Генетика, 2019, T. 55, № 6, стр. 723-727

Микросателлитная изменчивость азиатской корюшки Osmerus dentex Белого моря

А. В. Семенова 1*, А. Н. Строганов 1, Е. В. Пономарева 1, К. И. Афанасьев 2

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, кафедра ихтиологии
119234 Москва, Россия

2 Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук
119991 Москва, Россия

* E-mail: anna.semenova@mail.bio.msu.ru

Поступила в редакцию 15.10.2018
После доработки 03.12.2018
Принята к публикации 12.12.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследована генетическая изменчивость по десяти микросателлитным локусам азиатской зубастой корюшки в выборках из Кандалакшского и Мезенского заливов Белого моря. Средние оценки ожидаемой гетерозиготности по разным локусам варьировали от 0.116 до 0.640, в среднем 0.407. Корюшка из Кандалакшского залива характеризуется меньшими значениями генетического разнообразия (HE = 0.365–0.369, AR = 3.1–3.15) по сравнению с выборкой Мезенского залива (HE = 0.486, AR = 4.02). Показана достоверная (P < 0.001) генетическая дивергенция между корюшкой Кандалакшского и Мезенского заливов, общая оценка генетической дифференциации θ = 7.8%, с 95%-ным доверительным бутстреп-интервалом [2.8–13.6%].

Ключевые слова: популяционно-генетическая структура, микросателлиты, азиатская зубастая корюшка, Osmerus dentex, Белое море.

Азиатская зубастая корюшка Osmerus dentex [1, 2] является одним из наиболее массовых видов рыб семейства Osmeridae. Она распространена в северо-западной части Тихого океана и в арктических морях – Белом, юго-восточной части Баренцева, Карском. В Белом море азиатская корюшка встречается в краевой части ареала и обитает симпатрично с родственным видом – европейской корюшкой O. eperlanus [3, 4].

Азиатская корюшка Белого и юго-восточной части Баренцева морей характеризуется высокой морфоэкологической изменчивостью: по скорости роста и созревания, меристическим и морфометрическим показателям, и в зависимости от местообитания у корюшки выделяют несколько локальных стад или даже географических рас: кандалакшскую, онежскую, двинскую, чешскую [5, 6].

Данные о популяционно-генетической структуре азиатской корюшки на Европейском Севере чрезвычайно скудны. На основании полиморфизма белковых локусов показаны генетические различия между выборками корюшки из Онежского и Двинского заливов Белого моря и юго-восточной части Баренцева моря, трактуемые авторами как несущественные [7]. Также не было обнаружено значительной генетической гетерогенности среди корюшки Белого, Баренцева и Карского морей по маркерам митохондриальной ДНК [810].

В данной работе приведены результаты изучения генетической изменчивости корюшки из двух заливов Белого моря – Кандалакшского и Мезенского на основании изменчивости микросателлитных локусов ядерной ДНК.

Материал для исследований был собран в двух близко расположенных (расстояние около 2 км) локальностях в Ругозерской губе Кандалакшского залива: в проливе Великая Салма (июль 2015 г., N = 44) и в губе Никольской (июнь 2016 г., N = 21); а также в Мезенском заливе (декабрь 2016 г., N = 42). Все образцы были генотипированы по 10 микросателлитным локусам, приведенным ранее в работе Семеновой с соавт. [11]. Экстракцию ДНК, амплификацию и идентификацию аллелей проводили также по [11].

Для проверки качества данных и наличия неамплифицируемых нуль-аллелей использовали программу Micro-Cheker [12]. Популяционно-генетические статистики (аллельное разнообразие, наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность и др.) получены с использованием программ GDA, Genepop, FSTAT [1315]. Для оценки возможного влияния демографических изменений (снижения эффективной численности, так называемое “горлышко бутылки”) на генетическое разнообразие в популяциях корюшки использовали программу BOTTLENECK со стандартными параметрами. Была тестирована гипотеза об избытке гетерозиготности, поскольку в процессе уменьшения размера популяции потеря числа аллелей происходит быстрее, чем уменьшение гетерозиготности [16].

