Биология внутренних вод, 2022, № 2, стр. 181-191

ВВЕДЕНИЕ

Биологические инвазии представляют большую угрозу биоразнообразию: часто они необратимы, а успешно вселившиеся виды могут быстро наращивать численность с непредсказуемыми негативными последствиями для экосистем-реципиентов (Камакин, Ходоревская, 2018; Перова, 2020; Лазарева, 2021). Кроме того, инвазивный вид может стать распространителем несвойственных ранее экосистеме патогенных организмов и паразитов или включаться в циркуляцию местных видов паразитов (Соколов и др., 2012; Перова и др., 2018).

В связи с вышесказанным очень важно своевременно анализировать и прогнозировать жизнеспособность популяций видов-вселенцев во вновь приобретенных частях ареала. При оценке степени натурализации популяции помимо таких стандартных характеристик, как численность, соотношение полов и возрастная структура, большое значение имеет изучение генетической структуры популяции и ее динамики. Данные о генетическом полиморфизме чужеродных видов за пределами естественного ареала также могут быть полезны для уточнения их таксономического статуса (Пряничникова и др., 2019), выявления источников инвазии и реконструкции путей распространения.

Исследование структуры популяций паразита и хозяина в совокупности позволяет более полно оценить степень влияния инвазивного вида на биоценоз. Ротан-головешка Perccottus glenii Dubowski, 1877 (Perciformes: Odontobutidae) и цестода Nippotaenia mogurndae Yamaguti et Myiata, 1940 (Nippotaeniidea) представляют прекрасную модель для изучения закономерностей формирования популяционно-генетической структуры инвазивных видов на новой территории. Ротан-головешка, за последние десятилетия широко распространившийся на территории Евразии, относится к инвазивным видам рыб, негативно влияющим на аборигенную фауну гидробионтов (Кудерский, 2001). В 80-е гг. ХХ в. через Южно-Уральский инвазионный коридор он проник в Западную Сибирь, заселив Обь-Иртышский бассейн (Корляков, Нохрин, 2014). Ротан существенно угнетает местную фауну из-за неразборчивого хищничества и представляет опасность для естественных экосистем и объектов рыбного хозяйства (Orlova et al., 2006; Решетников, 2009; Халько и др., 2019).

Составляющая ядро паразитофауны ротана цестода N. mogurndae распространяется вслед за своим хозяином: этот паразит, начиная с 2004 года, отмечен в водоемах Европы (Košuthová et al., 2004, 2008; Mierzejewska et al., 2010; Reshetnikov et al., 2011; Kvach et al., 2013). За Уралом, в водоемах Тюменской и Свердловской областей, он встречается с 2011 года (Соколов и др., 2011б; Zhigileva, Kulikova, 2016), в водоемах Новосибирской обл. – с 2013 г. (Соколов и др., 2013). В то же время, в некоторых районах приобретенного ареала ротана N. mogurndae по невыясненным причинам отсутствует (Соколов, Мошу, 2013).

N. mogurndae характеризуется сложным жизненным циклом, в котором присутствует промежуточный хозяин. В исходном ареале промежуточным хозяином цестоды служит планктонная копепода Mesocyclops leuckarti (Claus, 1857). В приобретенных частях ареала число промежуточных хозяев шире: кроме M. leuckarti это планктонные копеподы Neutrodiaptomus incongruens (Poppe, 1888), Eucyclops serrulatus (Fischer, 1851), M. crassus (Fischer, 1853) (Reshetnikov et al., 2011). Заражение рачков паразитом происходит при заглатывании его зрелых яиц; переход к окончательному хозяину, рыбе, происходит при поедании копепод (Демшин, 1985). Вследствие наличия у цестоды сложного жизненного цикла считается, что обнаружение этого паразита может служить маркером происхождения инвазивных популяций ротана из рыбохозяйственных источников, а не аквариумных (Reshetnikov et al., 2017; Соколов, 2018).

Ротан сравнительно хорошо изучен в генетическом отношении. Исследован аллозимный полиморфизм вида в нативном ареале и изменения этого типа полиморфизма при интродукции (Golubtsov et al., 2009). Кроме того, для ротана определена нуклеотидная последовательность полного митохондриального генома (Xue et al., 2013), описаны три митохондриальные филогенетические линии, распространенные в разных частях Северо-Восточной Азии (Xu et al., 2014; Yang et al., 2020). Эти три линии митохондриальной ДНК (мтДНК) встречаются и на колонизированной территории Европы, подтверждая происхождение инвазионных популяций из трех независимых источников (Grabowska et al., 2020). Разработаны микросателлитные маркеры, при помощи которых описана популяционно-генетическая структура ротана в нативном ареале (Zhang et al., 2021). Имеются данные об изменчивости микросателлитных локусов и участков мтДНК вида на европейской части России (King et al., 2015). Для Западной Сибири, куда ротан проник не так давно (Решетников, Петлина, 2007), данные о его генетической изменчивости этого вида фрагментарны (Zhigileva, Kulikova, 2016). В отличие от хозяина, сведения о генетической изменчивости цестоды N. mogurndae немногочисленны и касаются уточнения ее филогенетического положения (Соколов и др., 2018).

