Природна гібридизація золотого карася

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Природна гібридизація - наукова проблема, яка привертає увагу спеціалістів різних областей біології. Це викликано тим, що явище спрямованих генетичних перетворень, які відбуваються темпами, що значно перевищують природній хід еволюційних подій і до того ж ламають традиційні погляди на вид, як репродуктивно ізольовану систему, викликають підвищений інтерес у систематиків, еволюціоністів і генетиків. Визнається, що гібридизація, яка призводить до утворення поліплоїдів, є єдиним експериментально доведеним способом утворення нових таксонів, причому не тільки видового, але й більш високого систематичного рангу.

Перший аналітичний огляд літератури з природної гібридизації риб з'явився ще в середині ХХ століття (Hubbs, 1955) і базувався на дослідженнях мінливості зовнішніх ознак. Вже тоді з'ясувалося, що гібридизація у риб - явище досить поширене і має певні географічні закономірності. Починаючи з 70-х років ХХ ст., гібридизацію почали вивчати на рівні генних маркерів: спочатку алозимів (Vrijenhoek, 1972; Trenham et al., 1998; Yang et al., 2001; Koehn, Harrington, 2005), а потім до них додали маркери первинної структури ДНК (Strange, 1998; Yaakub et al., 2006; Williams et al., 2007; Sakai et al., 2009). В наш час відомо 125 випадків міжвидової та міжродової природної гібридизації кісткових риб, головним чином мешканців прісних водойм Голарктики.

Родиною, де гібридизація найбільш поширена, можна вважати коропових Cyprinidae. Саме серед палеарктичних представників цієї родини відмічені численні випадки амфідиплоїдії, які проявляються на рівні родів (Barbus, Carassius, Cyprinus), а також агамні видові комплекси, серед яких найбільш відомою є поліфілітична група одностатевих сріблястих карасів C. gibelio s. lato. Однією з інтенсивно гібридизуючих видових груп коропових є представники роду Carassius, гібридизація між якими відбувається не тільки у Східній Азії (Shimuzu et al., 1993; Luo et al., 1999; Marakami et al., 2001), але й і у Європі. Зокрема, на сьогоднішній день шляхом генного маркування доведено факт гібридизації між аборигенним золотим карасем C. carassius та інвазійним в Європі карасем китайськім С. auratus (Межжерин, Лисецкий, 2004 а, б; Hдfner et al., 2005; Papouљek et al., 2007).

Особливу актуальність дослідженню відносин саме золотого і китайського карасів, зокрема в басейні Дніпра, надає те, що в даному випадку гібридизують види з різко відмінним станом ресурсів і чисельністю. Золотий карась C. сarassius у Центральній Європі - зникаючий вид, сучасні запаси якого в басейні Дніпра вже не складають 1% від рівня 30-х років (Межжерин, 2008), тоді як карась китайський С. auratus, котрий вселився в європейські водойми лише в кінці 60-х років ХХ ст., де потім дав потужний спалах чисельності, є видом, що з року в рік розширює свій ареал. Тому цілком ймовірно, що фактором триваючого звуження ареалу і зменшення чисельності популяцій карася золотого, навіть в сприятливих для нього стаціях, є суто генетична причина - гібридизація з карасем китайським.

При цьому слід зазначити, що випадок видового виключення, що аналізується, є досить унікальним не тільки для зоології, але й для популяційної біології взагалі, оскільки ситуація генетичного поглинання чужорідним видом аборигенного до сих пір не була описана в науковій літературі.

Однак з оглядом на те, що тільки в Європі відомо близько 11 тис. інвазійних видів тварин, рослин та грибів (Handbook of allien species in Europe, 2009), це явище може стати більш ніж звичайним, а тому такі дослідження є дуже актуальними, причому не тільки для тваринних об'єктів. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана в рамках планової теми Інституту зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України № ІІІ-8-06 „Еволюційно-генетичні перетворення у деяких модельних груп тварин та видів, що знаходяться під загрозою зникнення”. Мета й завдання дослідження. Метою роботи було визначення поширеності і характеру гібридизації золотого C. carassius, китайського С. auratus та срібного С. gibelio карасів в їх сумісних поселеннях у Дніпровському водозбірному басейні.

Для досягнення мети були поставлені наступні завдання.

Встановити видову і біотипову належність представників комплексу сріблястих карасів С. auratus s. lato.

Діагностувати гібридів за участю C. carassius і визначити їхню генетичну структуру.

Оцінити масовість випадків гібридизації золотого карася C. carassius з двостатевим китайським С. auratus і одностатевим сріблястим С. gibelio.

Визначити генетичну, статеву і морфологічну структуру гібридів С. auratus Ч C. carassius і C. carassius Ч С. gibelio.

