45 (0,55) Камский плёс Куйбышевского вдхр.0,25 (0,75)0,16 (0,84)0,17 (0,83)0,39 (0,61) Чебоксарское вдхр.0,26 (0,74)0,24 (0,76)0,11 (0,89)0,56 (0,44) Горьковское вдхр.0,29 (0,71)0,21 (0,79)0,08 (0,92)0,58 (0,42) Рыбинское вдхр.0,25 (0,75)0,36 (0,64)0,14 (0,86)0,53 (0,47) Угличское вдхр.0,26 (0,74)0,32 (0,68)0,18 (0,82)0,59 (0,41) Иваньковское вдхр.0,25 (0,75)0,25 (0,75)0,15 (0,85)0,44 (0,56) Шекснинское вдхр.0,28 (0,72)0,14 (0,86)0,19 (0,81)0,60 (0,40) Камское вдхр., г. Пермь0,15 (0,85)0,54 (0,46)0,18 (0,82)0,50 (0,50) Принципиально иная картина наблюдается в водохранилищах р. Волги (табл. 2). Здесь значительно преобладает аллельный вариант LDH-A*120. Лишь для самого нижнего, Волгоградского водохранилища, его доля чуть менее двух третей (p = 0,65). В р. Волге у г. Саратова частота встречаемости аллеля LDH-A*120 максимальна (p = 0,82) и несколько снижается при продвижении вверх по каскаду водохранилищ. Столь существенные различия в аллельных частотах могут свидетельствовать о наличии частичной репродуктивной изоляции между популяциями. Вместе с тем, как показано при исследованиях Cichlidae [16], отсутствие фиксации альтернативных аллелей указывает на относительно недавнее прекращение генетических обменов либо на отсутствие абсолютной изоляции, что в полной мере справедливо по отношению к тюльке. На распределение аллелей в ареале тюльки оказывает влияние и среда. Как было показано ранее [17], имеется связь частоты встречаемости аллеля LDH-A*120 с минерализацией среды обитания конкретной популяции в исторический период. Это было подтверждено и в экспериментах in vitro [18], которые показали, что аллельные продукты некоторых генетических локусов черноморско-каспийской тюльки отличаются друг от друга по функциональным особенностям, в частности по устойчивости к абиотическим факторам. Особенности распределения аллелей в популяциях тюльки р. Волги, вероятно, кроются в микрофилогенезе волжских популяций тюльки. На основании ДНК-фингерпринтинга с применением RAPD-маркеров установлено, что филогенетически волжская тюлька происходит от тюльки Каспийского моря [19]. Характерное лишь для р. Волги преобладание аллеля LDH-A*120 можно объяснить либо особенным физиологическим статусом пресноводных тюлек, либо особым происхождением этих популяций. В случае существования пресноводной физиологической расы, маркером которой служит аллель LDH-A*120, следовало бы ожидать и преобладания этого аллеля в другом пресноводном водоёме – р. Днепр. Однако для популяций тюльки среднего течения Днепра частота встречаемости аллеля LDH-A*120 p = 0,31. Это существенно ниже, чем в водохранилищах р. Волги. Другое объяснение, больше соответствующее наблюдаемым фактам, заключается в происхождении волжской тюльки от жилой формы саратовских затонов. До зарегулирования р. Волги данная малоизученная пресноводная форма обитала в затонах и ильменях у г. Саратова [20, 21]. Согласно предположению И. В. Шаронова [22], после создания каскада водохранилищ именно эта пресноводная тюлька могла получить возможность расселиться по акватории Саратовского водохранилища, а в дальнейшем и по всей Волге. Если принять предположение о происхождении волжских популяций тюльки от формы, адаптированной к условиям пресных вод, то становится понятной и высокая скорость её расселения. И генетически, и морфологически черноморско-каспийская тюлька на всём своём ареале представляет один вид. Таким образом, вероятно, жилая тюлька саратовских затонов представляла собой пресноводную физиологическую расу C. cultriventris. Маркером этой расы может служить аллель LDH-A*120. Косвенно такое предположение подтверждается максимальной концентрацией данного аллеля именно в популяции тюльки, выловленной у г. Саратова (p = 0,82). Таким образом, географические особенности генетической структуры тюльки являются следствием их происхождения, что было показано и при исследовании дрозофил [23]. Аналогичная ситуация складывается и при рассмотрении особенностей распределения аллелей локуса bEST-2*. В водохранилищах р. Волги частота встречаемости аллеля bEST-2*41 не превышает 17 % (минимальна в саратовской популяции – 3 %), тогда как в остальных частях ареала она гораздо больше. Для остальных исследованных генетических локусов такой закономерности не наблюдается. Заключение Для тюльки, расселившейся по всей Волге, наблюдаемое генотипическое разнообразие организмов определяется в биохимических адаптациях на уровне изоферментов. Это прослеживается для аллозимов мышечной лактатдегидрогеназы-А. Аллельный вариант LDH-A*100, вероятнее всего, имеет исторически «морское» происхождение. На популяционном уровне такая гипотеза подтверждается особенностями географического распределения аллелей локуса LDH-A*. В морях частота аллозима LDH-A*100 максимальна, а у родственного, облигатно морского вида – C. engrauliformes – изофермент представлен только продуктом аналогичного аллеля [14]. В популяциях атлантической и тихоокеанской сельдей Clupea harengus и C. pallasi также преобладает аналогичный аллозим лактатдегидрогеназы-А [24]. Частота варианта LDH-A*120 возрастает в пресноводных экосистемах, что прослеживается на популяциях тюльки рек Днепр, Волга и Кама. При рассмотрении генетических характеристик этих групп популяций становится возможным проследить скорость микроэволюционных преобразований в условиях частичной изоляции. Необычность волжско-камских популяций тюльки (существенное преобладание аллеля LDH-A*120) можно объяснить происхождением их от пресноводной формы, обитавшей в затонах у г. Саратова. Вероятно, эта жилая форма возникла в результате хвалынской трансгрессии и последующего отступления Каспия около 20–40 тыс. лет назад. За этот период произошли значительные адаптации рыб к обитанию в условиях пресных вод речных экосистем, что отразилось в существенном перераспределении аллельных частот LDH-A*. В р. Днепр таких процессов не было, а продвижение тюльки по реке затрудняли Днепровские пороги. После начала гидростроительства на р. Днепр в начале XX в. гидрологический режим реки сильно изменился: пороги исчезли и возникли водохранилища. В результате этого произошло расселение тюльки из солоноватоводных лиманов в р. Днепр. Так как эволюционный возраст этих популяций мал и такого срока, вероятно, недостаточно для существенного изменения генетических показателей, то и наблюдаемая дивергенция между популяциями тюльки лиманов и р. Днепр невелика и не достигает таких значений, как для рек Волга и Кама и Каспийского моря. Таким образом, географические особенности генетической структуры тюльки являются, вероятно, следствием их происхождения, как, например, это было показано при исследованиях дрозофил [23].
References