Программа Micro-Cheker не выявила ошибок генотипирования или присутствия нуль-аллелей ни в одном из локусов. Достоверных отклонений от равновесия Харди–Вайнберга не обнаружено.

Всего в 10 микросателлитных локусах обнаружено 52 аллеля, из которых 11 были выявлены только у корюшки Мезенского залива. Все локусы были полиморфны, за исключением локуса HtrG107 мономорфного в выборке губы Никольской Кандалакшского залива. Число аллелей в каждом полиморфном локусе варьировало от 2 (HtrG107, MGPL-Omo2, MGPL-Omo9, MGPL-Omo15, Tpa119) до 7 (MGPL-Omo5), оценки ожидаемой гетерозиготности (HE) изменялись в выборках от 0.023 до 0.790 (табл. 1).

Таблица 1.  

Генетическая изменчивость азиатской корюшки Белого моря по микросателлитным локусам

Локус Показатели Пролив Великая Салма, Кандалакшский залив, N = 44 Губа Никольская, Кандалакшский залив, N = 21 Мезенский залив, N = 42 Среднее на локус
MGPL-Omo1 A/AR 5/4.25 4/4 5/4.02 4.66/4.3
HE/HO 0.627/0.642 0.565/0.714 0.602/0.707 0.598/0.688
MGPL-Omo2 A/AR 2/2 2/2 6/4.74 5.33/4.27
HE/HO 0.225/0.209 0.284/0.238 0.449/0.523 0.320/0.323
MGPL-Omo3 A/AR 5/3.5 4/4 5/4.48 4.66/4.27
HE/HO 0.368/0.380 0.391/0.476 0.469/0.523 0.409/0.460
MGPL-Omo4 A/AR 5/4.63 6/6 4/3.86 5/4.73
HE/HO 0.538/0.571 0.627/0.666 0.557/0.761 0.574/0.665
MGPL-Omo5 A/AR 5/4.86 5/5 7/6.92 5.66/5.30
HE/HO 0.543/0.476 0.586/0.476 0.790/0.916 0.640/0.623
MGPL-Omo9 A/AR 3/2.5 2/2 5/4.8 3.33/3.9
HE/HO 0.448/0.452 0.470/0.523 0.440/0.381 0.453/0.452
MGPL-Omo15 A/AR 2/2 2/2 2/2 2/2
HE/HO 0.441/0.404 0.371/0.285 0.402/0.500 0.405/0.396
MGPL-Omo16 A/AR 5/3.54 3/3 5/4.6 4.33/3.99
HE/HO 0.389/0.414 0.354/0.428 0.487/0.595 0.410/0.479
Tpa119 A/AR 2/1.75 2/2 3/2.76 2.33/2.57
HE/HO 0.047/0.047 0.047/0.047 0.341/0.365 0.145/0.153
HtrG107 A/AR 2/1.5 1/1 2/2 1.66/1.98
HE/HO 0.023/0.023 0.00/0.00 0.326/0.404 0.116/0.142
Среднее в выборке A/AR 3.6/3.15 3.1/3.1 4.4/4.02 3.7/3.9
HE/HO 0.365/0.362 0.369/0.385 0.486/0.568 0.407/0.438

Примечание. А – число аллелей; AR – аллельное разнообразие, скорректированное на размер выборки; HE – ожидаемая гетерозиготность; HO – наблюдаемая гетерозиготность; N – объем выборки.

Средние оценки ожидаемой гетерозиготности и аллельного разнообразия (HE и AR) во всех изученных выборках варьировали от 0.365 до 0.486 и от 3.1 до 4.02 соответственно. Корюшка из Кандалакшского залива характеризуется меньшими значениями генетического разнообразия (HE = 0.365 и 0.369, AR = 3.1 и 3.15) по сравнению с особями из Мезенского залива (HE = 0.486, AR = 4.02).

Глобальная оценка генетической дифференциации, рассчитанная по всем локусам, достоверна: θ = 0.078 c 95%-ным бутстреп-интервалом [2.8–13.6%]. Наибольший вклад в оценку θ вносят локусы MGPL-Omo15 (θ = 0.249), HtrG107 (θ = = 0.157), MGPL-Omo4 (θ = 0.135), Tpa119 (θ = 0.117). Оценки генетической дифференциации достоверны по каждому из изученных локусов, за исключением MGPL-Omo1 и MGPL-Omo16.