І в кінцевому рахунку на підставі отриманих результатів з'ясувати чи стала гібридизація одним з ключових факторів елімінації золотого карася в Дніпровському водозбірному басейні

Новизна роботи. Висновки роботи спираються на пріоритетні результати. Встановлено, що гібридизація золотого та китайського карасів в Дніпровському басейні - явище звичайне і поширене, а у випадку їх сумісного існування завжди має місце, причому частка гібридів С. auratus Ч C. carassius загалом перевищує частку C. сarassius. Вперше чітко доведено, що гібридизація також відбувається між амфіміктичним C. carassius та апоміктичним С. gibelio, хоча ця подія відбувається значно рідше. Показано, що гібридизація між C. сarassius, з одного боку, і C. auratus та С. gibelio, з іншого, призводить до утворення диплоїдно-поліплоїдного комплексу, який включає: ди- та триплоїдних фертильних самців, фертильних диплоїдних та частково фертильних триплоїдних і стерильних тетраплоїдних самок С. auratus Ч C. carassius, а також фертильних тетраплоїдних гібридних самок C. carassius Ч С. gibelio. Остання обставина доводить факт певної факультативності гіногенезу у С. gibelio. Виявлена ізольована гібридна популяція, що складається виключно з диплоїдно-триплоїдних гібридів С. auratus Ч C. carassius, що є доказом їхньої здатності до автономного розмноження. Вперше наводиться докладний опис морфології біотипів С. gibelio і гібридів різної статі та ступеня плоїдності. Показано, що рівень стабільності розвитку у клонових форм сріблястих карасів значно вищий ніж у амфіміктичного C. auratus, а у гібридів C. auratus Ч C. сarassius відповідно нижче ніж у батьківських видів.

Об'єкт дослідження - європейські карасі роду Carassius.

Предмет дослідження - природна гібридизація, поліплоїдія, структура популяцій, морфологічна та алозимна мінливість.

Методи дослідження - морфометрія, цитометрія, електрофорез у поліакриламідному гелі, біологічний і статистичний аналіз.

Практичне значення отриманих результатів. Робота має прямий вихід на розробку заходів з охорони рідкісних та зникаючих видів риб. Матеріали дисертації були використані при підготовці третього видання Червоної книги України, зокрема стали підставою для занесення карася золотого до списку видів, що охороняються. Матеріали дослідження також можуть бути використані у викладацькій роботі.

Особистий внесок здобувача. Персонально зібраний увесь матеріал. Особисто проведений цитометричний, електрофоретичний та морфологічний аналізи. Самостійно здійснений теоретичний аналіз та узагальнення результатів. При викладенні дисертації та автореферату не порушені права співавторів публікацій.

Апробація результатів дисертації. Матеріали доповідалися на наукових конференціях: „Сучасні погляди на еволюцію органічного світу” (18-20 листопада 2009 р., Київ) та “Досягнення й проблеми генетики, селекції та біотехнології” (Алушта, 2007); молодих вчених в Інституті зоології НАН України, а також на розширеному засіданні Відділу еволюційно-генетичних основ систематики Інституту зоології НАН України.

Публікації. За темою дисертації опубліковано сім статей і дві тези. Усі статті надруковані в спеціалізованих виданнях, що наведені як фахові в переліку ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури. Вона викладена на 183 сторінках, текст з урахуванням списку літератури складає близько 6,4 авторських аркушів, ілюстрована 35 малюнками й містить 38 таблиць. Список літератури налічує 337 джерел, 243 яких надруковані латиницею.

Подяки. Особлива подяка науковому керівнику доктору біологічних наук, професору С. В. Межжеріну. Висловлюю також глибоку вдячність співробітникам Відділу еволюційно-генетичних основ систематики Інституту зоології ім.. І. І. Шмальгаузена НАН України за цінні поради, консультації та постійну методичну підтримку, персонально Л. В. Федоренку.

1. Огляд літератури

Природна гібридизація, поліплоїдія та партеногенез. Проведено класифікацію форм природної гібридизації (Майр, 1963). Підкреслюється, що, на відміну від вищих хребетних, гібридизація у кісткових риб, - явище досить поширене і саме серед риб знайдено більшість диплоїдно-поліплоїдних комплексів. Наводяться усі відомі на сьогоднішній день випадки утворення гібридів риб, які підтверджені на рівні генних маркерів.

Особлива увага в огляді приділяється проблемі диплоїдно-поліплоїдних агамних комплексів, до складу яких входять як батьківські види, так і, як правило, агамні гібриди різного ступеню плоїдності. На цей час відомо п'ять неарктичних (Fundulus, Menidia, Phoxinus, Poecilia, Poeciliopsis) і три палеарктичних (Carassius auratus s. lato, Cobitis, Squalus alburnoides сomplex) агамних диплоїдно-поліплоїдних гібридні угруповання. Розмноження гібридів, частіш за все, відбувається гібридогенезом і тільки в двох випадках гіногенезом (Carassius auratus, Cobitis elongatoides-taenia-tanaitica), тобто спермій залежними партеногенезом.

Систематика роду Carassius. В межах роду Carassius виділяються дві групи карасів: східно-азіатська та європейська. Східно-азійський комплекс представлений щонайменш п'ятьма амфіміктичними диплоїдними видами, які шляхом поступової гібридизації утворюють «сітку» різноплоїдних форм: диплоїдних, триплоїдних, тетраплоїдних. Зазначається, що систематика східно-азіатської групи карасів неоднозначна і тому до останнього часу дослідники так і не дійшли консенсусу щодо таксономічного статусу окремих форм.

Згідно останніх систематичних зведень (Kottelat, 1997; Богуцкая, Насека, 2004) в фауні Європи, зокрема на території Східної Європи, поширені три види. Це аборигенний диплоїдний карась золотий C. сarassius, а також представники далекосхідного комплексу: диплоїдний карась китайський C. auratus, який, як вважають, в басейн Дніпра вселився в 60-х роках ХХ століття, і одностатевий триплоїдний C. gibelio. Відомо, що в перший половині ХХ століття саме останній співіснував з карасем золотим і очевидно заселив водойми Європи, ще на початку ХІX столітті.

