Популяционный состав неполовозрелой нерки в западной части Берингова моря в осенний период

2007

Известия ТИНРО

Том 151

УДК 597.553.2

О.Ф. Гриценко, Н.В. Кловач, Д.А. Зеленина, A.M. Хрусталева, Н.С. Мюге

ПОПУЛЯЦИОННЫ1Й СОСТАВ НЕПОЛОВОЗРЕЛОЙ НЕРКИ В ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ БЕРИНГОВА МОРЯ В ОСЕННИЙ ПЕРИОД

Существует большое количество данных, касающихся распространения американских и азиатских стад нерки, которые основаны на результатах мечения, паразитологических и морфологических исследований, однако, зачастую полученные разными методами, противоречат друг другу. В настоящее время для определения происхождения нерки в смешанных морских скоплениях широко применяются генетические методы. Наиболее популярными среди них являются методы, основанные на анализе единичных нуклеотидных полиморфизмов (SNP), которые имеют ряд преимуществ, таких как высокая воспроизводимость и возможность однозначной трактовки результатов. Нами были проанализированы образцы из 9 российских и 4 американских популяций. Морские пробы были собраны в сентябре—октябре 2004 г. во время комплексной траловой съемки на НИС "ТИНРО" в Беринговом море между 161° в.д. и 178° з.д. Вся пойманная рыба была неполовозрелой. Анализ проводился по 5 SNP-локусам с помощью аллель-специфической ПЦР, праймеры для проведения которой были разработаны нами. Показано, что около 72 % особей из северо-западной части Берингова моря имели азиатское происхождение. Наибольшим количеством экземпляров были представлены популяции с Чукотки и из р. Камчатка.

Gritsenko O.F., Klovach N.V., Zelenina D.A., Khrustaleva A.M., Muge N.S. Population structure of immature sockeye salmon in the western Bering Sea in autumn // Izv. TINRO. — 2007. — Vol. 151. — P. 206-213.

Data on the American and Asian stocks of sockeye salmon distribution obtained by different methods (on the results of tagging, parasitological, or morphological investigations) are contradictory. That's why genetic methods based on DNA analysis are widely used recently to determine the sockeye origin in mixed stocks. The method of single nucleotide polymorphism (SNP) analysis is used that has advantages as high reliability, reproducibility and unambiguous interpretation of results. Five SNP loci were used. Tissue samples of the specimens from nine Russian and four American populations were analyzed for creation of reference genetic baseline. Sea samples were collected in trawl survey of RV TINRO in the area between 161° E and 178° W conducted in September—October of 2004. All specimens caught were immature. In the catches obtained in the northwestern Bering Sea, 72 % of specimens belonged to the Asian coast populations, mainly originated from Chukotka and the Kamchatka River. These results confirm the previous data about mixing the Asian and American sockeye stocks between 175° E and 175° W.

Введение

К настоящему моменту имеются обширные сведения о распространении американских и азиатских стад нерки, основанные на результатах многолетнего мечения (Myers et al., 1996), паразитологических (Margolis, 1963, 1998; Margolis

206

е! а1., 1966; Коновалов, 1971; Веа^ат, Margolis, 1998; Бирман, 2004) и морфологических (Bugaev, 2003) данных. Результаты, полученные разными методами, часто бывают противоречивы, что обусловлено целым рядом факторов и прежде всего тем, что до сих пор никому не удалось охватить исследованиями все сезоны и районы распространения половозрелой и неполовозрелой нерки различных стад Азии и Северной Америки.

Так, с помощью мечения трудно получить данные о распределении неполовозрелых лососей, особенно проживших менее двух лет в море, из-за очень высокой их естественной смертности. Паразитологический метод, успешно использовавшийся для идентификации бристольской и камчатской нерки, не позволяет дифференцировать рыб не столь крупных локальных стад. Кроме того, разрешающая способность этого метода ограничена значительной межгодовой изменчивостью степени зараженности паразитами и изменением распространения паразитов во времени.

