Временнбя изменчивость генетических характеристик кумжи Salmo trutta L. ручья Воробьева (белое море) на основании анализа аллозимов

ГЕНЕТИКА

УДК 575.174.015.3:597.553.2

временная изменчивость генетических характеристик

кумжи SALMO TRUTTA l. ручья воробьева

на основании анализа аллозимов

А.В. Семёнова, С.А. Пономарёв

Проведен анализ аллозимной изменчивости кумжи из ручья Воробьева. Исследовано 17 генных локусов, кодирующих ферменты: глицеро-3-фосфатдегидрогеназу (G3PDH); аспар-татаминотрансферазу (AAT); малатдегидрогеназу (MDH); лактатдегидрогеназу (LDH); супер-оксиддисмутазу (SOD); эстеразу D (EST-D). Выявлены достоверные различия в частотах аллелей локусов AAT-1,2*, G3PDH-2,3*, LDH-5*, MDH-2* между выборками кумжи, собранной в 1981—1982 и/или 1992—1995 гг. Предполагается, что изменения частот аллелей со временем у кумжи ручья Воробьева связано с дрейфом генов.

Ключевые слова: популяционная биология, популяционная генетика, полиморфизм, структура популяций.

Кумжа (Salmo trutta L.) на протяжении многих лет является объектом интенсивных популяцион-но-генетических исследований. Причинами такого интереса, несомненно, являются огромный естественный ареал кумжи, ее высокая экологическая и морфологическая пластичность. Кроме того, кумжа характеризуется значительной генетической дифференциацией как между популяциями разных морских бассейнов, так и между отдельными популяциями в пределах одного бассейна. Поскольку кумжа — перспективный объект искусственного разведения и рыболовства, естественный генофонд ее претерпевает значительные изменения в связи с деятельностью человека. Вместе с тем бассейн Белого моря — один из немногих районов ареала этого вида, где обитают нативные популяции, они могут быть прекрасным объектом при проведении генетического мониторинга популяций кумжи. Исследования генетической изменчивости популяций кумжи в течение длительного времени представляют значительный интерес, поскольку помимо данных о постоянстве частот аллелей белковых локусов в естественных популяциях кумжи [1] имеются сведения и о различиях в частотах аллелей между выборками, взятыми из одного водоема в разные годы, в том числе и в водоемах бассейна Белого моря [2—4].

Материал и методика

Материалом для исследований послужили выборки кумжи из ручья Воробьева — небольшого ручья протяженностью около 5 км, расположенного на Карельском берегу Белого моря, собранные в

июне 2006 и 2007 гг. (41 и 39 экз.) (рисунок). Рыба отлавливалась электроловом и удебными снастями. У всех пойманных экземпляров определялась длина тела (АС), вес, пол, стадия зрелости гонад, бралась чешуя для определения возраста. Изученные рыбы представлены в основном молодью. После поимки отдельные ткани (глаз, мышцы, печень) или особи целиком замораживались (—70°) и в таком виде доставлялись в лабораторию, где хранились до обработки при 20°. Электрофоретические исследования белков проводили в полиакриламидном геле, используя стандартные методики [5, 6]. Обозначение ферментных локусов проводили в соответствии с принятой для лососевых рыб номенклатурой [7] с учетом некоторых рекомендаций [8].

Исследовали генные локусы, кодирующие ферменты: аспартатаминотрансферазу (AAT), эстеразу Д (ESTD), глицерол-3-фосфатдегидрогеназу (G3PDH), лактатдегидрогеназу (LDH), малатдегидрогеназу (MDH), супероксиддисмутазу (SOD).

Генетическая интерпретация наблюдаемой изменчивости в исследованных локусах проводилась в соответствии с описанными в литературных источниках схемами. Для локусов EST-D*, LDH-5*, mSOD-1*, sSOD-2*, sSOD-3* предполагается простое кодоминантное наследование. Для изолокусов AAT-1,2* использовалась модель, предполагающая равенство частот общих для обоих локусов аллелей. Расчеты велись по [9]. Для дуплицированных локусов MDH-1,2*, LDH-1,2*, G3PDH-2,3* принята модель наследования, которая предполагает полиморфизм только одного локуса [10, 11].