2. Матеріал і методи досліджень

Матеріал. Основою дослідження послужили 24 вибірки карасів, що були зібрані протягом 2006-2008 рр. в кількості 909 особин з ізольованих водойм, що входять до складу Дніпровського водозбірного басейну (рис. 1.).

Всі особини були проаналізовані на рівні алозимів; цитометрічний аналіз здійснений на 738 екз.; морфологічний аналіз за 26 пластичними і меристичними ознаками - на 607, і ще 207 проаналізовані за діагностичними для представників цього роду морфологічними ознаками.

Методи. Електрофорез в 7,5% поліакриламідному гелі проводився в безперервній трис-ЕДТА·Na2-боратній системі буферів (Peacock et al., 1965). В якості маркерів були взяті локуси, що чітко діагностують як різні форми C. auratus s. lato, так і гібридів з C. carassius (Межжерин, Лисецкий, 2004). Зокрема в м'язах аналізували локуси Aat-1, Aat-2, Gpi-1, Gpi-2, Ldh-B, Es-1, Es-2A, Es-2B, Es-3, Pt-1B, Pt-2, а в крові Hb і Tf. Фарбування гелів проводили за стандартними методиками (Harris, Hopkinson, 1976).

Плоїдність карасів визначали шляхом вимірювання площі еритроцитів на мазках крові (Горюнова, 1974; Sezaki et al., 1977). На кожному препараті проаналізовано не менше 20 клітин. Статеву належність визначалась шляхом розтину порожнини тіла та вивченням гонад, або, у деяких гібридних особин, за наявністю скупчень ікри на паренхімній тканині. Морфометричний аналіз проводили за стандартною для коропових риб методикою (Правдин, 1966), до якої було залучено 20 пластичних ознак та 6 меристичних. Проміри тіла і голови аналізувалися як відповідні індекси. Білатеральні ознаки (довжину та число променів грудних та черевних плавців, число лусок в бічній лінії та зябрових тичинок на 1-й дузі) міряли або обраховували з обох боків. Формування бази даних та статистична обробка матеріалів проводилися за програмними пакетами Microsoft Excel v. 9.0 та Statistica v. 6.0.

3. Генетична структура сріблястих карасів Сarassius auratus s. lato

3.1 Цитометрія, ідентифікація триплоїдів та диплоїдів

Загальний розподіл всіх досліджених сріблястих карасів за розмірами еритроцитів був чітко двокомпонентними з невеличкою трансгресію між двома групами риб (рис. 2). Перша охоплює 57,2% особин і має діапазон розмірів еритроцитів від 96 до 155 мкм і середнє значення 130, що відповідає розмірам еритроцитів диплоїдних особин і підтверджується аналізом алозимних спектрів, а також значною кількістью самців. Друга група розподіляється в межах значень від 149 до 226 мкм із середнім значенням 182, містить близько 42,1% всіх вивчених риб. Такий масштаб збільшення розмірів еритроцитів більш ніж на третину відповідає площі клітин триплоїдних особин, до цього слід додати, що майже всі карасі цієї групи були самками. Треба зазначити, що між першим і другим розподілами спостерігається трансгресія, до якої входить близько 2% особин. Віднесення карасів спірного діапазону до диплоїдів чи триплоїдів було здійснено на підставі алозимних спектрів. Особливий інтерес викликають особини з розмірами еритроцитів від 228 до 251 мкм, що відповідає рівню тетраплоїдів (розміри еритроцитів збільшені на дві тре-тини). Всього знайдено шість таких особин (табл. 1).

Таблиця 1. Середні розміри (M), стандартна помилка (m) і межі мінливості (Lim) розмірів еритроцитів, а також число ідентифікованих особин (N) різної плоїдності (2n-4n) сріблястих карасів

За даними популяційного аналізу усі досліджені поселення сріблястих карасів поділяються на дві групи: ті, в яких домінують поліплоїди (від 85 до 100%) і ті, в яких поліплоїди складають частку меншу за половину, або взагалі відсутні.

3.2 Статева структура

Співвідношення статей в різних поселеннях сріблястих карасів варіювало в досить широких межах. Причому приблизно в одній половині вибірок частка самців була досить значною, в іншій вони взагалі не зустрічалися. Проведений кореляційний аналіз довів високо вірогідну позитивну кореляцію (r = 0,91; p < 0,001) між частками самок і поліплоїдів в певній вибірці (рис. 4). Таким чином статевий склад залежить від частки в цій популяції триплоїдних особин, тобто особин яких відносять до виду C. gibelio, а одностатеві популяції складаються майже виключно з представників цього виду. Таким чином всі досліджені поселення сріблястих карасів можна розділити на дві групи. До першої слід віднести одностатеві популяції поліплоїдних сріблястих карасів, карасі яких майже всі або повністю належать до особин жіночої статті. Другу утворюють двостатеві поселення сріблястих карасів, в яких або зустрічаються виключно диплоїди, або поліплоїди -- це тільки домішок до диплоїдів. Частка самців в останніх складає не менш 20%.

3.3 Біохімічне генне маркування

В одностатевих популяціях головним чином були присутні триплоїдні особини, що належали до клонових біотипів, які позначені як С. gibelio-1 і С. gibelio-2.1. Крім того, знайдена окрема група особин біотипу С. gibelio-4 і незначна кількість особин С. auratus.