Надежность идентификации возрастает, если применять несколько методов комплексно (например, сочетание использования паразитов-индикаторов и особенностей строения чешуи) с последующим сравнением полученных результатов с результатами мечения.

На сегодняшний день, резюмируя имеющиеся в нашем распоряжении литературные источники, можно констатировать, что зона перекрывания районов нагула азиатской и американской созревающей нерки значительна и находится между 168° в.д. и 175° з.д. Однако в этой обширной зоне нагуливается менее 1 % общей численности азиатских и американских стад. Следует отметить, что перекрывание ареалов происходит главным образом в открытых водах и американской зоне ^г^епко е! а1., 2003). Созревающая в текущем году нерка встречается в океане и Беринговом море в апреле — первой половине июля. Начиная со второй половины июля количество неполовозрелой нерки быстро увеличивается, а созревающей в текущем году — уменьшается. К августу практически вся нерка в морских водах является неполовозрелой. В Беринговом море и приалеутс-ком районе Тихого океана нагуливается нерка и азиатская, и североамериканская. Причем в Беринговом море неполовозрелая нерка, по-видимому, нагуливается начиная со второй половины июля, после ухода половозрелых особей в районы нереста. Неполовозрелая нерка распространена в северной части Тихого океана и Беринговом море значительно шире половозрелой, тяготеющей в год нерестовой миграции к районам воспроизводства.

Как было показано исследователями, изучавшими распределение различных стад нерки с помощью чешуе-паразитологического метода (Мащо^, 1963, 1998; Мащо^ е! а1., 1966; Коновалов, 1971) в 1950 и 1960-х гг., неполовозрелая нерка Бристольского залива в августе была распространена в северной Пацифике от 172° в.д. до 145° з.д. и от 49 до 50° с.ш. В зал. Аляска она поднималась до 56° с.ш. В Беринговом море ловилась на акватории от 170° в.д. до 175° з.д., поднимаясь на север вплоть до 60° с.ш. Камчатская неполовозрелая нерка распространена летом у Алеутских островов от 167°30' в.д. до 172°30' в.д. и с юга на север в пределах 48-52° с.ш. В Беринговом море она распространялась на восток вплоть до 170° з.д.

Таким образом, согласно данным чешуе-паразитологического анализа, проводившегося в 1950-1960-е гг., когда численность лососей была существенно ниже сегодняшней, основное смешение неполовозрелой нерки американских и азиатских стад в летне-осенний период наблюдалось в Беринговом море между 175° в.д. и 175° з.д. Причем количественное доминирование менялось от года к году в зависимости от соотношения численности тех или иных стад (Коновалов, 1971; Мащо^, 1998). Можно предположить, что в настоящее время, когда численность как азиатских, так и американских стад лососей (в том числе и нерки) находится на очень высоком уровне, неполовозрелая нерка распространена в период нагула на значительно большей акватории, чем это было в 1950 и 1960-е гг.

207

В настоящее время для идентификации стад нерки в смешанных морских уловах применяются различные, в том числе генетические, методы. В последние годы в популяционно-генетических исследованиях наряду с изучением белкового полиморфизма широко применяется ряд методов анализа изменчивости ДНК. Методы анализа ДНК, несомненно, обеспечивают получение гораздо более полной картины генетической структуры популяций, поскольку нуклеотидные последовательности, кодирующие белки, составляют лишь небольшую часть генома, а методом электрофореза выявляется не более 30 % аминокислотных замещений в составе белковых молекул (Hallerman, Beckman, 1988). Помимо этого, анализ изменчивости ДНК позволяет в ряде случаев достаточно точно определять попу-ляционную принадлежность отдельной особи. В течение ряда лет в России, США и Канаде активно проводятся молекулярно-генетические исследования как азиатской (Брыков и др., 2003, 2005; Зеленина и др., 2006), так и североамериканской нерки (Nelson et al., 1998; Beacham et al., 2000, 2005). Для изучения попу-ляционной структуры нерки применялись различные методы, в том числе анализ полиморфизма митохондриальной ДНК, RAPD-анализ и микросателлитный анализ. Все они позволяют с той или иной степенью надежности дифференцировать исследуемые популяции, однако в последнее время все больше исследователей отдают предпочтение анализу единичного нуклеотидного полиморфизма (SNP). Существенное преимущество этого метода состоит в том, что, помимо его надежности и однозначной трактовки полученных данных, его результаты полностью воспроизводимы при проведении параллельных исследований в различных лабораториях вне зависимости от способа анализа, используемых реактивов и оборудования (Zelenina et al., 2005).

