КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-24-00030

НазваниеИсследование эндемичной фауны Harpacticoida озера Байкал

РуководительФефилова Елена Борисовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук", Республика Коми

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-103 - Гидробиология и ихтиология

Ключевые словаЭндемичная фауна, видовое разнообразие, гарпактикоиды, морфология, изменчивость, букеты видов, полифилия, цитохромоксидаза I митохондриальной ДНК

Код ГРНТИ34.35.33


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Озеро Байкал уникально по структуре его населения, в системе районирования пресных вод представляет собой отдельный биогеографический район (Жирков, 2017). В составе его глубоководной фауны высока доля эндемичных видов, немногие из которых выходят за его границы. Биота Байкала – известный модельный объект для изучения эволюции пресноводных организмов, значения природных экологических факторов в механизме формирования высокого биоразнообразия. Представления о происхождении фауны и причинах особенностей ее состава в озере менялись по мере развития научной методической базы, уточнения и расширения массива описательных данных, в том числе по видовому составу населения. Филогенетические исследования отдельных таксономических групп беспозвоночных с применением морфологического и молекулярного анализа установили генетическую связь между сибирской и байкальской эндемичной фауной, различия во времени образования ее структурных компонентов, ее генетическую и морфологическую неоднородность в пределах экосистемы Байкала. Harpacticoida – третья по видовому богатству и числу эндемиков группа беспозвоночных из обитающих в озере. К настоящему времени для Байкала описано 78 видов Harpacticoida, 77 из которых принадлежит к семейству Canthocamptidae, 88 % этих видов эндемичны; дополнительно еще около 30 – как предполагают, пока не описаны (Окунева, 1989; Окунева, Евстигнеева, 2001; Евстигнеева, Собакина, 2008). Гарпактикоиды распространены по всей акватории озера: встречаются от мелководных соров и заливов до максимальных глубин, являются субдоминантной группой мейобентоса, достигая огромной численности. Изучение байкальских гарпактикоид началось в начале 20-го столетия, активно проводилось вплоть до его завершения, однако в настоящее время полностью прекращено. Перспективы будущих исследований, базирующиеся на имеющихся знаниях о группе и связанные с основными направлениями развития зоологической науки, видятся исследователями (Окунева, Евстигнеева, 2001) в 1) переописании большинства байкальских видов в соответствие с правилами Международного кодекса зоологической номенклатуры с указанием местонахождения типового материала (который в настоящее время отсутствует), 2) обнаружении новых таксономически важных признаков и усовершенствовании систематики, 3) полной ревизия байкальских Canthocamptidae, отдельные роды этого семейства, по-видимому, являются сборными, 4) изучении структуры ДНК и филогенетические построения для байкальских и небайкальских гарпактикоид. Активация исследований Harpacticoida Байкала по этим направлениям актуальна также в свете осознания рисков отрицательной динамики богатства фауны и ее уникального разнообразия в связи с антропогенными изменениями состояния экосистем озера. Более того, исследования молекулярных данных по другим эндемичным ракообразным Байкала показали формирование криптических видов под действием географической изоляции и изменчивости экологических условий, подтверждая присутствие непрерывного процесса видообразования внутри таксоценозов (Gurkov et al., 2019). На данный момент необходима систематизация знаний по современному биоразнообразию Байкала, природного объекта мирового значения, с привлечением морфологических и молекулярно-генетических методов. Настоящий проект направлен на работу по выше названным направлениям исследований Harpacticoida. Коллектив участников располагает всем необходимым для этого: материалом для описания состава фауны гарпактикоид и переописания видов из литорали Байкала и его глубоководной части, в том числе, для их молекулярно-генетического анализа, опытом исследований небайкальских и байкальских таксонов, навыками, необходимыми для описания морфологии видов, соответствующих современным мировым стандартам, и генетических исследований Harpacticoida. В задачи реализации проекта будет входить подготовка нового специалиста, владеющего методами морфологического и молекулярно-генетического анализа этой сложной группы ракообразных, расширение базы данных (в том числе создание базы генетических баркодов байкальских гарпактикоид), необходимых для решения проблем эволюции пресноводных таксоценозов и сообществ.