Проверку соответствия наблюдаемого и теоретического распределений генотипов Харди-Вайн-

32° 0'

32°30'

33° 0'

67° 10'

67° 0'

66°50'

66°40'

66°30'

О. \

Л \ * * \ \ х Ч.

V 4V — ^ . •Л^^о '' 1 ^ V- ч

*

ручей

67° 10'

67° 0'

66°50'

66°40'

32° 0'

32°30' 33° 0'

Место сбора выборок кумжи

берга проводили с использованием х2 теста. Достоверность различий частот аллелей между выборками оценивали с помощью /-критерия Фишера [12] и X2 теста на гомогенность в программе CHIRXC [13].

Исследования белкового полиморфизма кумжи в данном ручье проводились ранее в 1980-х и 1990-х гг. [2, 11], в связи с этим изучение кумжи ручья Воробьева в настоящее время представляет несомненный интерес и позволяет оценить временные изменения структуры популяции кумжи в течение более чем 20 лет. Некоторые данные анализа выборки из ручья Воробьева 2006 г. были опубликованы ранее [14].

Результаты и обсуждение

Мономорфными в исследуемых выборках оказались следующие локусы: EST-D*, LDH-1,2*, LDH-3,4*, MDH-1*, MDH-3,4*, TO-1*, TO-2*, TO-3*. Во всех полиморфных локусах наряду с ал-лелем, электрофоретическая подвижность которого принималась за 100, обнаружено еще по одному аллелю: AAT-1,2*120, G3PDH-2,3*75, LDH-5*90, MDH-2*142. Нами отмечена несколько отличная электрофоретическая подвижность некоторых аллелей по сравнению с работами А.Г. Осинова, Л. Бер-наче [11] и А.А. Махрова с сотр. [2]. Кроме того, в работе Осинова и Берначе [11] обнаружено, что

33°30' в популяциях кумжи ручья

Воробьева с небольшой частотой присутствует аллель ЬВН-1*00, в то время как, по нашим данным и по данным Махрова с сотр. [2], у кумжи этого ручья фиксирован аллель ЬВН-1*100. Возможно, это связано с различиями используемых буферных систем.

Распределение фенотипов по всем локусам в выборках соответствовало теоретическому распределению Харди—Вайнберга, за исключением изолокусов ЛЛТ-1,2* (X2 = 16,25, = 3, р <0,001 в выборке 2006 г. и X2 = = 8,66, = 3, р < 0,05 в выборке 2007 г.). Частоты аллелей полиморфных локу-сов в период 1982—2007 гг. представлены в табл. 1.

Результаты сравнения выборок кумжи, собранных в разные годы с использованием х2 теста, показывают достоверность гетерогенности аллельных частот по всем сравниваемым локусам (табл. 1). Однако более корректное и либеральное сравнение этих выборок попарно с использованием /-критерия Фишера во многих сравнениях не выявляет достоверных различий (табл. 2, 3).

Так, по локусу ЬБН-5* достоверных различий между выборками кумжи не обнаружено, по локу-

Таблица 1

Частоты аллелей (*100) полиморфных локусов в выборках ручья Воробьева, собранных в разные годы

66°30'

33°30'

Год сбора n Локусы

AAT-1,2* G3PDH-2,3* LDH-5* MDH-2*

1981 60 - 0,908 0,328 0,857

1982 30 0,880 0,883 0,367 0,850

1992 99 0,879 0,995 0,237 -

1993 53 0,774 1,000 0,217 -

1994 99 0,673* 1,000 0,203 0,798*

1995 11 0,727 0,909 0,455 -

2006 41 0,780 0,988 0,351 0,611

2007 39 0,859 0,987 0,270 0,855

d.f. 6 7 7 4

X2 17,55 54,98 18,70 23,49

Р < 0,01 < 0,001 < 0,05 < 0,001

Примечание. Данные 1981 и 1982 гг. [11], 1992-1995 гг. [2], n = 25.