Настоящая работа выполнена в рамках международной программы BASIS. Цель ее состоит в определении популяционной принадлежности нерки, нагуливающейся в Беринговом море.

Материалы и методы

Материал был собран в сентябре—октябре 2004 г. во время комплексной траловой съемки на НИС "ТИНРО". Объем и краткая биологическая характеристика собранного на генетический анализ материала представлены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика собранных на молекулярно-генетический анализ проб нерки из траловых уловов в Беринговом море в 2004 г.

Table 1

Samples collected for molecular-genetic analysis during complex trail survey in Bering Sea in 2004

Выбор-ка Дата Координаты Широта (с.ш.) Долгота Объем выборки, экз. Средняя длина, см Средняя масса, г

1 12-16 сен 50,47-53,34 161,80-163,90 в.д. 21 48,4 1470,6

2 26 сен 53,87-54,34 169,04-170,28 в.д. 24 41,4 897,7

3 05 окт 56,98 174,16 в.д. 50 41,0 867,1

4 11 окт 58,97 169,95 в.д. 28 39,8 820,1

5 16 окт 59,02-59,03 174,05-176,04 в.д. 24 42,0 909,9

6 17 окт 59,04-60,03 178,05-179,04 в.д. 41 40,3 801,5

7 22 окт 61,03-62,19 178,04-178,79 з.д. 6 40,2 743,7

Вся пойманная рыба была неполовозрелой. Для генетического анализа нерки использовали фрагмент грудного плавника.

Необходимым условием для проведения исследований по определению происхождения рыб в смешанных морских скоплениях является создание репер-ной базы генетических данных по основным популяциям. С этой целью в 2003208

2005 гг. нами были собраны образцы тканей половозрелой нерки из нерестовых водоемов Камчатки, Чукотки, северных Курильских островов и материкового побережья Охотского моря. Образцы тканей нерки американских популяций были предоставлены нам доктором Дж. Сибом (Департамент охоты и рыболовства штата Аляска, США). Объем выборок и сроки сбора материала представлены в табл. 2.

Таблица 2

Реперные популяции нерки

Table 2

Main coastal sockeye salmon populations

Обозначения Место сбора Объем выборки, экз. Дата сбора проб

Ch П-ов Чукотка, оз. Ваамочка 46 28.07.2004

Okh Мат. побережье Охотского моря, р. Охота 55 22.07.2004

Kur Северные Курильские о-ва, о. Шумшу, оз. Беттобу 49 30.07-05.08.2004

KK П-ов Камчатка, р. Камчатка 51 28.06-09.07.2004

KAz П-ов Камчатка, оз. Азабачье 50 03-13.07.2004

KPh П-ов Камчатка, р. Пахача 54 17-27.06.2005

KB П-ов Камчатка, р. Большая 101 23-30.07.2003; 11-20.08.2004

KO П-ов Камчатка, р. Озерная 48 04-07.08.2003

KP П-ов Камчатка, р. Палана 51 10-21.07.2003

AS США, штат Аляска, оз. Скилак 40 1994 г.

AK США, штат Аляска, р. Катлату 40 2003 г.

AC США, штат Аляска, оз. Когхил 40 1992 г.

ACh США, штат Аляска, р. Чинкеллис 41 2000 г.

