Молекулярно-филогенетическое исследование байкальского омуля Coregonus autumnalis migratorius (Georgi)

Актуальность проблемы. Комплекс сиговых рыб бассейна оз. Байкал представляет большой интерес для исследования процессов формирования биоразнообразия уникального озера. Сиговые в Байкале освоили практически все реки и заливы, а в открытом озере глубины до 400 м., ие образовав при этом большого количества видов (Черепанов, 1986). В свою очередь, байкальские сиговые, как обитатели ультра глубоководного озера, -уникальный объект для изучения закономерностей эволюции самого семейства, поскольку фенотипическая пластичность его наиболее полиморфных групп особенно ярко проявляется в условиях озерного обитания (Скрябин, 1979, Решетников, 1980; Bernatchez et al., 1999; Turgeon and Bernatchez, 2003).

Происхождение ихтиофауны Байкала по сей день является предметом острых споров. Нет единого мнения и относительно появления в озере представителей Coregonidae. Исследования сиговых рыб Байкала имеют очень давнюю историю, со времени описания И. Георги байкальского омуля под названием Salmo migratorius (Georgi, 1775) и П. Палласом байкальского сига под названием Salmo oxyrhinchus (Pallas, 1811). В настоящее время, согласно определителю П. Г. Борисова и Н. С. Овсянникова (1964), за байкальским омулем закрепилось название Coregonus autumnalis migratorius (Georgi), а за байкальским сигом, после детальных исследований Ф. В. Крогиус (1933), названия двух его форм — байкальского озерного сига Coregonus lavaretus baicalensis Dyb. и байкальского озерно-речного сига Coregonus lavaretus pidschian Gmelin. Общепринято, что байкальские сиги произошли от пыжьяна, Coregonus lavaretus pidschian, проникшего в Байкал из рек Сибири. Расхождение на две формы, различные по морфологии и биологии, шло по пути освоения в озере разных экологических ниш (Крогиус, 1933; Скрябин, 1969, 1979). Что касается происхождения байкальского омуля, на протяжении практически всего периода его исследований сосуществовало 2 основные гипотезы:

1 — Произошел от арктического омуля Coregonus autumnalis autumnalis (Pallas) проникнув в Байкал из окраинных морей Северного Ледовитого океана по системе рек в межледниковый период (Березовский, 1927; Берг, 1932, 1948; Мухомедиаров, 1942; Nikolsky and Reshetnikov, 1970; Решетников, 1980).

2 — Является эндемиком Байкала (Черешнев, 1994; Смирнов, 1997). Как и все сиговые виды рыб Восточной Сибири, байкальский омуль имел предковую форму, обитавшую в тепловодных водоемах олигоценмиоценового возраста (Дрягин и др., 1969; Мац, Покатилов, 1976; Лут, 1978; Попова и др., 1989; Смирнова-Залуми, 1971).

Детальные исследования экологии байкальских сиговых рыб на протяжении более чем полувека (Мухомедиаров, 1942; Мишарин, 1953, 1958; Скрябин, 1969, 1979; Краснощеков, 1981; Смирнов, Шумилов, 1974; Смирнов, 1997 и др.) позволили выстроить достаточно четкую картину их морфо-экологической дифференциации и адаптивной эволюции в Байкале и подготовили хороший фундамент для генетических исследований. Не считая отдельных работ более раннего времени (Талиев, 1941; Ушаков, 1962), генетический анализ байкальских сиговых активно проводился последние 15 лет. Большой материал о степени генетической подразделенности байкальских сиговых внутри озера накоплен В. М. Яхненко и A.M. Мамонтовым в исследованиях, в основу которых был положен изоферментный анализ (Мамонтов, Яхненко, 1987; Яхненко и др., 1992; Mamontov, Yakhnenko, 1995, 1998). Проведена первая оценка дивергенции последовательностей мтДНК байкальского и баунтовского озерных сигов (Слободянюк и др., 1993). Исследовался полиморфизм мтДНК в популяциях байкальских сиговых (Суханова, 1996, 1998; Brzuzan, 1998; Brzuzan et al., 1998). Анализом митохондриальной ДНК (мтДНК) и изоферментов была показана близость байкальского омуля к группе сигов с нижним ртом (Politov et al., 2000, 2002) и, прежде всего к виду С. lavaretus L. (Sukhanova et al., 2000; 2002; Гордон и др., 2004). В связи с этим высказывались предположения о возможном гибридном происхождении байкальского омуля (между арктическим омулем или его предковой формой с одной стороны и какой либо формой С. lavaretus L. с другой) (Politov et al., 2000, 2002). В последующем детальном филогеографическом анализе мтДНК Палеоарктических и Неоарктических пелагических сиговых Д. Политов и соавторы приходят к выводу, что байкальский омуль занимает корневое положение по отношению к комплексу омулевидных сигов, а также делают предположение о возможном базальном положении байкальского омуля по отношению ко всему роду Coregonus (Politov et al., 2004).