Таблица 2

Таблица 3

су ЛЛТ-1,2* различия достоверны только между выборками 1992 и 1994 гг., по локусу МБН-2* от остальных отличается только кумжа 2006 г. поимки.

Основные высокодостоверные различия выявлены по локусу G3PDH-2,3* между выборками 1981—1982 и 1992—1994 гг., т.е. между сбором этих проб прошло около 10 лет. Однако при сравнении данных еще более чем через 10 лет (с кумжей 2006—2007 гг.) достоверных различий ни с пробами 80-х, ни 90-х гг. не выявлено.

Таким образом, несмотря на изменения частот аллелей полиморфных локусов в отдельных случаях, в целом генетические параметры кумжи не претерпели значительных изменений в течение более 20 лет. Это позволяет предполагать отсутствие направленных изменений частот аллелей у кумжи ручья Воробьева со временем и не подтверждает точки зрения некоторых исследователей о существовании естественного отбора по некоторым локусам у кумжи данного ручья [2]. Необходимо отметить, что авторы предполагали существование естественного отбора по 2 локусам — LDH-5* и MPI*, последний из которых нами не исследовался. Наиболее вероятным кажется мнение о том, что изменения частот аллелей в популяциях кумжи — это проявление дрейфа генов [15]. При малой численности производителей, характерной для кумжи небольшого ручья Воробьева, высоко значимые различия в частотах аллелей между их потомками могут наблюдаться даже в отсутствие репродуктивной изоляции [16]. Кроме того, возможно, определенную роль в изменении частот аллелей играет миграция особей из других рек. Так, по локусу G3PDH-2,3* в 1993—1994 гг. наблюдалась фиксация аллеля *100, а начиная с 1995 г. в выборках снова встречаются носители альтернативного аллеля.

Таким образом, наши данные, полученные спустя десятилетие после исследований в этом ручье, показывают отсутствие значимых изменений частот аллелей полиморфных локусов и подтверждают мнение авторов о том, что изменение частот аллелей со временем главным образом связано с дрейфом генов.

Авторы благодарны А.М. Шадрину за помощь в сборе и обработке материала.

Попарное сравнение выборок по критерию Фишера по локусам ЛЛТ-1,2*

Годы Годы

1981 1982 1992 1993 1994 1995 2006 2007

1981 _ ** ** *** ———

1982 н.д. ** ** *** _ * _

1992 н.д. — — — — — —

1993 н.д. — — — — — —

1994 н.д. _ * — ———

1995 н.д. — — — — — —

2006 н.д. — — — — ^ —

2007 н.д. — — — — — —

Примечание. н.д. — нет данных,--различия недостоверны, * — различия достоверны при р <0,05, ** — при р <0,01, *** — при р <0,001.

Попарное сравнение выборок по критерию Фишера по локусам ЬОИ-5*

Годы Годы

1981 1982 1992 1993 1994 1995 2006 2007

1981 — н.д. н.д. — н.д. ** —

1982 — н.д. — н.д. * —

1992 — — н.д. н.д. н.д. н.д. н.д.

1993 — —— н.д. н.д. н.д. н.д.

1994 — — — — н.д. — —

1995 — — — — — н.д. н.д.

2006 — — — — — — *

2007

Примечание. н.д. — нет данных, — — различия недостоверны, * — различия достоверны при р < 0,05, ** — при р < 0,01.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ferguson A., Taggart J.B. Genetic differentiation among the sympatric brown trout (Salmo trutta) population of Lough Melvin, Ireland // Biol. J. Linnean Soc. 1991. Vol. 43. P. 221-237.

2. Махров A.A., Кузищин K.B., Новиков Г.Г. Генетическая дифференциация кумжи (Salmo trutta L.) побережья пролива Великая салма // Генетика. 1999. Т. 35. № 7. С. 969-975.

3. Grozier W.W, Ferguson A. Electrophoretic examination of the population structure of brown trout, Salmo trutta L., from the Lough Neagh catchment, Northern Ireland // J. Fish. Biol. 1986. Vol. 28. P. 459-477.