С. gibelio-1 характеризується наступними, як правило, константно гетерозиготними генотипами Aat-1аbb, Aat-2ааc, Es_1bcd, Es-2Bnull, Gpi-1bbc, Gpi-1bc, Pt-2ab, Tf aac. Така стабільність генетичної структури на фоні їхньої триплоїдності підтверджує клонову природу особин цього біотипу. Це найбільш масовий серед біотипів С. gibelio і другий за чисельністю серед усіх досліджених карасів, який складає 51%, знайдений в 12 водоймах (табл. 3).

Всі ідентифіковані особини були самками. Карасі саме цього біотипу здатні утворювати однорідні поселення.

С. gibelio-2.1. Другий за чисельністю і досить масовий серед біотипів, на якого припало 28% всіх досліджених особин. Характерними є наступні електроморфи: Aat-1bbb, Aat-2ccc, Es_1bc, Es-2Ba, Gpi-1aac, Gpi-1bc, Pt-2ab, Tf ab. Особини цього біотипу чітко ідентифікується за сукупністю цих генотипів, а також еритроцитами триплоїдного розміру. Всього виявлено 82 особини в 11 водоймах. Всі вони за виключенням двох экземплярів були самками. Утворюють поселення за обов'язковою участю C. auratus, частка якого в випадках одностатевих вибірках не перевищує 10%.

С. gibelio-2.2. Характерна константна гетерозиготність Gpi-2bс, Pt-3ab, Es-1ab, за якою ця форма близька до попередньої і від якої відрізняється за генотипами Gpi-1bbb і Es-2Bnull. Її можна вважати субклоном попереднього клону. Всього знайдено 12 особин в одній водоймі Деснянсько-Сарогутського НП, де вони чисельно домінували.

Одностатеві екземпляри срібного карася біотипу С. gibelio-4, було ідентифіковано 20 екз. Знайдений лише в популяції біля с. Підгірці. Для особин цього біотипу характерними є наступні генотипи: Aat-1bbb, Aat-2ccc, Es_1bc, Es-2Ba, Tf aa'd. За останнім генотипом особини цього клону чітко відрізняються від інших. В межах клону спостерігається мінливість Pt-2, яка дозволяє розділити його на два субклони: С. gibelio-4.1, який має фіксований генотип Pt-2ab, та С. gibelio-4.2 з генотипом Pt-2bb.

Основу двостатевих популяцій склав карась китайський C. auratus. На цей вид припало 56% від всіх ідентифікованих сріблястих карасів. Карасі даної форми чітко діагностуються за площею еритроцитів, значення якої варіювало в межах 96-158 мкм. Сім локусів (Aat-1, Es-1, Pt-2, Tf, Gpi-1, Gpi-2, Ldh-B) виявились поліморфними, що підтверджує надзвичайно високий рівень алозимної мінливості європейських популяцій китайського карася. В деяких випадках зустрічалися гетерозиготні спектри з ефектами дози гена, або тригетерозиготи, що свідчить про наявність ізолокусів, що з урахуванням амфідиплоїдної структури генома С. auratus, є цілком природним. При цьому локус Es-2В мав як нульовий, так і активний алелі, а локуси Es-2В, Es-3, Aat-2 були інваріантними. Аналіз теоретичного та емпіричного розподілів генотипів поліморфних локусів показав їх відповідність один одному за всіма локусами і у всіх популяціях, що однозначно доводить амфіміктичність цього виду.

Ще одна форма одностатевого карася С. gibelio-3 ідентифікована в двостатевій популяції (басейн р. Остер), в якій домінували особини С. auratus. Для цього біотипу характерний набір константних гетерозигот: Aat-2bcc, Gpi-1aab, Gpi-2aac, Pt-3ab, Es-1ab, Tf ab, одна з яких містила діагностичний алель (Aat-2b), який у поєднанні зі спектром, що відповідає Gpi-2aaс, дає змогу легко розпізнавати особин цього біотипу. Для них також характерний нульовий алель по локусу Es-2B. Всі екземпляри були самками з еритроцитами 162-191 мкм.

Ймовірні гібриди C. auratus Ч C. gibelio, які виявлені в кількох поселеннях були нечисленними (табл. 3). Головною особливістю такої триплоїдної форми є її неклоновість. Тому діагностуються такі особини лише за еритроцитам триплоїдного розміру, що вкладаються в діапазон 156-207 мкм при середньому значенні 176. Вони не мають стабільних генотипових асоціацій і як і будь-які амфіміктичні особини проявляють генетичну індивідуальність. Виходячи з алельних пулів і генотипів можна припустити, що це гібриди C. auratus Ч С. gibelio-2.1 (17 особин) та C. auratus Ч С. gibelio-3 (2 особини); або особини відповідних клонових біотипів, до геному яких інкорпоровано частину генетичного матеріалу від самців С. auratus, що приймали участь у псевдогамному розмноженні. При цьому в дослідженні не відмічалися гібридні особини C. auratus Ч С. gibeliо-1, яких було б легко розпізнати за унікальними алелями Aat-2а, Gpi-1c.

Таким чином, поряд з карасем китайським у водоймах дніпровського басейну було виявлено шість клоновых форм С. gibelio, а також гібриди між С. gibelio і С. auratus (табл. 3). Усього дев'ять генетичних форм.

Слід підкреслити, певну різноякісність біотипів С. gibelio щодо можливості співіснування з C. auratus. Якщо С. gibelio-1 має чітку тенденцію до утворення одностатевих ізольованих поселень, то інший масовий біотип С. gibelio-2 зустрічається тільки разом з С. auratus, причому частка С. auratus може бути як значною, так і мізерною. Також в поселеннях карасів разом з С. auratus відзначені й гібриди С. auratus Ч С. gibelio, що виглядає цілком природнім. У результаті біотиповий склад одностатевих і двостатевих поселень виявляється досить відмінним (мал. 5).