В данном исследовании осуществлены молекулярно-филогенетические реконструкции, объединившие всех байкальских сиговых, их ближайших родственников из соседствующих с Байкалом водоемов и других представителей семейства Coregonidae. Это позволило сделать выводы о происхождении и родственных связях как байкальского омуля, так и сиговых рыб Байкала в целом (Sukhanova et al., 2000,2002,2004а, b).

Цель и задачи исследования

Цель настоящей работы — изучение эволюционной истории байкальского омуля: исследование межи внутрипопуляционного полиморфизма и установление филогенетических взаимоотношений с другими представителями семейства Coregonidae.

В конкретные задачи работы входило:

1. Исследование генетического полиморфизма трех наиболее многочисленных популяций байкальского омуля (селенгинской, северобайкальской и посольской) с помощью рестрикционного анализа митохондриального генома.

2. Определение нуклеотидных последовательностей контрольной области мтДНК, митохондриального гена цитохрома Ъ (Cytb) и первого внутреннего транскрибируемого спейсера рибосомной ДНК (ITS 1) для байкальского омуля, а также некоторых представителей семейства Coregonidae, обитающих в оз. Байкал и за его пределами.

3. Обработка полученных последовательностей, изучение вариабельности последовательностей данных участков генома, построение филогенетических схем и оценка времени дивергенции байкальского омуля от других представителей семейства Coregonidae.

4. На основе филогенетических схем, построенных по нуклеотидным последовательностям фрагментов ядерного и митохондриального геномов, и данных рестрикционного анализа, реконструкция истории расселения сиговых рыб в бассейне оз. Байкал, происхождения байкальского омуля и формирования его популяционной структуры.

Научная новизна работы. Впервые для исследования эволюционных взаимоотношений байкальских организмов применен молекулярно-филогенетический подход, совмещающий использование независимо наследуемых генетических маркеров, имеющих разный характер и скорость эволюции. Определение полных нуклеотидных последовательностей гена Cyt b мтДНК, контрольной области мтДНК и внутреннего транскрибируемого спейсера рДНК у представителей сиговых разного таксономического ранга позволило подтвердить на исследуемой группе рыб закономерности эволюции данных участков генома. Впервые проведен анализ родственных связей всех байкальских сиговых с другими представителями Coregonidae, позволивший проследить генеалогическую историю их появления в озере. Доказана принадлежность байкальского омуля к полиморфному виду Coregonus lavaretus L. Впервые показаны возможные связи эволюции комплекса байкальских сиговых с конкретными геологическими и климатическими событиями истории Байкала.