Анализ проводили методом SNP по пяти локусам: 0ne-mhc109, 0ne-mhc190, One-mhc251, One-Prl2 и One-CytB26. Детекцию SNP осуществляли с помощью аллель-специфической ПЦР. SNP-специфические праймеры были разработаны нами на основании последовательностей, предоставленных сотрудниками Департамента охоты и рыболовства штата Аляска.

Результаты и обсуждение

Частоты аллелей пяти SNP локусов исследованных популяций представлены в табл. 3 и графически отображены на карте (рис. 1). UPGMA-дендрограмма генетического сходства исследованных популяций представлена на рис. 2. Следует отметить, что популяции западного и восточного побережий Берингова моря не образуют отдельных кластеров, что, возможно, определяется их недавним (около 10000 лет) заселением из единого перигляциального убежища (Берингий-ский рефугиум) в послеледниковый период (Beacham et al., 1995; Wood, 1995; Пустовойт, 2001).

Результаты анализа принадлежности рыб из смешанных морских скоплений представлены в табл. 4 и на рис. 3. Около 72 % рыб, отловленных в северозападном участке Берингова моря, принадлежат к популяциям западного побережья. Наибольшая доля рыб, собранных в этом регионе, относится к популяциям Чукотки и р. Камчатка. Привлекают внимание две особенности популяционного состава смешанных уловов:

1) относительно небольшая доля особей крупнейшего азиатского стада нерки — стада р. Озерной. По-видимому, основная часть особей этого стада нагуливается за пределами Берингова моря;

Таблица 3

Частоты SNP-аллелей различных популяций нерки

Table 3

SNP-allele frequencies in different populations

Mhc-251 AC ACh AK AS Ch KB KK KKA KO KP KPh Kur O

1 37,50 30,49 83,75 41,25 44,57 69,19 55,88 73,00 57,29 7,00 69,81 67,02 88,68

2 62,50 69,51 16,25 58,75 55,43 30,81 44,12 27,00 42,71 93,00 30,19 32,98 11,32

Mhc-190 AC ACh AK AS Ch KB KK KKA KO KP KPh Kur O

1 64,71 23,75 31,58 64,47 77,17 51,50 89,00 52,00 31,91 49,00 30,77 77,08 21,82

2 35,29 76,25 68,42 35,53 22,83 48,50 11,00 48,00 68,09 51,00 69,23 22,92 78,18

Mhc-109 AC ACh AK AS Ch KB KK KKA KO KP KPh Kur O

1 52,50 9,76 16,67 2,27 27,32 40,63 91,18 1,92 26,53 11,70

2 47,50 90,24 83,33 100,00 97,73 72,68 100,00 100,00 59,38 8,82 98,08 73,47 88,30

Prl2 AC ACh AK AS Ch KB KK KKA KO KP KPh Kur O

1 56,25 31,71 40,00 38,75 43,48 29,00 49,00 46,94 30,21 57,45 62,04 10,42 55,45

2 43,75 68,29 60,00 61,25 56,52 71,00 51,00 53,06 69,79 42,55 37,96 89,58 44,55

CytB26 AC ACh AK AS Ch KB KK KKA KO KP KPh Kur O

1 73,53 47,37 18,18 62,50 58,70 39,36 18,37 45,83 50,00 46,00 55,77 51,02 29,09

2 26,47 52,63 81,82 37,50 41,30 60,64 81,63 54,17 50,00 54,00 44,23 48,98 70,91

Рис. 1. Локализация исследованных реперных популяций и графическое отображение частот SNP-аллелей по 5 локусам

Fig. 1. Coastal populations location and allele frequencies bar graphs for 5 loci

,5

225

15

075

52

0,000

as I AS

32 I

-a

Ch

KK

AK

Okh

KAz

KFh

KB

КО

Kur

ACh

AC

KP

Рис. 2. Дендрограмма генетического сходства популяций нерки из нерестовых водоемов

Fig. 2. Dendrogramme of genetic similarity of sockeye salmon populations

Таблица 4

Соотношение российской и американской неполовозрелой нерки в смешанных морских пробах

Table 4

Russian and American ummatured sockeye salmon ratio in mixed stocks

№ выборки

Объем выборки, экз.