Цель работы – изучить генетическую изменчивость ротана и его паразита, цестоды N. mogurndae, в водоемах бассейна р. Иртыш.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ротана отлавливали в оз. Андреевское (Тюменский р-н, 57°02′ с.ш., 65°76′ в.д.) и р. Тобол (Ялуторовский р-н, 56°67′ с.ш., 66°37′ в.д.) в 2017 г.; в оз. Сундукуль (Нижнетавдинский р-н, 57°36′ с.ш., 65°73′ в.д.), оз. Оброчное (г. Тюмень, 57°15′ с.ш., 65°64′ в.д.) и р. Малый Емец (приток р. Вагай, Голышмановский р-н, 56°10′ с.ш., 68°41′ в.д.) в 2018 г. Все исследованные водоемы и водотоки лежат в пределах приобретенного ареала ротана и относятся к бассейну р. Иртыш. Озеро Оброчное соединяется протокой с р. Тура, оз. Сундукуль – с р. Капланка, оз. Андреевское – с р. Дуван, впадающей в р. Пышма (приток р. Тура) (рис. 1).

Рис. 1.

Карта-схема расположения мест отлова рыб: 1 – оз. Андреевское, 2 – р. Тобол, 3 – оз. Сундукуль, 4 – оз. Оброчное, 5 – р. Малый Емец. Выделены границы Тюменской обл.

Ротана отлавливали удочкой. Всего поймано 170 особей, по 40 особей из каждого водного объекта, кроме р. Малый Емец, где добыто 10 особей. У рыб определяли пол, возраст, абсолютную длину и массу тела (Правдин, 1966). Зараженность ротана цестодой N. mogurndae изучали методом неполного гельминтологического вскрытия желудочно-кишечного тракта (Быховская-Павловская, 1985). Цестод извлекали из кишечника рыб, отмывали в физиологическом растворе и микроскопировали.

Для генетических исследований использовали образцы мышечной ткани рыб, которые фиксировали в 96%-ном этаноле и хранили при –20°С. Цестод замораживали в 50 мкл ×0.1 Трис-Ацетат-ЭДТА буфера. ДНК рыб и цестод экстрагировали методом щелочного лизиса по (Bender et al., 1983) с авторскими модификациями).

Генотипирование рыб и цестод проводили методом полимеразной цепной реакции последовательностей, ограниченных простыми повторами (Inter simple sequence repeat polymerase chain reaction – ISSR-PCR) (Zietjiewicz et al., 1994). Всего генотипировано 67 экз. рыб и 60 экз. цестод.

Для ISSR-PCR в качестве участков отжига праймеров использовали динуклеотидные микросателлитные локусы. Перед исследованием проводили апробацию праймеров. Из восьми апробированных праймеров отбирали те, которые давали воспроизводимые спектры с хорошо различимыми фракциями в количестве от 5 до 20. При работе с образцами ротана удовлетворительные результаты показали праймеры (AG)₈C (UBC-808), (AG)₈G (UBC-809), (AG)₈T (UBC-807), при работе с ДНК цестоды – праймеры (AG)₈C (UBC-808), (AG)₈G (UBC-809), (AG)₈T (UBC-807) и (TC)₈C (UBC-823), их использовали в дальнейшей работе (рис. 2). Амплификацию проводили в 25 мкл реакционной смеси, содержащей ПЦР буфер (0.01 M Трис-НCl, 0.05 M KCl, 0.1% тритон Х-100), 4 мМ MgCl₂, 0.2 мМ каждого из dNTPs, 1 мкл раствора тотальной клеточной ДНК, 2.5 мМ праймера и 0.2 ед./мкл Taq-полимеразы (Thermo Fisher Scientific) в следующем режиме: 94°С – 7 мин, затем 94°С – 30 с, 52(56)°С – 45 с, 72°С – 2 мин (40 циклов); 72°С – 7 мин (Zhigileva et al., 2013). Продукты ПЦР разделяли стандартным методом электрофореза в 2%-ном агарозном геле в Трис-ЭДТА-боратном буфере, окрашивали этидиум бромидом.

