Вопросы ихтиологии, 2023, T. 63, № 1, стр. 61-72

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Собственный материал собран в 2003–2008 гг. в реках Западной Камчатки (табл. 1, рис. 1). Отлов производителей нерки проводили речным закидным неводом на расстоянии 3–15 км от устья во время пика хода поздней (летней) нерки. Молодь отлавливали в верховье р. Плотникова, в 10 км от оз. Начикинское, мальковым неводом в период массового ската, а также в нижнем течении р. Быстрая в месте её впадения в основное русло р. Большая, в 10 км от пос. Карымай.

Рис. 1.

Карта-схема района сбора материала. Выборки нерки Oncorhynchus nerka (): 1 – р. Большая Воровская (устье); 2, 3 – р. Большая (устье); 4 – р. Быстрая (точное место отлова неизвестно); 5 – р. Быстрая, нижнее течение, 10 км от пос. Карымай; 6 – р. Плотникова, верхнее течение, 10 км от оз. Начикинское; 7 – р. Опала (устье), 8 – р. Озерная (устье), 9 – р. Этамынк, 10 – бух. Хакыцин, 11 – р. Кирушутк, 12 – бух. Гаврюшка, 13 – бух. Оладочная, 14 – бух. Северная Дальняя, 15 – р. Выченкия.

В работе проанализированы собственные данные (Хрусталева и др., 2014) по полиморфизму 45 локусов SNP, три из которых (One_CO1, One_Cytb_17, One_Cytb_26) локализованы в митохондриальном геноме, остальные – преимущественно в ядерных генах, диспергированных повторах и EST-последовательностях (Smith et al., 2005; Elfstrom et al., 2006; Habicht et al., 2010). Лишь 42 локуса из 45 были полиморфны во всех выборках. Локусы MHC2_190v2 и MHC2_251v2 были объединены в один MHC2 с четырьмя аллельными вариантами – гаплотипами. Митохондриальные SNP также объединили в один локус mtDNA, причём из возможных восьми гаплотипических вариантов в проанализированных выборках обнаружено лишь три – CGG, TGA и CAG, первые два из которых были массовыми, а третий – минорный, обнаруженный в выборках из рек Большая и Озерная.

В работе также использованы открытые данные Хабичта с соавторами (Habicht et al., 2010; http://www.tandfonline.com/doi/suppl/10.1577/T09-149.1?scroll=top) по частотам аллелей тех же локусов SNP в выборках нерки Юго-Западной Камчатки (таблица).

Вероятностные тесты на генную и генотипическую дифференциацию и парные сравнения выборок по частотам аллелей/генотипов осуществляли в программе GENEPOP 3.4 (Raymond, Rousset, 1995). Вычисление хордовых генетических дистанций Кавалли−Сфорца и построение деревьев методом Neighbors Joining (NJ) осуществляли в программах Populations 1.2.30 и Phylip 3.695, а также в R-пакете Rphylip (Felsenstein, 2013). По полученным бутстреп-оценкам (1000 итераций) и матрице дистанций строили филогенетическую сеть с помощью алгоритма Neighbor-Net (NN) в R пакете phangorn (Schliep, 2011). Анализ главных компонент (PCA) проводили с помощью R-библиотек factoextra (https://rpkgs.datanovia.com/factoextra/index.html) и FactoMineR (Lê et al., 2008), дискриминантный анализ главных компонент (DAPC) выполняли с использованием R-пакета adegenet 1.3-1 (Jombart, Ahmed, 2011). Структуру популяции оценивали de novo, предварительно определив количество кластеров в объединённом массиве данных с помощью итеративного анализа k-средних. Оптимальное число кластеров (K), или генетических групп, зачастую определяется как число K с наименьшими значениями байесовского критерия (BIC) среди найденных кластеров, однако мы руководствовались правилом “каменистой осыпи” (выбирали на кривой зависимости BIC от числа K точку, после прохождения которой заметно снижается средняя скорость изменения функции). Для наших данных число кластеров было принято равным двум для полного набора локусов и трём после исключения локуса mtDNA. Затем в процедуре DAPC использовали оптимальное количество групп, определённое вышеописанным способом, и 30 первых выделенных главных компонент. Далее графически визуализировали вероятности отнесения каждого генотипа к тому или иному кластеру.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Между выборками нерки из водоёмов юго-западного побережья Камчатки прослеживалась значимая гетерогенность аллельных и генотипических частот, определённая суммарно по всем локусам и по 14 SNP из 40 проанализированных в работе (p < 0.0013 после введения поправки на множественные сравнения), в то время как по остальным 26 SNP тесты на гетерогенность не были значимы. При парных сравнениях не обнаружено гетерогенности по частотам аллелей и генотипов между выборками производителей из устьев рек Большая, Большая Воровская и Опала. В популяции нерки бассейна р. Большая достоверных различий не выявлено между производителями, выловленными в устье реки в 2003 и 2004 гг., а также между ними и молодью из нижнего течения р. Быстрая. Значимо отличались от остальных выборки производителей р. Озерная и молоди из верховья р. Плотникова.