1. Shaklee J. B. Electrophoretic characterization of odd-year pink salmon (Oncorhynchus gorbuscha) populations from the Pacific coast of Russia, and comparison with selected North American populations / J. B. Shaklee, N. V. Varnavskaya // Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 1994. Vol. 51. P. 158–170.

2. Simoes P. How repeatable is adaptive evolution? The role of geographical origin and founder effects in laboratory adaptation / P. Simoes, J. Santos, I. Fragata, L. D. Mueller, M. R. Rose, M. Matos // Evolution. 2008. Vol. 62. P. 1817–1829.

3. Williams G. S. Genetic diffenrentiation without isolation in the American eel, Anguilla rostrata / G. S. Williams, R. K. Koehn, J. B. Mitton // Evolution. 1973. Vol. 27. P. 192–201.

4. Altuhov Yu. P. Populyacionnaya genetika lososevyh ryb / Yu. P. Altuhov, E. A. Salmenkova, V. T. Omel'chenko. M.: Nauka, 1997. 288 s.

5. Kirpichnikov V. S. Genetika i selekciya ryb / V. S. Kirpichnikov. L.: Nauka, 1987. 520 s.

6. Altuhov Yu. P. Geneticheskie processy v populyaciyah / Yu. P. Altuhov. M.: Akademkniga, 2003. 431 s.

7. Koehn R. K. Esterase heterogeneity: dynamic of a polymorphism / R. K. Koehn // Science. 1969. Vol. 163. P. 943–944.

8. Mork J. Genetic variation in Atlantic cod (Gadus morhua L.): a quantitative estimate from a Norwegian coastal population / J. Mork, C. Reyterwall, N. Ryman, G. Stahl // Hereditas. 1982. Vol. 96, N 1. P. 55–61.