Научно-практическое значение. Для научно обоснованного сохранения и рационального использования природных ресурсов оз. Байкал необходимо прогнозирование характера и степени изменений его экосистемы под воздействием тех или иных факторов, что требует знания истории формирования современного биоразнообразия озера. Байкальские представители вида Coregonus lavaretus L. (озерный сиг, озерно-речной сиг и омуль), являются важным компонентом экосистемы озера. Будучи объектами интенсивного промысла и искусственного разведения, направленного на поддержание их численности, сиговые рыбы в большей степени, чем остальные обитатели Байкала подвержены влиянию хозяйственной деятельности человека. Исследование истории формирования сложившихся в озере взаимоотношений между экологическими формами вида — один из необходимых этапов на пути разработки методов генетического мониторинга байкальских сиговых рыб.

Апробация работы. Результаты работы представлялись: на международной конференции: «Байкал — природная лаборатория для исследования» изменений окружающей среды и климата" в г. Иркутске (Май 11−17, 1994 г.) — на VI, VII и VIII международных симпозиумах: «Биология и использование сиговых рыб» в г. Констанца, Германия (1996 г. 23−26 сентября), в г. Энн Арбор, Америка (9−12 августа, 1999 г.), в г. Рованиеми, Финляндия (26−29 августа, 2002 г.) — на международной конференции «Биоразнообразие и динамика экосистем Северной Евразии», 21−28 августа 2000 г. в г. Новосибирске, РоссияЕжегодной конференции Экологического общества Японии, 26−31 марта 2001, Кумам отона международном семинаре «Байкал и Хубсугул, проект — бурение» в г. Улан-Батор, Монголия 2002 г.- на 3-ем международном совещании: «Видообразование в древних озерах мира» (SIAL) Иркутск, Россия 2002 г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе четыре публикации в рецензируемых журналах.

1. Суханова Л. В., Смирнова H.C., Смирнов В. В. Исследование популяций байкальского омуля Coregonus autumnalis migratorius (Georgi) методом рестрикционного анализа мтДНК // Тезисы. Байкал — природная лаборатория для исследования изменений окружающей среды и климата, Иркутск, Май 11−17, 1994. Том 5. С. 96.

2. Суханова Л. В., Смирнов В. В., Смирнова-Залуми Н.С., Слободянюк С. Я, Кирильчик С. В. Исследование популяций байкальского омуля Coregonus autumnalis migratorius (Georgi) методом рестрикционного анализа митохондриальной ДНК // Вопросы ихтиологии. 1996. Т 36(3). С. 667−673.

3. Sukhanova L.V., Skulin, V.A., V.V. Smirnov, N.S. Smirnova-Zalumi. Investigation of Baikal omul populations by restriction analysis of mtDNA.// Abstract. VI International Symposium on Biology and Management of Coregonid Fishes, Germany, Konstanz, 23−26 September, 1996.

4. Суханова Л. В., Смирнов В. В., Смирнова-Залуми Н.С., Кирильчик С. В. Новые данные по рестрикционному анализу мтДНК популяций байкальского омуля Coregonus autumnalis migratorius (Georgi) // Сибирский экологический журнал. 1999, Т. 6. С. 655−658.

5. Sukhanova L.V., Smirnov V.V., Smirnova-Zalumi N.S., Kirilchik S.V., Griffiths D. The taxonomic position of the Lake Baikal omul, Coregonus autumnalis migratorius (Georgi), in the family Coregonidae // Abstract. VII Symposium on Biology and Management of Coregonid Fishes, Ann Arbor, Michigan, USA, 9−12 August, 1999. P. 89.

6. Sukhanova L.V., Smirnov V.V., Smirnova-Zalumi N.S., Kirilchik S.V., The phylogenetic relationships of Lake Baikal coregonines as revealed by mitochondrial DNA d-loop analysis.// Proceeding of International Conference: Biodiversity and dynamics of ecosystems in North Eurasia, IC, G, Novosibirsk, 2000. V. 5(2). P. 199−201.

7. Smirnov V.V., Sukhanova L.V., Smirnova-Zalumi N.S., Shimizu I. Limnogenesis of Baikal rift zone and Baikal omul origin // Abstract. International workshop for the Baikal, Hovsgol drilling project in Ulan Bator. Ulan Bator, Mongolia. October 4−7, 2001. P. 62.