Попарные оценки генетической дифференциации FST составили от –0.008 до 0.106. Оценки FST недостоверны для корюшек из двух участков Кандалакшского залива (FST = –0.008, Р > 0.05) и достоверны при сравнениях корюшки Кандалакшского и Мезенского заливов (FST = 0.099–0.106, Р < 0.001).

Генетическая изменчивость корюшки в Белом море значительно ниже, чем на тихоокеанском ареале, в водах Охотского и Берингова побережий Камчатки [11]. Так, при использовании того же набора микросателлитных локусов средние оценки аллельного разнообразия корюшки на Камчатке составили A = 6.05, а средняя ожидаемая гетерозиготность HE = 0.553, в то время как у беломорской корюшки средние значения A = 3.7 и HE = 0.407 (табл. 1). Снижение молекулярного разнообразия корюшек Арктического региона по сравнению с тихоокеанскими показано и на основе изменчивости митохондриальной ДНК [9, 10].

Уменьшение генетического разнообразия может быть следствием колонизации корюшкой арктических морей, во время которой предковая популяция могла подвергнуться редукции эффективной численности (эффект основателя) [10]. Это показано для многих видов рыб, заселяющих новые акватории [1720]. В том числе снижение генетического разнообразия по ядерным и митохондриальным маркерам отмечено и у беломорской сельди тихоокеанского происхождения, которая имеет сходную с корюшкой филогенетическую историю [21, 22]. Предполагают, что заселение морей Европейского Севера видами рыб из Тихого океана произошло сравнительно недавно в геологической шкале исчисления – предположительно во время голоценового климатического оптимума (около 5–8 тыс. лет назад), после открытия Берингова пролива и установления в арктических водах условий, подходящих для расселения представителей бореального зоогеографического комплекса [2, 21, 23, 24]. Кроме того, была выдвинута гипотеза, что азиатская корюшка могла проникнуть в Белое море значительно раньше, более 75 тыс. лет назад, а наступившие затем оледенения пережить в рефугиуме, расположенном предположительно в Мезенском заливе Белого моря [10].

Меньшее генетическое разнообразие корюшки в Белом море, по сравнению с тихоокеанской, может быть следствием обитания на краю ареала, в суровых и нестабильных климатических условиях Арктики, что периодически может приводить к значительному снижению эффективной численности популяции, так называемому “горлышку бутылки” [25].

Тем не менее тестирование выборок корюшки на сокращение численности популяции в недавнем прошлом не выявило достоверного избытка гетерозиготности (0.461 < P < 0.993) и, соответственно, свидетельств о прохождении популяциями “горлышка бутылки”. Наоборот, в выборках из Великой Салмы и Мезенского залива было показано отклонение от мутационно-дрейфового равновесия (sign-тест; Р < 0.003–0.018) и достоверный дефицит гетерозиготности (тест Вилкоксона, Р < 0.003–0.009), что может свидетельствовать о недавней экспансии или притоке редких аллелей от мигрантов [26].

При этом между корюшкой Кандалакшского и Мезенского заливов выявлен значительный уровень генетической дивергенции: θ = 0.078, который соответствует показателям дифференциации группировок с умеренной генетической структурой [27]. Оценки генетической дифференциации между выборками корюшки Восточной (Берингово море) и Западной (Охотское море) Камчатки, полученные на основании тех же микросателлитных локусов, составили θ = 0.028, что меньше, чем различия между корюшкой в пределах Белого моря [11].

Полученные показатели дифференциации по микросателлитным локусам противоречат данным о генетической однородности азиатской корюшки в Белом и Баренцевом морях [7, 9, 10]. Отсутствие внутривидовой структурированности по маркерам мтДНК, показанные в работах [9, 10], не является основанием считать азиатскую корюшку на арктическом ареале репродуктивно единой популяцией, поскольку маркеры мтДНК малоинформативны для исследований внутривидовой структурированности и потока генов [28]. Также следует отметить, что результаты аллозимного анализа, приведенные в работе [7], свидетельствуют о наличии генетической дифференциации корюшки на исследованном ареале, несмотря на то, что авторы делают вывод о несущественности генетических различий. Так, в работе [7] обнаружены высокодостоверные различия по четырем аллозимным локусам между исследованными выборками корюшки Белого и Баренцева морей. Кроме того, была показана значительная генетическая обособленность корюшки Онежского залива Белого моря, с одной стороны, и Двинского залива и юго-восточной части Баренцева моря, с другой (попарные значения F-статистики составили 0.046–0.102, достоверность оценок не приведена) [7].