Расщеплённая филогенетическая сеть (рис. 2) для западнокамчатских популяций нерки отражает заметную дифференциацию выборок из устья р. Озерная и молоди из р. Плотникова (бассейн р. Большая). Наибольший вес имеет расщепление между парой выборок преимущественно реофильной нерки из рек Быстрая и Опала и остальными выборками (рис. 2а).

Рис. 2.

Филогенетические сети, построенные по хордовым дистанциям методом Neighbor-Net для выборок нерки Oncorhynchus nerka из разных водоёмов Западной Камчатки (а) и с различных нерестилищ бассейна оз. Курильское (б). Численные значения в узлах – индексы бутстрепа (приведены значения ≥30). Выборки: KV – р. Большая Воровская (устье); KB-03, KB-04 – р. Большая (устье); KBb – р. Быстрая, нижнее течение, 10 км от пос. Карымай; KBp – р. Плотникова, верхнее течение, 10 км от оз. Начикинское; KOp – р. Опала (устье), KO – р. Озерная (устье), KOet – р. Этамынк, KOhak – бух. Хакыцин, KOkir – р. Кирушутк, KOgav – бух. Гаврюшка, KOol – бух. Оладочная, KOsev – бух. Северная Дальняя, KOvych – р. Выченкия.

По результатам ординации выборок в пространстве первых двух главных компонент (рис. 3а), выборки речной нерки из рек Большая, Опала, Большая Воровская и Быстрая сформировали общий кластер, от которого равноудалены выборки озёрной нерки из оз. Курильское (бассейн р. Озерная) и молоди из верховья р. Плотникова (преимущественно представленной покатниками из оз. Начикинское). При добавлении выборок из бассейна оз. Курильское (Habicht et al., 2010) общая картина кластеризации принципиально не меняется, а выборки нерки оз. Курильское обособляются в две лежащих рядом группы: в центре первой сгруппированы выборки из притоков (р. Этамынк, р. Кирушутк, р. Выченкия), их окружают литоральные выборки из южной части озера (бух. Гаврюшка и бух. Хакыцин); вторая сформирована двумя литоральными выборками из северной и восточной частей озера (бух. Северная Дальняя и бух. Оладочная) и смешанной выборкой из устья р. Озерная (рис. 3б). Взаиморасположение выборок из разных частей бассейна оз. Курильское на расщеплённой сети также свидетельствует о близости двух речных выборок нерки раннего нереста из рек Кирушутк и Выченкия (рис. 2б). В общую с ними кладу попала выборка средних сроков нереста из группировки, воспроизводящейся в бух. Хакыцин на литоральном нерестилище, расположенном относительно недалеко (на расстоянии 1.4 км) от устья р. Кирушутк. Нерка наиболее поздних сроков нереста (9 октября) из бух. Оладочная в наибольшей степени дистанцирована от остальных. Если ограничиться рассмотрением только расположения выборок из бассейна оз. Курильское на плоскости двух первых главных компонент (рис. 4), то можно заметить, что вдоль первой оси, определяющей около трети генетической изменчивости данных, выборки расположились в порядке изменения сроков нереста: от группировок, нерестящихся позже всех (в октябре) на литорали бух. Оладочная, до речных ранненерестящихся (в июле) популяций из притоков озера, среднее положение занимают группировки с промежуточными сроками нереста. В то же время по второй компоненте прослеживается связь с географическим делением популяций на две группы: рыб, воспроизводство которых сосредоточено на нерестилищах, локализованных вдоль северного и восточного побережий, и юго-западную группировку.