8. Sukhanova L.V., Kirilchik S.V., Smirnov V.V., Shimizu I. Study of the Lake Baikal omul Coregonus autumnalis migratorius (Georgi) from DNA analysis // Abstr. of Annual meeting of Ecologycal Society of Japan, 26−31 March 2001, Kumamoto. P. 301. 9. Sukhanova L.V., Smirnov V.V., Smirnova-Zalumi N.S., Kirilchik S.V., Griffiths D., Belikov S.I. The taxonomic position of the Lake Baikal omul Coregonus autumnalis migratorius (Georgi) as revealed by sequence analysis of mtDNA Cytochrome b gene and control region // Pol. Arch. Hydrobiol. Spec. Issues Advanc. Limnol. 2002. V. 57. P. 97−106.

10. Sukhanova L. V, Smirnov V.V., Smirnova-Zalumi N.S., Knizhin I.B., Matveev A.N., Sokolov A. V., Shimizu I. Evolution of the Coregonus lavaretus complex in the Baikal rift zone: A Preliminary Molecular-Biological Study //Abstr. of the Third International Symposium of the Series Speciation in Ancient lakes (SIAL-3): Ancient lakes: speciation, development in time and space, natural history. Novosibirsk: Nauka, 2002. P. 182.

11. Sukhanova L.V., Smirnov V.V., Smirnova-Zalumi N.S., Kirilchik S.V., Shimizu I. Baikal omul as a part of C. lavaretus complex // Abstr. of the Third International Symposium of the Series Speciation in Ancient lakes (SIAL-3): Ancient lakes: speciation, development in time and space, natural history.- Novosibirsk: Nauka, 2002. P. 183.

12. Sukhanova L.V., Smirnov V.V., Smirnova-Zalumi N.S., Kirilchik S.V., Shimizu I. The close genetic relationship of Baikal omul, Coregonus autumnalis migratorius (Georgi), to the C. lavaretus complex, revealed by the mtDNA surey, is confirmed using a nuclear DNA marker // Abstr. of the VIII International Symposium on Biology and Management of Coregonid Fishes, Rovaniemi, Finland, 26−29 August, 2002. P. 51.

13. Sukhanova L.V., Smirnov V.V., Smirnova-Zalumi N.S., Kirilchik S.V., Shimizu I. Grouping of Baikal omul Coregonus autumnalis migratorius (Georgi) within the C. lavaretus complex confirmed by using a nuclear DNA marker// Annales Zoologici Fennici. 2004. V. 41(1). P. 41−49.

14. Sukhanova L.V., Kirilchik S.V., Smirnov V.V. Evolution of Lake Baikal coregonid fishes as revealed by DNA analysis // Abstr. of the First Baikal International Workshop on Evolutionary Biology «Tracing Past Environmental Changes in the Genetic diversity of Contemporary Faunas», Irkutsk, 6−11 September, 2004.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю С. Я. Слободянюку за помощь и поддержкусотруднику Байкальского музея СО РАН В. В. Смирнову и сотрудникам ЛИН СО РАН Н. С. Смирновой, С. В. Кирильчику за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах работыA.M. Мамонтову за консультации и помощь в сборе материалаИ.Б. Книжину, А. Н. Матвееву (Иркутский Госунивеситет), А. В. Соколову, А. И. Бобкову (Воссибрыбцентр, г. Улан-Уде), Н. М. Пронину (Ин-т Общей и экспериментальной биологии, г. Улан-Уде) за помощь в сборе материалаа также сотрудникам ИЦиГ (г. Новосибирск) С. А. Демакову и А. Г. Блинову за ряд ценных предложений, высказанных на этапе подготовки диссертационной работы.

Выводы.

1. С помощью рестрикционного анализа митохондриальной ДНК исследован генетический полиморфизм селенгинской, северобайкальской и посольской популяций байкальского омуля.