3.4 Морфологічний аналіз

Дисперсійний аналіз показав певні відмінності між самцями і самками китайського карася за окремими індексами тіла і голови. Зокрема, у самців вище спинний, довше грудний і черевний плавці, довше хвостовий стебель і коротша відстань PV. Тоді як за мерістичними ознаками різниця не встановлена. Це і визначило необхідність виключення самців C. auratus з порівняльного морфологічного аналізу пластичних ознак. Безпосереднє співставлення як біотипів C. gibelio (C. gibelio-1, C. gibelio-2.1, C. gibelio-3) між собою, так їх з карасем китайським C. auratus та імовірними гібридами C. auratus Ч C. gibelio-2.1 за окремими ознаками показало, що між ними існує ряд вірогідних відмінностей як за індексами, так і мерістичними ознаками, причому на рівні р < 0,001. Тим не менш, не вдалося знайти, хоча б одну нетрансгресуючу при попарних порівняннях меристичну ознаку чи індекс, що на практиці означає неможливість діагностування цих форм на рівні окремих ознак.

Більш надійною виявилася дискримінація всіх п'яти біотипів за комплексом ознак. Причому аналіз проводився окремо для пластичних, меристичних ознак і всіх разом (табл. 3). Як і очікувалось, найбільш високу надійність визначень було отримано при одночасному застосуванні всіх 26 ознак. При цьому найкраще діагностувалися C. gibelio-1 і C. gibelio-3, значно гірше C. auratus, C. gibelio-2 і особливо C. auratus Ч C. gibelio. Такий розподіл показника дискримінації слід вважати цілком природнім, адже між C. auratus і C. gibelio-2 відбувається гібридизація, яка і стирає межі між цими видами.

Для діагностування С. auratus і С. gibelio традиційно використовуються меристичні ознаки, кількість елементів яких зростає у останнього. Така тенденція в принципі зберігається і в дніпровських популяціях карасів. Якщо кількість лусок в боковій лінії у С. auratus становить 30,5 ± 0,07, то у С. gibelio-1-- 31,2 ± 0,05, у C. gibelio-2 -- 31,5 ± 0,08, у C. gibelio-3 -- 30,6 ± 0,18 і у C. gibelio-4 -- 31,8 ± 0,1. Кількість зябрових тичинок складає: 44,7 ± 0,23, 47,9 ± 0,18, 45,9 ± 0,23, 48,9 ± 0,79 і 44,4 ± 0,5 для С. auratus і чотирьох біотипів С. gibelio відповідно. Звертає на себе увагу різке зниження кількості лусок у С. gibelio-3 і кількості зябрових тичинок у С. gibelio-4. Остання ознака, як відомо (Васильєва, Васильєв, 2000), вважається ключовою у діагностиці С. gibelio, але, як показує дослідження, також як і кількість лусок у боковій лінії, підходить далеко не для всіх випадків. Наявна неоднозначність ключових діагностичних морфологічних ознак, поряд з унікальніс-

Таблиця 2. Показники надійності дискримінації (%) видів і клонів сріблястих карасів за мерістичними ознаками

Значний теоретичний інтерес викликає співставлення рівнів стабільності розвитку в популяціях двостатевого карася китайського й одностатевих форм С. gibelio, яке було оцінено трьома групами показників: варіюванням меристических і пластичних ознак, флуктуючою асиметрією білатеральних структур, а також зустрічальністю різних грубих морфологічних аномалій - фенодевіацій. Проведене співставлення за всіма групами ознак однозначно доводить, що всі проаналізовані форми С. gibelio (С. gibelio-1, С. gibelio-2.1 і С. gibelio-3) мають більш надійні показники стабільності розвитку ніж C. auratus, а саме: менше варіювання ознак, нижче рівень флуктуючої асиметрії і менше частота зустрічей аномальних особин, особливо випадків порушення структури бічної лінії.

4. Гібридизація золотого карася і структура його гібридів

4.1 Біохімічне генне маркування

карась гібридизація біохімічний

Попередній морфологічний аналіз і біохімічне генне маркування в кінцевому результаті дозволили чітко ідентифікувати особин C. carassius та їх гібридів. Для золотого карася діагностичними є наступні алелі: Aat-1c, Aat-2null, Ldh-Вa, Es-1aa, Es-2b, Pt-1Bb, Нbb. Всі досліджені локуси золотого карася виявилися мономорфними за виключенням двох (Gpi-1, Gpi-2), які, однак, не були діагностичними у порівнянні з C. auratus. Це в цілому доводить значну генетичну консервативність популяцій C. carassius.

Всього в 8 вибірках знайдено 87 особин C. сarassius. Крім того було ідентифіковано 111 гібридних особин C. auratus Ч C. carassius, які, судячи з гібридних спектрів, відповідали генотипам Aat-1bc, ac, Aat-2c/null, Ldh-Bab, Es-1ab, ac, ad, Es-2Aab, Es-3ab, Pt-2ab, Hbab були гібридами F1. Виключенням став тільки один екземпляр, у якого за одними локусами спостерігалися гетерозиготи, а по іншим були фіксовані гомозиготи, причому за алелями властивим С. auratus. Саме тому цю особину слід вважати беккросом гібрида C. auratus Ч C. carassius першого покоління з С. auratus.