Рис. 2.

Электрофореграмма ISSR-паттернов ротана-головешки с праймером (TC)₈C (UBC-823). Номера дорожек (1–10) соответствуют номерам особей из оз. Оброчное, М – маркер длины фрагментов ДНК GeneRuler Mix 100–10 000 п.н. (эталонные фрагменты с повышенной концентрацией имеют размер 500, 1000 и 3000 п.н.), К – отрицательный контроль.

С использованием программы POPGEN (Yeh et al., 1999) рассчитывали частоты бэндов, долю полиморфных бэндов (Р), генетическое разнообразие (среднюю ожидаемую гетерозиготность) (h), эффективное число аллелей (n_e), индекс генетического сходства Нея (I_N), генетическую дистанцию (D), показатели генетической дифференциации (H_T, H_S, G_ST) и потока генов (N_m). Дендрограммы строили на основании генетических дистанций Нея методом UPGMA с использованием программы POPGEN (Yeh et al., 1999). Для проверки модели изоляции расстоянием использовали тест Мантеля.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Размерно-возрастная структура и зараженность ротана. Основой всех изученных выборок ротана были особи возраста 3+. Соотношение полов варьировало от равного (1 : 1) в р. Тобол до полутора-двухкратного преобладания особей женского или мужского пола в остальных водных объектах. Поскольку половой диморфизм по размерно-массовым показателям у ротана выражен слабо (Сусляев и др., 2016), приведены средние величины абсолютной длины и массы тела рыб для наиболее распространенной возрастной группы без учета половой принадлежности особей (табл. 1).

В результате гельминтологического исследования выявлена инвазия цестодой N. mogurndae всех изученных популяций ротана. Экстенсивность инвазии варьировала в пределах 88–95%, интенсивность – 1–42, индекс обилия – 5.1–11.8 (табл. 2).

Генетический полиморфизм ротана. При генотипировании с применением трех ISSR-праймеров у ротана-головешки идентифицирован 41 амплифицированный фрагмент (табл. 3). Каждая популяция имеет специфический генетический профиль, обусловленный варьированием частот широко распространенных вариантов, а также наличием уникальных фракций. У ротана из оз. Андреевское выявлен один уникальный вариант (p1-1), из оз. Сундукуль – два (p1-6, p2-10), из р. Малый Емец – три (p2-4, p2-8, p3-9).

Суммарная доля полиморфных локусов по трем ISSR-маркерам для совокупной выборки ротана, объединяющей все исследованные нами популяции, достигала 92%, генетическое разнообразие – 0.32. В отдельных выборках ротана эти показатели были существенно меньше и варьировали в пределах 53–74% и 0.20–0.23 при средних значениях 61.7 ± 4.91% и 0.22 ± 0.01 соответственно (табл. 4). Выявленная особенность свидетельствует о выраженной локальной дифференциации популяции ротана исследованного региона, на что также указывают высокий показатель межпопуляционной дифференциации и низкий – потока генов между популяциями (табл. 5).

Наименьшая генетическая дистанция (D = 0.06) у ротана-головешки наблюдается между популяциями оз. Андреевского и р. Тобол, наибольшая (D = 0.29) – между популяциями озер Сундукуль и Андреевское (табл. 6). Однако тест Мантеля не выявил наличия достоверной корреляции географических расстояний с генетическими дистанциями между популяциями ротана, связь между этими признаками слабая (r = 0.07, p = 0.848).

Дендрограмма генетических дистанций ротана частично отражает характер гидрографической сети (рис. 3). В один кластер объединяются выборки из оз. Андреевское и р. Тобол, расстояние между которыми ~190 км (по воде), во второй кластер – выборки из оз. Сундукуль и оз. Оброчное, также близко расположенные и принадлежащие бассейну одной реки. Исключение составляет выборка из р. Малый Емец, которая также входит во второй кластер, хотя находится на расстоянии >1000 км.

Рис. 3.

Дендрограмма генетических дистанций по ISSR-маркерам разных выборок ротана (а) и цестоды Nippotaenia mogurndae (б). 1 – оз. Андреевское, 2 – р. Тобол, 3 – оз. Сундукуль, 4 – оз. Оброчное, 5 – р. Малый Емец.

Генетический полиморфизм цестоды Nippotaenia mogurndae. У N. mogurndae в целом с использованием четырех праймеров описано 38 ампликонов (табл. 3). Выявлено по три уникальных варианта в выборках из р. Тобол (p2-1, p2-3, p7-11) и оз. Оброчное (p3-1, p7-1, p7-2).