2. На основании статистического и филогенетического анализа полученных данных, а также сопоставления результатов исследований с данными геолого-климатического характера, предложена гипотеза о недавнем формировании современной популяционной структуры байкальского омуля.

3. Определены нуклеотидные последовательности ITS1 рибосомной ДНК, контрольной области и гена Cyt b митохондриальной ДНК для байкальского, арктического и ирландского омулей, и представителей политипичного вида С. lavaretus L. из семи водоемов Байкальской рифтовой зоны. На основании сравнительного анализа полученных последовательностей построены филогенетические схемы, отражающие эволюционные взаимоотношения исследованных таксонов.

4. Байкальский омуль Coregonus autumnalis migratorius (Georgi) не является близким родственником арктического омуля Coregonus autumnalis (Pallas) Он принадлежит к политипичному виду С lavaretus L. Таксономический статус байкальского омуля должен быть пересмотрен.

5. Байкальские омуль и озерно-речной сиг представляют одни из наиболее старых филогенетических линий С lavaretus L. Их дивергенция от остальных представителей вида произошло 1,7−3,4 млн. лет назад на территории Байкальской рифтовой зоны и, очевидно, связана с началом необайкальской фазы рифтогенеза.

6. Сходство исследованных нуклеотидных последовательностей байкальского омуля и байкальского озерного сига свидетельствует о недавнем, в геологических масштабах времени, отделении этих форм от общего предка, произошедшем параллельно процессу формирования современной популяционной структуры омуля.

Заключение

.

Проведенное в работе филогенетическое исследование показало, что байкальский омуль является одной из наиболее «старых» линий фенотипически пластичного и циркумполярно распространенного политипичного вида С. lavaretus L. Линия байкальского омуля отделилась от остальных представителей вида 3,4—1,7 млн. лет назад. Разделение произошло на территории Байкальской рифтовой зоны и, очевидно, связано с началом необайкальской фазы рифтогенеза — периода, особенно богатого различными геологическими, климатическими и экологическими изменениями.

Байкальский озерпо-речной сиг пыжьян — такая же древняя линия вида С. lavaretus L., как и линия байкальского омуля. Эти две линии прошли длительную фазу географической изоляции. Контакт их в настоящее время (нерест в одних и тех же притоках Байкала, образование гибридов) вторичен. Несмотря на наличие процесса гибридизации эти два представителя вида С. lavaretus L. остаются репродуктивно обособленными.

Вопрос о продолжительности обитания байкальского омуля непосредственно в Байкале остается открытым. Однако этот период составляет не менее 0,4−0,8 млн. лет. — время, прошедшее с момента изоляции жилой популяции кулиндинского омуля от линии байкальского омуля в подпрудных Верхне-Кичерских озерах ледниково-тектонического происхождения, расположенных в русле р. Кичеры, притока Байкала.

Несмотря на продолжительное обитание байкальского омуля в Байкале, по-видимому, существующая в настоящее время популяционная структура образовалась не ранее 11,3 — 9,5 тыс. лет назад (возраст последнего из 30-ти похолоданий в байкальской диатомовой летописи), после того, как очередной раз сформировались стабильные продуктивные зоны в пелагиали озера, речная сеть и мелководные зоны, необходимые для воспроизводства численности и биомассы омуля.

По-видимому, параллельно с формированием популяционной структуры омуля, от него дивергировал и байкальский озерный сиг. Малотычинковый бентофаг — байкальский озерный сиг, занял в озере свою пищевую нишу, практически не перекрывающуюся с нишей типичного пелагобионта, многотычинкового планктофага — байкальского омуля. Резкое отличие занимаемых экологических ниш, вероятно, и послужило основной причиной быстрого возникновения полной репродуктивной изоляции между этими байкальскими формами вида С lavaretus L.

Эволюционная история С. lavaretus L. в бассейне оз. Байкал служит еще одним примером фенотипической пластичности этого вида и сиговых рыб в целом, в полной мере проявившейся в глубоководном олиготрофном водоеме.