Гібриди С. auratus Ч С. carassius були знайдені у 8 водоймах. Зустрічалися вони в різних видових поселеннях, в яких у ряді випадків були відсутні особини одного, а в одній водоймі навіть двох батьківських видів (табл. 3).

Перший тип угруповань карасів - це поселення, в яких гібриди зустрічалися разом з особинами двох батьківських видів C. carassius і С. auratus. Звичайно в таких водоймах домінував карась китайський, а карась золотий і гібриди зустрічалися більш менш в рівній пропорції.

Другий -- вибірки, у яких дуже нечисленні гібриди зустрічалися тільки разом з С. auratus і невеликою домішкою С. gibelio s. lato. Не виключено, що в цих водоймах, карась золотий все-таки присутній, але в значно меншій кількості, ніж гібриди.

Третій -- спільні поселення C. carassius і С. gibelio, у яких, проте, зустрічалися гібриди, що за генними маркерами ідентифікуються як С. auratus Ч C. carassius. Особини С. auratus в таких поселеннях не зустрічалися за винятком одного з них (Підгірці), де були знайдені поодинокі особини.

Четвертий випадок викликає винятковий інтерес -- це окреме поселення гібридів у невеликій водоймі, розташованій на околицях м. Коростеня. З 69 досліджених особин 62 виявилися гібридами C. auratus Ч C. carassius, що чітко підтверджується їхніми білковими спектрами, а сім карасів представляли C. gibelio-1. Гібриди були поліморфними за локусами Tf (чотири генотипи), Ldh-B (два генотипи) і Pt-2 (два генотипи), кожний генотип відповідав спектрам гібрида F1.Між генотипами різних локусів однозначно не було асоціацій, що дає підставу вважати гібридних карасів неклоновими формами.

Другу групу гібридів за участю C. сarassius складають гібридні особини C. carassius -- gibelio-1. Доказом цього є складні гібридні спектри по цілому ряду локусів, які включають продукти алелей специфічних для C. carassius та для біотипу С. gibelio-1 і включають відповідні генотипи (Aat-1abbc, Aat-2abbc, Ldh-Babb, Es-1abcd), так і та обставина, що в водоймі, де були знайдені гібриди, з можливих батьківських видів були знайдені лише C. carassius и С. gibelio-1.

Знахідка гібридів C. carassius Ч С. gibelio-1 є принциповим фактом, бо доводить, що при співіснуванні одностатевого срібного карася з золотим може проходити не тільки ініціація дроблення яйцеклітини у самок С. gibelio, як вважали раніше (Черфас, 1976), але й запліднення. За допомогою цитометрії було встановлено, що особини C. carassius -- gibelio-1 -- тетраплоїди. Ймовірно, як і С. gibelio-1, вони розмножуються шляхом гіногенезу.

Таблиця 3. Розподіл видів, гібридів і біотипів С. gibelio за дослідженими вибірками

У цілому в 10 водоймах, у яких виявлені або особини C. carassius, або гібриди С. auratus Ч C. carassius, співвідношення видів і біотипів було наступним (рис. 6) : С. auratus -- 41%, C. carassius -- 15%, гібриди С. auratus Ч C. carassius -- 19% і близько 26% -- різні біотипи С. gibelio.

4.2 Геномна структура гібридів С. auratus Ч C. Carassius

За ступенем плоїдності гібриди класифікуються на три групи: диплоїди, триплоїди і навіть тетраплоїди. Причому диплоїдні гібриди домінують і складають 85%, триплоїдів було значно менше (14%), а тетраплоїди представлені всього однією особиною. Ні за генотиповим складом, ні за характером спектрів триплоїдні гібриди не відрізнялись від диплоїдних. Тому визначити, геном якого виду у триплоїда представлений більшим числом копій не представляється можливим.

4.3 Статева структура гібридів С. auratus Ч C. Carassius

У досліджених гібридів C. auratus Ч С. carassius частка самок склала 58% (Рис. 7). Цей зсув співвідношення статей у бік самок є характерним лише для диплоїдних особин, тоді як у триплоїдів воно рівне. Можливо, це пов'язане з низькою життєздатністю й елімінацією саме триплоїдних самок. У багатьох триплоїдних особин були недорозвинені яєчники, які мали вигляд паренхімних утворів з вкрапленнями ікри, тоді як у триплоїдних самців сім'яники зовні виглядали зовсім нормальними. Єдина тетраплоїдна особина С. auratus Ч C. carassius була самкою з недорозвиненими яєчниками. Гібриди C. carassius Ч С. gibelio були самками з нормально розвинутими гонадами.

4.4 Морфологічна характеристика гібридів за участю золотого карася

За екстер'єрними ознаками, забарвленням тіла і плавців, формою тіла, спинного і хвостового плавців гібриди C. auratus Ч C. сarassius займали проміжне положення і в більшості випадків їх все ж таки можна було одразу ж розпізнати. Однак серед морфометричних ознак не було жодної, за якою можна було би чітко ідентифікувати гібридів. І справа тут не тільки в тім, що вони трансгресували в кожній з популяцій, а ще й в тім, що середні значення цих ознак значно змінювалися в залежності від популяції (рис. 8).

При використанні кількох ознак, зокрема таких як число лусок, зябрових тичинок, відносні максимальні і мінімальна висота тіла, довжина хвостового стебла, то за їх допомогою можна чітко діагностувати не лише батьківські види, але й гібриди, причому на самому високому рівні (рис. 9). Відповідно до дискримінаційного аналізу в цьому випадку особини С. auratus діагностуються на 97,4%, гібриди C. auratus Ч C. сarassius на 93% і C. carassius на 100%, що наочно демонструється на відповідному графіку.