Рис. 3.

Ординация выборок нерки Oncorhynchus nerka из разных водоёмов Западной Камчатки (а) и с различных нерестилищ бассейна оз. Курильское (б) в пространстве двух первых главных компонент (ГК). Выборки (): KBb-98 – р. Быстрая (точное место отлова неизвестно); KBb-04 – р. Быстрая, нижнее течение, 10 км от пос. Карымай, остальные см. на рис. 2. (⚫) – центроиды групп; эллипсы – 95%-е доверительные интервалы для групп.

Рис. 4.

Расположение выборок нерки Oncorhynchus nerka бассейна оз. Курильское в пространстве двух первых главных компонент (ГК). Тип выборки: (⚫) – с озёрного нерестилища, (▲) – с речного нерестилища, (◼) – смешанная; обозначения выборок см. на рис. 2.

Для классификации особей и выявления генетической подразделённости нерки юго-западного побережья Камчатки был проведён анализ DAPC (рис. 5). При включении в анализ всех полиморфных локусов оптимальное число кластеров определено как K = 2 (рис. 5а, 5в). Однако единственным локусом, вклад которого был значим при таком делении на кластеры, оказался mtDNA. Подразделённость особей на две группы происходит главным образом вследствие существования двух филогенетических линий митохондриальной ДНК (мтДНК) нерки на азиатской части ареала в связи с особенностями её палеорасселения и формирования здесь зоны вторичного контакта. Причём на Западной Камчатке центральные гаплотипы обеих линий более или менее равномерно распределены во всех популяциях (Khrustaleva, 2016). После исключения локуса mtDNA было выделено три кластера (рис. 5б), при этом все речные выборки оказались смешанными, а лимнофильная нерка из озёр Курильское и Начикинское была представлена преимущественно вторым и третьим кластерами (рис. 5г).

Рис. 5.

Разделение групп особей нерки Oncorhynchus nerka в пространстве первой дискриминантной функции по всем 39 локусам (а) и ординация кластеров, выделенных методом k-средних, в пространстве двух первых дискриминантных функций (б) по 38 локусам (за исключением mtDNA) с применением дискриминантного анализа главных компонент DAPC; в, г – гистограммы, отражающие вероятности отнесения особей к выделенным кластерам (P): (◼) – 1, () – 2, () – 3. Обозначения выборок см. на рис. 2.

ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам анализа полиморфизма 45 локусов SNP в выборках, собранных на речных и литоральных нерестилищах оз. Курильское, можно заключить, что нерка этого стада подразделяется на две более или менее обособленные группировки – юго-западную и северо-восточную. Структура кластеров на диаграммах PCA и топология филогенетической сети коррелируют с данными по времени заполнения нерестилищ и географической изменчивостью сроков нереста в бассейне озера. Так, первые производители начинают строить гнёзда в северной части озера и в р. Выченкия (нерест в этих районах проходит с конца июля по конец ноября), несколько позже, в середине августа, начинается нерест в южной части озера и в р. Этамынк (и продолжается здесь до конца января) (Егорова, 1968). Таким образом, нерку, нерестящуюся на литорали озера, также условно можно разделить на более раннюю и более позднюю – первая приступает к нересту в конце июля, вторая почти на три недели позже (Егорова, 1968; Пильганчук, Варнавская, 2010; Пильганчук и др., 2010). По другим данным (Селифонова, 1978), нерка начала хода распределяется по всем нерестилищам. Производители середины хода заполняют нерестилища южной и западной частей озера – все озёрные, а также исток р. Озерная. Рыбы конца хода нерестятся в реках южной и западной частей озера и на восточных и южных участках озёрной литорали. При этом на одних и тех же нерестилищах может нереститься нерка разных периодов хода, равно как производители одного периода хода могут распределяться по нерестилищам разных типов, массовый нерест на которых начинается не одновременно и длительность его различна.