Можно предполагать, что генетической обособленности и репродуктивной изоляции корюшки в заливах способствует ее приуроченность к рекам и опресненным участкам моря и отсутствие дальних миграций [5, 29].

Полученные результаты позволяют предполагать значительную популяционно-генетическую дифференциацию корюшки Белого моря, вплоть до наличия группировок, возможно, даже подвидового статуса. Границы распространения, популяционно-генетическая структура, состав локальных популяций, причины наблюдаемой дифференциации корюшки требуют дальнейшего исследования с привлечением современных методик молекулярно-генетического анализа.

Авторы выражают благодарность за помощь в сборе материала к. б. н. О.И. Малютину (биологический факультет МГУ).

Работа выполнена при поддержкe Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 19-04-00244, а также по части анализа ДНК-маркеров: №18-016-00033 и ГЗ 0112-2019-2 (подтема “эколого-генетическая структура вида”)). Закупка реактивов для проведения исследований произведена при поддержке Российского научного фонда (грант “Научные основы создания национального банка-депозитария живых систем” № 14-50-00029).

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Список литературы

  1. Nellbring S. The ecology of smelts (genus Osmerus): A literature review // Nordic J. Freshwater Res. 1989. V. 65. P. 116–145.

  2. Taylor E.B., Dodson J.J. A molecular analysis of relationships and biogeography within a species complex of Holarctic fish (genus Osmerus) // Mol. Ecol. 1994. V. 3. № 3. P. 235–248.

  3. Клюканов В.А. Происхождение, расселение и эволюция корюшковых (Osmeridae) // Основы классификации и филогении лососевидных рыб. Л.: ЗИН АН СССР, 1977. С. 13–27.

  4. Аннотированный каталог круглоротых и рыб континентальных вод России / Под ред. Решетникова Ю.С. М.: Наука, 1998. 218 с.

  5. Кирпичников В.С. Биолого-систематический очерк корюшки Белого моря, Чешской губы и р. Печоры // Тр. ВНИРО. 1935. Т. 2. С. 103–194.

  6. Алтухов К.А., Ерастова В.М. Биологическая характеристика корюшки Osmerus eperlanus L. Карельского берега Белого моря // Вопр. ихтиологии. 1974. Т. 14. № 1. С. 83–94.

  7. Сендек Д.С., Студенов И.И., Шерстков В.С. и др. Генетическая дифференциация корюшковых рыб рода Osmerus (Osmeridae, Salmoniformes) на Европейском севере России // Лососевидные рыбы Восточной Фенноскандии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. С. 148–157.

  8. Ковпак Н.Е., Скурихина Л.А., Кухлевский А.Д. и др. Генетическое разнообразие и родственные взаимоотношения корюшек рода Osmerus российских вод // Генетика. 2011. Т. 47. № 8. С. 1081–1096.

  9. Скурихина Л.А., Олейник. А.Г., Кухлевский А.Д. и др. Генетическая дифференциация тихоокеанской корюшки Osmerus mordax dentex по данным анализа митохондриальной ДНК // Генетика. 2015. Т. 51. № 12. С. 1410–1422.

  10. Skurikhina L.A., Oleinik A.G., Kukhlevsky A.D. et al. Phylogeography and demographic history of the Pacific smelt Osmerus dentex inferred from mitochondrial DNA variation // Polar Biol. 2018. V. 41. № 5. P. 877–896. https://doi.org/10.1007/s00300-018-2250-4

  11. Семенова А.В., Строганов А.Н., Бугаев А.В. и др. Анализ изменчивости микросателлитных локусов в популяциях азиатской зубастой корюшки Osmerus dentex Восточной и Западной Камчатки // Генетика. 2019. Т. 55. № 1. С. 70–80.