Що стосується гібридів C. сarassius Ч C. gibelio-1, то як за зовнішніми ознаками, так і на рівні окремих морфометричних чи навіть їхнього комплексу вони майже не відрізняються від C. gibelio-1 і це є цілком природнім, адже в їхньому геномі три хромосомні набори C. gibelio-1 і тільки один від C. сarassius.

5. Обговорення результатів

Проведене дослідження показало, що гібридний комплекс, який утворений при гібридизації, з одного боку C. сarassius, а з другого, C. auratus чи C. gibelio, в загальному вигляді відповідає тому, що називають диплоїдно-поліплоїдним комплексом. Головними критеріями того, що ці гібриди відносяться до особливої систематичної групи є, по-перше, їхня різноплоїдність, по-друге можливість певної автономії гібридів по відношенню до батьківських видів, яка проявляється в існуванні гібридів в тих поселеннях, в яких відсутні один або навіть два батьківських види.

При цьому є всі підстави вважати, що механізмом репродукції у гібридів С. auratus Ч C. carassius є не апоміктичне клональне розмноження (у риб - це гіногенез), а гібридогенез - напівклонове розмноження гібридів, коли в процесі гаметогенезу елімінується геном одного з батьківських видів. Підставами для такого висновку є, з одного боку, фертильність і різностатевість гібридів, а з іншого, чітка структура гібридів F1, відсутність у гібридних популяціях генних інтрогресій, а тільки наявність поодиноких беккросів. До цього слід додати, що саме напівклональне розмноження зустрічається в гібридних комплексах північноамериканських і деяких європейських коропових риб (Squalus alburnoides complex). Що стосується нечисленних тетраплоїдних гібридів C. carassius Ч C. gibelio-1, які є фертильними самками, то, найімовірніше, вони подібно до C. gibelio-1 розмножуються гіногенезом.

До цих пір не можна вважати до кінця з'ясованими механізми відтворення ізольованих популяцій одностатевих карасів, оскільки реальність у природі чистого міжвидового, а тим паче, міжродового гіногенезу, як головного фактора відтворення популяцій C. gibelio, можливість якого підтверджується експериментами в лабораторних умовах (Черфас, 1987), викликає деякі сумніви. Зараз доведено, що гіногенез у карасів не є генетично нейтральною подією і залучення генетичного матеріалу від самців іншого виду в тій чи іншій мірі завжди має місце (Межжерин, Павленко, 2007; Fan, Liu, 1990 , Fan, Shen, 1990; Zhou et al., 2000; Thуtt et al., 2005). Звичайно, не можна відкидати того, що більша частина потомства при псевдогамії є генетичними копіями матері, але разом з тим, схрещування, які йдуть з покоління в покоління з самцями інших видів в випадку інтрогресій генетичного матеріалу неминуче призведуть до накопичення чужорідного генетичного матеріалу, чого не спостерігається у досліджених популяціях С. gibelio-1, де стійко зберігається клонова генетична структура поселень, хоча спостерігається в водоймах де сумісно живуть C. auratus і C. gibelio-2, а також C. сarassius та C. gibelio-1. В першому випадку очевидно йдуть інтрогресії, а в останньому утворюються тетраплоїдні гібриди.

Як відомо (Межжерин, 2007), ще в 50-х роках ХХ сторіччя золотий карась був звичайною промисловою рибою України, однак в міру зарегулювання рік і знищення заплавних екосистем він перейшов спочатку в розряд непромислових, потім рідкісних, а потім вже й зникаючих видів. Китайський карась інтродукований у водойми України в середині 60-х років ХХ ст. і вже до кінця того десятиліття «зайняв» місце золотого карася, а тепер це один із наймасовіших видів риб України, який зустрічається повсюдно. Безпосередні спостереження за спільними поселеннями цих видів доводять, що вони нестабільні й завжди золотий карась поступається місцем карасеві китайському (Кукурадзе, Марияш, 1975; Абраменко, 2003). Звичайно, причиною міжвидових виключень можуть бути й екологічні фактори, але в випадку при масової гібридизації й з урахуванням того, що чисельність карася китайського у водах України, у тисячі раз перевершує чисельність карася золотого, можна прогнозувати, що рано чи пізно тільки через гібридизацію карась китайський витіснить карася золотого, замість якого залишаться нечисленні гібриди.

До цього слід додати, що в ситуаціях, коли види широко гібридизують, умовою стабілізації їх відносин стає їхня різна біотопова приуроченість, при якій нечисленний вид знаходить собі притулок в місцях невідповідних або, хоча б, малопридатних для численного. У даному ж випадку китайський карась - вид, що вселився є набагато більш еврибіонтним ніж золотий, а тому чисті популяції цього зникаючого виду можуть якийсь час зберігатися в ізольованих дрібних водоймах, приречених на пересихання.

Висновки

Ключовими результатами дисертаційної роботи слід вважати: опис нового диплоїдно-поліплоїдного комплексу, встановлення факту масової гібридизації карася китайського C. auratus з золотим C. сarassius, що стало причиною елімінації останнього водоймах України, а також докази того, що процес гіногенезу у одностатевого карася не є подією генетично нейтральною.

Гібридизація золотого та китайського карасів в Дніпровському басейні - явище звичайне і широко розповсюджене, причому у випадку сумісного існування цих видів в одній водоймі завжди має місце.