9. Powell J. R., Taylor C.E. Genetic variation in ecologically diverse environments / J. R. Powell, C. E. Taylor // American Scientist. 1979. Vol. 67. P. 590–596.

10. Golubcov A. S. Vnutripopulyacionnaya izmenchivost' zhivotnyh i belkovyy polimorfizm / A. S. Golubcov. M.: Nauka, 1988. 168 s.

11. Atlas presnovodnyh ryb Rossii / Red. Yu. S. Reshetnikov. M.: Nauka, 2003. T. 1. 379 s.

12. Glazko V. I. Genetika izofermentov sel'skohozyaystvennyh zhivotnyh / V. I. Glazko // Itogi nauki i tehniki. VINITI. Ser.: Obschaya genetika. 1988. 212 s.

13. Walker J. M. Nondenaturing polyacrylamide gel electropho-resis of proteins / J. M Walker / The Protein Protocols Handbook (Walker J. M., ed.) / J. M. Walker. Totowa, NJ: Humana Press Inc. 2002. P. 57–60.

14. Karabanov D. P. Geneticheskie adaptacii chernomorsko-kaspiyskoy tyul'ki Clupeonella cultriventris (Nordmann, 1840) (Actinopterygii: Clupeidae) / D. P. Karabanov. Voronezh: Nauch. kn., 2013. 179 p.

15. Manchenko G. P. Handbook of detection of enzymes on electrophoretic gels. CRC Press. 2003. P. 1–553.

16. McKaye K. R. Genetic evidence for allopatric and sympatric differentiation among color morph of a Lake Malawi cichlid fish / K. R. McKaye, T. Kocher, P. Reinthal, I. Kornifield // Evolution. 1984. Vol. 1. P. 215–219.

17. Karabanov D. P. Vliyanie stepeni mineralizacii vodoemov na process genetiko-biohimicheskoy adaptacii kostistyh ryb / D. P. Karabanov // Voda: himiya i ekologiya. 2011. № 4. S. 50–53.

18. Karabanov D. P. Funkcional'nye razlichiya v ustoychivosti k abioticheskim faktoram nekotoryh izofermentov kostistyh ryb / D. P. Karabanov // Voda: himiya i ekologiya. 2012. № 7. S. 50–58.

19. Slyn'ko Yu. V. Geneticheskiy analiz vnutrividovoy struktury chernomorsko-kaspiyskoy tyul'ki Clupeonella cultriventris (Nordmann, 1840) (Actinopterygii: Clupeidae) / Yu. V. Slyn'ko, D. P. Karabanov, V. V. Stolbunova // Dokl. akad. nauk. 2010. T. 433, № 2. S. 283–285.

20. Svetovidov A. N. Sel'devye (Clupeidae). Fauna SSSR. Ryby / A. N. Svetovidov. T. 2, vyp. 1. M.; L.: Izd-vo AN SSSR, 1952. 333 s.

21. Kazancheev E. N. Ryby Kaspiyskogo morya / E. N. Kazancheev. M.: Rybnoe hoz-vo, 1963. 180 s.

22. Sharonov I. V. Rasshirenie areala nekotoryh ryb v svyazi s zaregulirovaniem Volgi / I. V. Sharonov // Volga-1. Tr. 1-y konf. po izucheniyu vodoemov basseyna Volgi. Kuybyshev, 1971. S. 226–232.

23. Simoes P. How repeatable is adaptive evolution? The role of geographical origin and founder effects in laboratory adaptation / P. Simoes, J. Santos, I. Fragata, L. D. Mueller, M. R. Rose, M. Matos // Evolution. 2008. Vol. 62. P. 1817–1829.

24. Jorstad K. E. Evidence for two highly differentiated herring groups at Goose Bank in the Barents Sea and the genetic relationship to Pacific herring, Clupea pallasi / K. E. Jorstad // Environmental Biology of Fishes. 2004. Vol. 69. P. 211–221.


Login or Create
* Forgot password?