Первая главная компонента в факторном анализе оказалась удовлетворительно ассоциирована со сроками нереста нерки в бассейне оз. Курильское и имела наибольшую нагрузку по локусам U503-170, U504-141, MHC, Prl2, GPH-414. Необходимо отметить, что большинство из перечисленных локусов были кандидатами на действие направленного отбора в популяциях нерки как азиатского, так и североамериканского побережий Тихого океана (Ackerman et al., 2011; Gomez-Uchida et al., 2011; Хрусталева и др., 2017). Таким образом, вероятно, различия по срокам нереста в основном обусловлены селективными процессами, в то время как географическая подразделённость нерки в бассейне оз. Курильское объясняется факторами, связанными с ограничением потока генов между группировками, так как основной вклад во вторую компоненту внесли потенциально селективно нейтральные локусы или находящиеся под балансирующим отбором в ряде локальностей − VIM-569, zP3b, MARCKS-241 (Хрусталева и др., 2014).

По полученным нами данным можно сделать предварительный вывод о том, что различные сроки нереста нерки на отдельных северных и южных литоральных нерестилищах, а также в притоках озера связаны с подразделённостью данного стада на более или менее крупные темпоральные, экологические и/или географические группировки. Очевидно, что этот вопрос требует дальнейшей более детальной проработки.

По результатам генетической кластеризации с помощью анализа DAPC можно предположить, что выборки, которые собраны в нижнем течении рек Западной Камчатки, расположенных севернее р. Озерная, представлены смесью особей, отнесённых к разным кластерам или, вероятно, разным симпатрически или аллопатрически изолированным популяциям. В то же время генотипы особей озёрной формы (из оз. Курильское и оз. Начикинское), по-видимому, произошли в результате смешения двух предковых (или, что менее вероятно, ныне живущих) популяций, идентифицированных нами как кластеры 2 и 3 (рис. 5). Среди проанализированных выделяется также выборка молоди из р. Быстрая, которая практически полностью состоит из особей, отнесённых к первому кластеру. Так как в бассейне р. Быстрая нет крупных озёр, подходящих для воспроизводства и нагула молоди этого вида, всю нерку реки Быстрая можно отнести к реофильной форме (в бассейне р. Дукук, притоке р. Быстрая, есть небольшое ледниковое оз. Крохтин, однако вся нерка данного водоёма нерестится исключительно в притоках, на литорали озера подходящих для неё нерестилищ нет). Вполне вероятно, что такое деление на кластеры соответствует двум жизненным стратегиям нерки: экологической диверсификации на две генеративные формы – лимнофильную и реофильную, различающиеся, в частности, не только типами нерестовых биотопов, но и плодовитостью, продолжительностью пресноводного периода жизни и спектром питания молоди (Смирнов, 1975).