Россия Кол-во экземпляров

%

США Кол-во экземпляров %

2) относительно большой показатель особей из малочисленных популяций нерки — северокурильской и р. Охоты. В этой связи интересно отметить, что в 2006 г. численность нерки на северных Курильских островах была необычайно велика. Нерка в больших количествах зашла в те водоемы, где ранее встречалась единично. Ее нерестовый ход в 2006 г. был длительным — до конца сентября. Это наблюдение свидетельствует о том, что высокая доля неполовозрелой северокурильской нерки в морских сборах 2004 г. не была артефактом, а отражала реальную ситуацию.

1 21 16 76 5 24

2 19 13 68 6 32

3 49 38 78 11 22

4 24 20 83 4 17

5 24 19 79 5 21

6 41 31 75 10 25

7 6 3 50 3 50

Рис. 3. Соотношение российской и американской неполовозрелой нерки в смешанных морских пробах; темным цветом обозначена доля российской нерки, светлым — американской

Fig. 3. Russian and American immature sockeye salmon ratio in mixed stocks; Russian sockeye is shown in dark, American — in light

Принадлежность нерки из смешанных морских проб к изученным реперным популяциям представлена в табл. 5. Обобщающая диаграмма популяционного состава нерки в исследуемом районе — на рис. 4.

№

Популяционный состав нерки из морских проб, экз.

Population content of sockeye salmon sea samples, number of individuals

Количество экземпляров

Таблица 5 Table 5

выборки AC Ach AK AS Ch KB KK KAz KO KP KPh Kur Okh

1 0 1 4 0 2 0 1 0 3 3 1 3 3

2 2 3 1 0 1 0 2 2 3 3 0 0 2

3 3 3 3 2 6 0 8 1 7 4 8 1 4

4 3 1 0 0 4 0 4 0 2 3 4 3 0

5 0 0 5 0 4 0 4 0 3 0 3 3 2

6 1 6 1 2 11 2 9 0 1 2 3 0 2

7 1 1 1 0 2 0 0 0 0 0 1 0 0

Итого 10 15 15 4 30 2 28 3 19 15 20 10 13

Итого, %

5,43 8,15 8,15 2,17 16,30 1,09 15,22 1,63 10,33 8,15 10,87 5,44 7,07

K

KK

Рис. 4. Популяционный состав нерки в смешанных морских пробах

Fig. 4. Population content of sockeye salmon in mixed stocks

Таким образом, полученные нами данные в общих чертах подтверждают выводы, сделанные исследователями 1960-1970-х гг. За истекшую почти половину столетия картина распространения в Беринговом море молоди нерки азиатских и американских стад не изменилась. Представляется целесообразным продолжить эти исследования, включив в них акватории исключительной экономической зоны США и открытые воды Берингова моря. Кроме того, для понимания механизма формирования численности поколений необходимо ежегодно проводить исследования в местах зимнего обитания нерки.

Бирман И.Б. Морской период жизни и вопросы динамики стада тихоокеанских лососей. — М.: Нац. рыб. ресурсы, 2004. — 171 с.

Брыков В.А., Полякова Н.Е., Подлесных А.В. Дивергенция митохондриальной ДНК в популяциях нерки Oncorhynchus nerka (Walbaum) озера Азабачьего (Камчатка) // Генетика. — 2003. — Т. 39, № 12. — С. 1687-1692.

Брыков В.А., Полякова Н.Е., Подлесных А.В. и др. Влияние биотопов размножения на генетическую дифференциацию популяций нерки (Oncorhynchus nerka) // Генетика. — 2005. — Т. 41, № 5. — С. 635-645.