Уровень дифференциации популяций паразита сопоставим с аналогичными показателями хозяина: межпопуляционная доля генетической изменчивости (G_ST) – 0.38, поток генов (N_m) – 0.81 (табл. 5). Однако уровень генетического полиморфизма цестоды в 2 раза ниже, чем у хозяина, особенно в отдельных гемипопуляциях (табл. 4). Уровень полиморфизма в выборках цестод от рыб из разных водных объектов варьирует в пределах 18–45%, генетическое разнообразие – 0.06–0.15 при средних значениях 30.5 ± 6.07% и 0.11 ± 0.02 соответственно. Генетическое сходство между выборками цестод из разных водоемов выше по сравнению с хозяином, в то время как генетические дистанции как минимум в 2 раза меньше, чем у рыб (табл. 5, 6). Наибольшая генетическая дистанция (D = 0.18) наблюдается между популяциями оз. Андреевское и р. Тобол, наименьшая (D = 0.0019) – между популяциями р. Малый Елец и озерами Оброчное и Сундукуль. Как и у хозяина, корреляция между географическими расстояниями и генетическими дистанциями у паразита недостоверна (r = 0.54, p = 0.110).

Дендрограмма генетических дистанций N. mogurndae не согласуется с географическими расстояниями между популяциями, а также не совпадает с дендрограммой окончательного хозяина – ротана (рис. 3). При этом выявлена средняя корреляция между генетическими дистанциями ротана и цестоды (r_S = 0.648, p = 0.847).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Ротан-головешка, впервые зарегистрированный за Уралом в 80-е годы ХХ в., за несколько десятилетий сформировал устойчивые самовоспроизводящиеся популяции в водоемах и водотоках бассейна р. Иртыш. По литературным данным (Решетников, Чибилев, 2009; Корляков, Нохрин, 2014), имеется два водных пути, соединяющих бассейн р. Волга с Обь-Иртышским бассейном – через реки Чусовая и Миасс. Для выяснения точного источника проникновения ротана в Обь-Иртышский бассейн требуются дополнительные исследования популяций вселенца на территории Свердловской и Челябинской областей, в том числе, с использованием генетических маркеров. Поскольку обе эти реки соединяются с р. Исеть, можно предположить, что именно она служила “входными воротами” ротана в Западную Сибирь, и далее путь расселения проходил на восток в направлении Исеть–Тобол–Иртыш–Обь. Исходя из этого предположения, популяции из р. Тобол и ее бассейна можно считать наиболее близкими к исходной популяции в регионе. Наиболее молодой из исследованных следует считать популяцию р. Малый Емец, наиболее удаленную (>1000 км по воде) от исходной популяции.

Суммарные показатели генетического полиморфизма ротана (P = 92%, h = 0.32) в исследованной нами части Обь-Иртышского бассейна оказались довольно высокими, несмотря на его недавнюю интродукцию, что обычно подразумевает заселение небольшой группой (группами) особей, и неизбежно должно отражаться на уровне полиморфизма популяции вселенца вследствие “эффекта основателя”. Если сравнивать с другими видами рыб, то у ротана показатели ISSR полиморфизма не ниже, а в ряде случаев даже выше, чем у широко распространенных видов рыб Обь-Иртышского бассейна. Так, у карповых рыб (язя Leuciscus idus L., ельца Leuciscus idus L. и плотвы Rutilus rutilus Pallas, 1811) по сопоставимому набору маркеров полиморфность варьирует в пределах 83–86%, гетерозиготность – 0.26–0.36 (Zhigileva et al., 2013). У щуки Esox lucius L. и речного окуня Perca fluviatilis L. показатели полиморфизма равны 69.6 и 85%, гетерозиготности – 0.24 и 0.28 соответственно (Жигилева и др., 2017). Сохранение исходного генетического разнообразия ротана при расселении показано и в других работах. В частности, в Европе выявлены все три линии гаплотипов мтДНК этого вида, известные в нативном ареале (Grabowska et al., 2020). Более высокий уровень гетерозиготности и генетической дифференциации ротана на колонизированных территориях по сравнению с исходным ареалом выявлен по данным аллозимного анализа (Golubtsov et al., 2009). Таким образом, суммируя наши данные и данные по другим видам генетических маркеров, можно утверждать, что сокращение генетического разнообразия при расселении нехарактерно для этого вида.