Внаслідок цього утворюються наступні типи гібридних поселень: гібриди і два батьківських види; гібриди з одним батьківським видом; автономні поселення гібридів без обох батьківських видів

Гібридизація C. сarassius з C. auratus призводить до утворення диплоїдно-поліплоїдного комплексу, що включає ди- та триплоїдних фертильних самців, фертильних диплоїдних та триплоїдних самок і деякої частини напівстерильних триплоїдних і тетраплоїдних самок.

В виняткових випадках має місце гібридизація C. carassius і С. gibelio, внаслідок якої утворюються фертильні тетраплоїдні самки. Остання обставина доводить факт порушення гіногенезу у С. gibelio.

Наявність водойм, у яких диплоїдно-триплоїдні гібриди обох статей існують без батьківських видів, доводить можливість автономного існування гібридів, які розмножуються, скоріш за все, шляхом гібридогенезу.

За своєю морфологічною структурою гібриди займають проміжне становище по відношенню до батьківських видів, хоча за головною таксономічною ознакою - числом зябрових тичинок вони дещо ближчі до C. auratus. При цьому існує певна популяційна специфіка, яка визначає цю характеристику у гібридів.

Гібридизація карася китайського з золотим є одним з факторів елімінації останнього в водоймах України і який може в кінцевому рахунку стати причиною повної зникнення останнього.

Література

Межжерин С.В. О полифилитичности европейского триплоидного карася Carassius gibelio. /С. В. Межжерин, С. В. Кокодий // Доповіді Національної академії наук України. -- 2006. -- №7. -- C.169--174. (особистий внесок здобувача -- 50 %: збір матеріалу, постановка електрофорезів, цитометричний та морфологічний аналіз, участь у написанні).

Межжерин С.В. Диплоидно-полиплоидный комплекс С. auratus - carassius карповых рыб (Cyprinidae) в фауне Украины / С.В. Межжерин, С.В. Кокодий // Доповіді Національної академії наук України. -- 2007. -- №12. -- C. 162--166. (особистий внесок здобувача -- 50%: збір матеріалу, постановка електрофорезів, цитометричний та морфологічний аналіз, участь у написанні).

Межжерин С.В. О конкурентном взаимодействии родственных амфи- и апомиктических видов: анализ на примере двух комплексов рыб фауны Украины / Межжерин С.В., Кокодий С.В., Павленко Л.И. //Досягнення і проблеми генетики, селекції та біотехнології: зб. наукових праць. -- Київ: Логос. -- Т.1. -- 2007. -- С. 141--145. (особистий внесок здобувача - 25%)

Межжерин С. В. Поликлоновая структура европейских серебряных карасей Carassius auratus s. lato в водоемах Украины / Межжерин С. В., Кокодий С. В. // Доповіді Національної академії наук України. -- 2008. -- № 7. -- C. 162--169. (особистий внесок здобувача: 50%, збір матеріалу, постановка електрофорезів, цитометричний та морфологічний аналіз, участь у написанні).

Межжерин С.В. Морфологическая изменчивость и дифференциация двуполого китайского (Carassius auratus L. 1758) и однополого серебряного (C. gibelio Bloch) карасей в водоемах Украины / Межжерин С.В., Кокодий С.В. // Вестник зоологии. -- 2009. -- Т. 43. -- №1. -- С. 39--50. (особистий внесок здобувача - 80%: збір матеріалу, постановка електрофорезів, цитометричний та морфологічний аналіз, участь у написанні).

Межжерин С. В. Структура гибридов Carassius auratus s. lato Ч C. carassius (Cyprinidae) в поселениях карасей бассейна Днепра и Северского Донца / Межжерин С. В., Кокодий С. В., Кулиш А. В., Федоренко Л. В. // Доповіді Національної академії наук України. -- 2009. -- № 6. -- C. 191--197. (особистий внесок здобувача - 40%: збір матеріалу, постановка електрофорезів, цитометричний та морфологічний аналіз, участь у написанні).

Межжерин С. В. Генетический гомеостаз и стабильность развития в природных популяциях двуполого (Carassius auratus) и однополого (C. gibelio) серебряных карасей /С. В. Межжерин, С. В. Кокодий // Цитология и генетика. -- 2009. -- Т. 43. -- №1. -- С. 50--57. (особистий внесок здобувача - 50%: збір матеріалу, постановка електрофорезів, цитометричний та морфологічний аналіз, участь у написанні).

Межжерин С. В. Уровни аллозимной изменчивости амфимиктических видов карасей золотого Carassius carassius (L., 1758) и китайского Carassius auratus (L., 1758) в популяциях бассейнов Днепра и Северского Донца / С. В. Межжерин, С. В. Кокодий, А. В. Кулиш // Вісник українського товариства генетиків і селекціонерів. -- 2009. -- Т. 7. -- №1. -- С. 66--73. (особистий внесок здобувача - 45%: збір матеріалу, постановка електрофорезів, цитометричний та морфологічний аналіз, участь у написанні).

Межжерин С. В. Генетическая и таксономическая гипервариабельность апомиктических комплексов животных / С. В. Межжерин, Р. П. Власенко, А. В. Гарбар, Е. И. Жалай, С. В. Кокодий и др. // Современные взгляды на эволюцию органического мира: программа и тезисы докладов международной научной конференции. -- Київ: Академперіодика. -- 2009. -- С. 42.

Размещено на Allbest.ru