Зеленина Д.А., Хрусталева А.М., Волков А.А. Сравнительное исследование популяционной структуры и определение популяционной принадлежности нерки (Oncorhynchus nerka) Западной Камчатки с помощью RAPD-PCR и анализа полиморфизма микросателлитных локусов // Генетика. — 2006. — Т. 42, № 5. — С. 693-704.

Коновалов С.М. Дифференциация локальных стад нерки Oncorhynchus nerka (Walbaum). — Л.: Наука, 1971. — 229 с.

Пустовойт С.П. Генетическая изменчивость малочисленной популяции нерки Oncorhynchus nerka (Walbaum) р. Ола (северное побережье Охотского моря) // Генетика. — 2001. — Т. 37, № 12. — С. 1675-1662.

Веа^ат T.D., Le K.D., Raap M.R. et al. Microsatellite variation and estimation of stock composition of sockeye salmon, Oncorhynchus nerka, in Barkley Sound, British Columbia // Fish. Bull. — 2000. — Vol. 98. — P. 14-24.

Веа^ат T.D., Margolis L. A comparison of methods of stock identification for sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) in Barkley Sound, British Columbia // NPAFC. — Vancouver, Canada, 1998. — Bull. № 1. — P. 227-239.

Beacham T.D., Mcintosh B., MacConnachie C. Population structure and stock identification of sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) in coastal lakes in British Columbia, Canada // Can. J. Zool. — 2005. — Vol. 83. — P. 834-844.

Beacham T.D., Withler R.E., Wood C.C. Stock identification of sockeye salmon by means of minisatellite DNA variation // North American Journal of Fisheries Management. — 1995. — Vol. 15. — P. 249-265.

Bugaev A.V. Identification of local stocks of sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) by scale pattern analysis in the Russian economic zone // NPAFC. — Vancouver, Canada, 2003. — Technical report № 5. — P. 58-64.

Gritsenko O.F., Karpenko V.I., Klovatch N.V., Gruzevich A.K. The problem of Pacific salmon stocks identification during the marine рeriod of life (results and prospects) // NPAFC. — Vancouver, Canada, 2003. — Technical report № 5. — P. 19-21.

Hallerman E.M., Beckman J.S. DNA-level polymorphism as a tool in fisheries science // Can. J. Fish. Aquat. Sci. — 1988. — Vol. 45. — P. 1075-1087.

Список литературы

Margolis L. Are naturally-occurring parasite "tags" stable? An appraisal from case histories involving Pacific salmonids // NPAFC. — Vancouver, Canada, 1998. — Bull. № 1. — P. 205-212.

Margolis L. Parasites as indicators of the geographical origin of sockeye salmon, Oncorhynchus nerka (Walbaum), occurring in the North Pacific Ocean and adjacent seas // INPFC. — Vancouver, Canada, 1963. — Bull. № 11. — P. 101-156.

Margolis L., Cleaver F.C., Fukuda Y., Godfrey H. Sockeye Salmon in offshore waters: Bull. INPFC. — Vancouver, Canada, 1966. — № 20, pt VI. — 70 p.

Myers K.W., Aydin K.A., Walker R.V. et al. Known ocean ranges of stocks of Pacific Salmon and Steelhead as shown by tagging experiments, 1956-1995: NPAFC. — 1996. — № 192. — 4 p.

Nelson R.J., Beacham T.D., Small M.P. Microsatellite analysis of the population structure of a Vancouver Island sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) stock complex using nondenaturing gel electrophoresis // Molecular Marine Biology and Biotechnology. — 1998. — Vol. 7(4). — P. 312-319.

Wood C.C. Life history variation and population structure in sockeye salmon // Am. Fish. Soc. Symposium. — 1995. — Vol. 17. — P. 195-216.

Zelenina D.A., Khrustaleva A.M., Volkov A.A. et al. A case study of two genetic markers for inter-laboratory collaboration: SNPs provide transportability without standardization: NPAFC. — 2005. — № 913. — 14 p.

Поступила в редакцию 16.11.06 г.