В то же время, в локальных популяциях ротана показатели полиморфизма значительно ниже, и довольно сильно выражена генетическая дифференциация. Высокие уровни дифференциации и преобладание межпопуляционной составляющей генетической изменчивости, зарегистрированные у ротана в исследованной части Обь-Иртышского бассейна, характерны для этого вида и в исходном ареале, что показано с использованием других видов генетических маркеров – микросателлитов (Zhang et al., 2021) и маркеров мтДНК (Yang et al., 2020). Таким образом, можно заключить, что у ротана характерная для него генетическая структура популяций могла сформироваться за относительно короткое время – несколько десятилетий с момента заселения юга Западной Сибири.

Модель изоляции расстоянием, оцененная тестом Мантеля, для ротана оказалась несостоятельна. Это может быть связано с тем, что в процессе активного расселения ротана дифференцировка его локальных популяций, по-видимому, происходит главным образом в результате дрейфа генов. Наличие уникальных генетических вариантов в относительно недавно сформировавшихся популяциях вселенца озер Андреевское, Сундукуль и Оброчное также можно объяснить эффектами генетического дрейфа.

Паразит ротана, цестода N. mogurndae обнаружена во всех исследованных нами водных объектах бассейна р. Иртыш с достаточно высокими показателями встречаемости (до 88–95%) и обилия (5.1–11.8). Аналогичные высокие показатели зараженности этим паразитом описаны для размерной группировки ротана 80–130 мм в его первичном ареале (Ермоленко, 2004). Это, на наш взгляд, свидетельствует об успешной натурализации в водоемах юга Западной Сибири не только ротана, но и его паразита, N. mogurndae. Учитывая, что N. mogurndae имеет сложный жизненный цикл, включение паразита в местные трофические цепи можно рассматривать как признак успешной натурализации инвазивных видов – и паразита, и его хозяина. Наличие N. mogurndae в паразитофауне ротана бассейна р. Иртыш также указывает на рыбохозяйственный, а не аквариумный источник инвазии ротана в регионе, и подтверждает гипотезу о проникновении ротана через Южно-Уральский инвазионный коридор из Волжского бассейна, где оба инвайдера также успешно натурализовались (Соколов и др., 2011а; Kirilenko, Shemonaev, 2017).

У N. mogurndae выявлен более низкий уровень полиморфизма по сравнению с хозяином, что может быть обусловлено его узкой гостальной специфичностью, более стабильными условиями обитания паразита внутри организма хозяина и соответственно с этим меньшей необходимостью приспосабливаться к разным условиям обитания в разных водоемах. Наибольшие показатели инвазии и генетического полиморфизма, а также наличие редких генетических вариантов выявлены в выборке N. mogurndae из р. Тобол. Это может указывать на первичность тобольского очага инвазии этой цестоды в бассейне р. Иртыш и подтверждает выявленную ранее закономерность о ведущем значении этой реки в качестве “входных ворот” для многих инвазивных видов Обь-Иртышского бассейна: “Гидробионты, широко расселившиеся в пределах Обского бассейна, в первую очередь обнаруживаются на восточном склоне Урала в пределах бассейна р. Тобол, а в последствии расселяются по Оби в восточном направлении” (Корляков, Нохрин, 2014, с. 25).

В целом, несмотря на синхронность процессов заселения паразита и хозяина, на что указывают близкие значения показателей генетической дифференциации популяций ротана и цестоды, для них выявлен разный уровень полиморфизма. Влияние генетического дрейфа на популяции паразита выражено сильнее. В отличие от ротана, для цестоды отсутствует даже слабая корреляция генетических дистанций и географических расстояний между ее популяциями. Таким образом, процесс формирования генетической структуры популяций ротана и цестоды во вновь приобретенном ареале можно рассматривать как интересный пример коэволюции двух видов с изначально разным уровнем генетической изменчивости, который, однако, не мешает этим видам успешно осваивать новые территории. При этом необходимо учитывать, что на генетическую структуру популяций цестоды может также влиять популяционная динамика ее промежуточного хозяина – циклопа Mesocyсlops leuckarti (Демпшин, 1985; Košuthová et al., 2008). Однако этот аспект требует дальнейшего изучения.

Выводы. Полученные данные свидетельствуют, что у ротана на приобретенной части ареала (юг Западной Сибири) наблюдается высокий уровень генетического полиморфизма. За несколько десятилетий сформировалась популяционно-генетическая структура с выраженной межпопуляционной компонентой изменчивости, характерная для этого вида в нативном ареале. У паразита ротана, цестоды N. mogurndae, несмотря на более низкий по сравнению с хозяином уровень полиморфизма, процессы генетической дифференциации происходят синхронно с аналогичными хозяина.