Выявленный как в настоящей работе, так и в предыдущих наших исследованиях (Хрусталева и др., 2014, 2017) низкий уровень дифференциации западнокамчатских популяций нерки наиболее вероятно объясняется общностью их происхождения. Согласно распространённым представлениям, большинство популяций азиатской нерки по историческим меркам относительно молодые, и их возраст не превышает 10–12 тыс. лет (Черешнев, 1998; Брыков и др., 2005), так как её современный ареал в значительной степени совпадает с предполагаемой областью последнего Висконсинского оледенения (максимум ~26.5−19.0 тыс. лет назад, дегляциация ~ 16.90−12.68 тыс. лет назад) в Северной Пацифике (Брайцева, Евтеева, 1968; Брайцева и др., 1968; Величко, Фаустова, 1989). Ранее по результатам анализа изменчивости контрольного региона мтДНК мы установили, что вся азиатская часть ареала нерки является зоной вторичного контакта, возникшей в результате взрывной экспансии данного вида в период Голоценовой трансгрессии и колонизации большинства водоёмов п-ова Камчатка двумя генетическими линиями нерки, имевшими разное происхождение (т.е. выходцами из разных рефугиумов, существовавших, вероятно, в районе Берингии и/или на Американском или Евразийском континенте) (Khrustaleva et al., 2020). По мнению Варнавской (2006), крупные региональные комплексы нерки совпадают с центрами расселения вида, а в районах высокой численности могут располагаться так называемые популяционные ядра – предковые популяции, давшие начало всем остальным популяциям в регионе. Автор предполагала наличие таких центров в бассейнах рек Большая и Озерная. Действительно, в течение верхнечетвертичных ледниковых максимумов значительная часть Западнокамчатской низменности была занята льдом (Брайцева, Евтеева, 1968; Гросвальд, 2009), не покрывались ледниками лишь верхние участки некоторых рек Центрально- Камчатской депрессии (р. Быстрая, бассейн р. Большая) и южной части Западно-Камчатской низменности (р. Плотникова, бассейн р. Большая) (Брайцева, Евтеева, 1968), где могли сохраниться “реликтовые” популяции нерки, существовавшие на этой территории с доледниковой эпохи. Такие популяции при достаточной численности и тенденции к стреингу потенциально могли стать центрами расселения вида в Голоцене. Так, отличия ранней нерки из оз. Начикинское (верховье р. Плотникова, бассейн р. Большая) от речных и нерестящихся позднее литоральных популяций данной озёрно-речной системы были выявлены по результатам анализа полиморфизма аллозимных локусов, в связи с чем сформулирована гипотеза о её более древнем происхождении, связанном с горными рефугиумами на территории Камчатки (Varnavskaya et al., 1994). Ранняя нерка оз. Начикинское также значимо отличалась по частотам семи микросателлитных локусов от поздней нерки, воспроизводящейся в том же озере и от речных популяций р. Большая (личное сообщение О.А. Пильганчук, КамчатНИРО). Основываясь на этих данных, можно высказать предположение о её особом статусе. Однако весьма маловероятно, что эта форма могла внести ощутимый вклад в формирование популяционного комплекса Юго-Западной Камчатки, так как существенно отличалась не только от других современных популяций бассейна р. Большая, но и от нерки оз. Курильское (р. Озерная) по частотам тех же локусов (Пильганчук и др., 2016). Наша выборка покатников из оз. Начикинское (KBp) также может содержать долю представителей ранней сезонной расы, воспроизводящейся в этом озере, так как скат молоди обеих рас проходит одновременно, в связи с этим, вероятно, выявляются её генетическое своеобразие и отличия от остальных выборок из бассейна р. Большая и из оз. Курильское.

Оз. Курильское в бассейне р. Озерная, где воспроизводится крупнейшее в Азии стадо нерки, геологически более молодое; образование озёрной котловины и формирование его современного рельефа шло в позднеплейстоценовую эпоху в результате активной тектонической деятельности – вулканического взрыва и опускания части озёрной впадины (Бугаев и др., 2009). Таким образом, наиболее вероятным сценарием послеледникового расселения вида на этой территории могла быть колонизация озёрно-речных систем юго-запада полуострова адвентивными популяциями и последующее формирование высокочисленного стада р. Озерная вследствие сложившихся благоприятных условий для размножения и нагула молоди в бассейне оз. Курильское. Это подтверждается результатами анализа DAPC, согласно которым все популяции данного комплекса, наиболее вероятно, имели “гибридное” происхождение, т.е. сформировались в результате генетического смешения как минимум двух предковых генофондов.