4. Jensen L.F., Hansen M.M., Carlsson J., Loeschcke V., Mensberg K.D. Spatial and temporal genetic differentiation and effective population size of brown trout

in small Danish rivers // Conserv. Genet. 2005. Vol. 6. N 4. P. 615-621.

5. Davis B.J. Disc-electrophoresis. Method and application to human serum proteins // Ann. N.-Y. Acad. Sci. 1964. Vol. 121. P. 404-427.

6. Peacock A.C., Bunting S.L., Quenn K.G. Serum protein electrophoresis in acrilamide gel: patterns from normal human subject // Science. 1965. Vol. 147. P. 1451—1452.

7. Allendorf F.W., Phelps S.R. Use of allelic frequencies to describe population structure // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1981. Vol. 38. P. 1507—1514.

8. Shaklee J.B, Allendorf F.W, Morizot D.C., Whitt G.S. Gene nomenclature for protein-coding loci in fish // Trans. Amer. Fish. Soc. 1990. Vol. 119. P. 2—15.

9. Waples R.S. Estimation of allele frequencies at iso-loci // Genetics. 1988. Vol. 118. N 2. P. 371-384.

10. Осиное А.Г. Кумжа (Salmo trutta L., Salmonidae) бассейнов Черного и Каспийского морей: популяцион-но-генетический анализ // Генетика. 1988. Т. 24. № 12. С. 2172-2186.

11. Осиное А.Г, Берначе Л. "Атлантическая" и "дунайская" филогенетические группы кумжи Salmo trutta complex: генетическая дивергенция, эволюция, охрана // Вопр. ихтиологии. 1996. Т. 36. № 6. С. 762—786.

12. Жиеотоеский Л.А. Популяционная биометрия. М.: Наука, 1991. 283 с.

13. Zaykin D.V., Pudovkin A.I. Two programs of estimate Chi-square values using pseudo-probability test //J. Hered. 1993. Vol. 84. P. 152.

14. Новиков Г.Г., Семенова A.B., Строганов A.H., Та-гизаде B. Аллозимная изменчивость в популяциях кумжи Salmo trutta из Ирана // Вопр. ихтиологии. 2008. Т. 48. № 4. С. 421-426.

15. Jorde P.E, Ryman N. Demographic genetic of brown trout (Salmo trutta) and estimation of effective population size from temporal change of allele frequencies // Genetics, 1996. Vol. 143. N 3. P. 1369-1381.

16. Allendorf F.W., Utter F.M. Population genetics // Fish Physiol. 1979. Vol. 8. P. 407-454.

Поступила в редакцию 10.04.2009

TEMPORAL VARIABILITY THE GENETIC CHARACTERISTICS

IN BROUN TROUT (SALMO TRUTTA L.) FROM THE VOROB'EV RIVER

(WHITE SEA) ON ALLOZYME

A.V. Semenova, S.A. Ponomarev

Analysis of allozyme variability in brown trout from Vorob'ev river was carry out. We studied 17 gene loci coding enzymes: glycerol-3-phosphate dehydrogenase (G3PDH); aspartate aminotransferase (AAT); malate dehydrogenase (MDH); lactate dehydrogenase (LDH); superoxide dismutase (SOD); esterase D (EST-D). Significant differences between the sampes of brown trout catching in 1981-1982 and/or 1992-1995 were determined by loci: AAT-1,2*, G3PDH-2,3*, LDH-5*, MDH-2*. We should suppose that allele frequency changing by the time in brown trout from Vorob'ev river were bound up with genetic drift.

Key words: population biology, population genetics, polymorphism, structure of population.

Сведения об авторах

Семенова Анна Викторовна — канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры ихтиологии биологического факультета МГУ. Тел.: (495)939-13-33, 8-916-503-06-44; e-mail: Anna.Semenova@mail.bio.msu.ru

Пономарев Сергей Анатольевич — канд. биол. наук, науч. сотр. кафедры ихтиологии биологического факультета МГУ. Тел.: (495)939-13-33; e-mail: sergio-mail@mail.ru