  12. Van Oosterhout C., Hutchinson W.F., Wills D.P.M., Shipley P. Micro-Checker: Software for identifying and correcting genotyping errors in microsatellite data // Mol. Ecol. Notes. 2004. V. 4. P. 535–538. https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2004.00684.x

  13. Lewis P.O., Zaykin D. Genetic Data Analysis: Computer program for the analysis of allelic data. Version 1.0 (d16c). 2001. Free program distributed by the authors over the internet from http://lewis.eeb.uconn.edu/lewishome/software.html.

  14. Rousset F. Genepop’007: a complete reimplementation of the Genepop software for Windows and Linux // Mol. Ecol. Resources. 2008. V. 8. P. 103–106.

  15. Goudet J. FSTAT, a program to estimate and test gene diversities and fixation indices (version 2.9.3). 2001. Available from http://www2.unil.ch/popgen/softwares/fstat.htm.

  16. Piry S., Luikart G., Cornuet J.M. Computer note. BOTTLENECK: A computer program for detecting recent reductions in the effective size using allele frequency data // J. Heredity. 1999. V. 90. № 4. P. 502–503.

  17. Hewitt G.M. Some genetic consequences of ice ages and their role in divergence and speciation // Biol. J. Linn. 1996. V. 58. P. 247–276.

  18. Grant W.S., Bowen B.W. Shallow population histories in deep evolutionary lineages of marine fishes: insights from sardines and anchovies and lessons for conservation // J. Hered. 1998. V. 89. P. 415–426.

  19. Limborg M.T., Pedersen J.S., Hemmer-Hansen J. et al. Genetic population structure of European sprat, Sprattus sprattus: differentiation across a steep environmental gradient in a small pelagic fish // Mar. Ecol. Prog. Ser. 2009. V. 379. P. 213–224.

  20. Costello A.B., Down T E., Pollard S.M. et al. The influence of history and contemporary stream hydrology on the evolution of genetic diversity within species: an examination of microsatellite DNA variation in bull trout, Salvelinus confluentus (Pisces: Salmonidae) // Evolution. 2003. V. 57. № 2. P. 328–344.

  21. Laakkonen H.M., Lajus D.M., Strelkov P., Väinölä R. Phylogeography of amphi-boreal fish: tracing the history of the Pacific herring Clupea pallasii in North-East European seas // BMC Evol. Biol. 2013. V. 13. P. 67. https://doi.org/10.1186/1471-2148-13-67

  22. Semenova A.V., Stroganov A.N., Afanasiev K.I., Rubtsova G.A. Population structure and variability of Pacific herring (Clupea pallasii) in the White Sea, Barents and Kara seas revealed by microsatellite DNA analyses // Polar Biol. 2015. V. 38. № 7. P. 951–965. https://doi.org/10.1007/s00300-015-1653-8

  23. Андрияшев А.П. Очерк зоогеографии и происхождения фауны рыб Берингова моря и сопредельных вод. Л.: ЛГУ, 1939. 184 с.

  24. Гладенков А.Ю., Гладенков Ю.Б. Начало формирования межокеанических связей Пацифики и Арктики через Берингов пролив в неогене // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 2004. Т. 12. № 2. С. 72–89.

  25. Nei M., Maruyama T., Chakraborty R. The bottleneck effect and genetic variability in populations // Evolution. 1975. V. 29. № 1. P. 1–10.

  26. Luikart G., Cornuet J.M. Empirical evaluation of a test for identifying recently bottlenecked populations from allele frequency data // Conserv. Biol. 1998. V. 12. № 1. P. 228–237.

  27. Животовский Л.А. Популяционная биометрия. М.: Наука, 1991. 253 с.

  28. Allendorf F.W. Genetics and the conservation of natural populations: allozymes to genomes // Mol. Ecol. 2017. V. 26. № 2. P. 420–430. https://doi.org/10.1111/mec.13948

  29. Алтухов К.А., Михайловская А.А., Мухомедияров Ф.Б. и др. Рыбы Белого моря. Петрозаводск: Гос. изд-во Карельск. АССР, 1958. 162 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.