Кроме того, генетическое единообразие нерки Юго-Западной Камчатки может объясняться умеренным потоком генов между соседними речными бассейнами. В пользу данного предположения выступает тот факт, что все расположенные севернее устья р. Озерная речные бассейны не имеют в системе притоков крупных озёр, подходящих для размножения, и населены преимущественно реофильной неркой. Последняя характеризуется более высоким генетическим разнообразием, которое, вероятно, поддерживается за счёт её большей миграционной активности и более низкого хоминга (Beacham et al., 2006).

Обращает на себя внимание относительно более высокая степень дивергенции между неркой р. Озерная и другими воспроизводящимися в данном районе, в том числе и в непосредственном соседстве с ней, речными популяциями. Всю нерку этой озёрно-речной системы можно отнести к озёрной форме, а экотипическое многообразие и экологические особенности данной популяции, связанные с длительным пресноводным нагулом молоди в озере и особенностями миграции в море и эстуарного периода, с высокой долей вероятности дают почву для возникновения специфических локальных адаптаций и, соответственно, генетических отличий нерки р. Озерная от нерки других рек Западной и Юго-Западной Камчатки. Вероятно, данная популяция сохраняет свои генетические особенности благодаря высокой численности, так как при высокой эффективной численности дрейфом и потоков генов из соседних речных бассейнов можно практически пренебречь, при этом основные миграционные потоки направлены из р. Озерная в соседние речные бассейны, а не наоборот, что в свою очередь приводит к выравниванию генных частот в данных популяциях. Таким образом, общность происхождения, наличие хоть и незначительного, но устойчивого потока генов, географическая близость, сходство абиотических условий раннеморского нагула и климатических факторов в пресноводном периоде и прочее дают нам все основания приобщить популяции нерки юго-запада Камчатки к одному региональному комплексу (биокомплексу), способному реагировать как единая буферная система на внешние воздействия. Разнообразие жизненных стратегий, экотипическое многообразие и широкий спектр локальных адаптаций в популяциях отдельных озёрно-речных систем обеспечивают его долгосрочную стабильность. Тем не менее рациональный промысел должен быть нацелен на устойчивую эксплуатацию таких систем, в том числе на сохранение разнообразия и поддержание численности каждого структурного компонента биокомплекса, так как снижение эффективной численности отдельных популяций, сезонно-экологических рас, форм или отдельных экотипов может привести к тому, что эффекты генетического дрейфа смогут перевесить эффекты отбора, что приведёт к элиминации отдельных компонентов, снижению разнообразия и неустойчивости системы в целом.

В качестве заключения хотелось бы кратко остановиться на принципиально новых выводах, сформулированных в настоящей статье по сравнению с уже опубликованными ранее данными по изменчивости тех же локусов SNP в популяциях Западной Камчатки (Хрусталева и др., 2014). Имеющиеся на текущий момент сведения из источников литературы, открытые данные других исследователей, а также полученные нами ранее результаты анализа вариабельности мтДНК и однонуклеотидного полиморфизма ядерной ДНК позволили нам обосновать ряд гипотез о происхождении популяций западнокамчатского комплекса из общих предковых генофондов в процессе колонизации неркой восточноохотоморского побережья Камчатки после отступления ледника и отсутствия крупных центров расселения вида в данном регионе; выдвинуть предположение о возможных причинах отличий ранней нерки оз. Начикинское от остальных популяций бассейна р. Большая и соседних с ним озёрно-речных систем; рассмотреть особенности нейтральных демографических и селективных процессов, потенциально возможных в современном биокомплексе Юго-Западной Камчатки; продемонстрировать подразделённость выборок с разных нерестилищ оз. Курильское в соответствии с географической и сезонной изменчивостью сроков нереста нерки в бассейне озера; и, наконец, выявить локусы SNP, ответственные за дифференциацию нерестовых группировок нерки оз. Курильское.