Ожидаемые результаты
1) Будут получены новые данные по видовому составу Harpacticoida озера Байкал, в том числе его глубоководной части, до сих пор очень слабо исследованной; выполнены переописания известных видов, возможно, будут описаны новые для науки виды, дана характеристика распределения фауны гарпактикоид по глубинам и зонам (литораль, абиссаль), по акватории озера. Впервые для байкальских видов родов Harpacticella, Canthocamptus, Moraria, Bryocamptus, эндемичных подродов Baicalocamptus, Baicalomoraria будут получены данные по структуре фрагментов ДНК, данные будут депонированы в базу GenBank. Таким образом, каждое морфологическое описание вида будет сопровождаться данными по его нуклеотидным последовательностям гена цитохром оксидазы 1 митДНК (и ссылкой на них в GenBank), который широко используется в систематизации таксонов в ходе проекта баркодинга живых организмов. 2) Будут обнаружены новые таксономически важные признаки для эндемичных видов и подродов байкальских Harpacticoida, необходимые для уточнения их систематики и переописания “букетов” видов (species flocks) – монофилетичных групп близкородственных видов, дивергировавших в пределах одной замкнутой экосистемы (Brooks, 1950). 3) На основании качественно новых данных будет сделана предварительная оценка разнообразия (видового, морфотипического, генетического) гарпактикоид Байкала, подготовлена база для филогенетических и эволюционных исследований байкальской и небайкальской фауны. Будут отработаны методики исследований морфологии и генетики сложной группы микро-ракообразных. Результаты будут опубликованы или подготовлены для опубликования в высокорейтинговых международных изданиях.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Так же как для других древнейших озер для фауны Байкала характерны особенности: высокий уровень эндемизма и непропорциально высокое разнообразие отдельных групп беспозвоночных, которые в условиях симпатрического формо- и видообразования формируют так называемые букеты видов, быстро диверсифицирующиеся таксономические группы. Эти особенности проявляются в отношении мейобентосных ракообразных отряда Harpacticoida, которые составляют в озере 2/3 видового богатсва Copepoda; 85 % гарпактикоид Байкала – эндемики этого уникального озера. Важно понимать, что, хотя исследования байкальских гарпактикоид продолжается уже более ста лет (с 1908 г., когда был описан первый байкальский вид), даже в литорали озера эта группа остается изученной неполно. Преемственность в исследованиях затруднена тем, что первоописания большинства байкальских эндемичных видов весьма краткие, и сопровождаются недостаточно качественными рисунками. При этом известно, что эти виды сильно морфологически изменчивы и по меньшей мере некоторые из них могут представлять собой комплексы таксонов. Практически ничего не было известно о составе глубоководной фауны гарпактикоид Байкала. В рамках реализации проекта выполнено интегративное переописание гарпактикоиды – эндемика оз. Байкал Canthocamptus (Baikalocamptus) longifurcatus Borutzky. Иллюстрированное описание морфологии самки и самца дополнено описанием генетических баркодов – последовательностей молекулярно-генетического маркера COI. Показано, что по морфологии C. (B.) longifurcatus весьма сходен с другим представителем подрода – C. (B.) verestschagini Borutzky, хорошо отличается от него вооружением фурки самки и строением последней пары плавательных ног самки и самца. Анализ сиквенсов COI и сравнение их с нуклеотидными последовательностями COI других видов гарпактикоид подтвердило принадлежность C. (B.) longifurcatus к роду Canthocamptus. Получены результаты сравнительных исследований морфологии и генетики байкальского субэндемика – гарпактикоиды Harpacticella inopinata Sars. Материалом послужили сборы из южной части озера Байкал и реки Енисей в черте города Красноярска. Показано, что морфологическая изменчивость внутри вида более всего проявлялась в строении экзоподита антенны, числе пор и сенсилл на интегументе торакальных сомитов. Генетическая изменчивость исследованной выборки H. inopinata описывается четырьмя кладами со средним расстоянием между ними 0,26 замен, генетические дистанции между особями внутри обнаруженных генетических групп не превышали 0,005. Получено, что H. inopinata из географически удаленных местообитаний (Байкал и Енисей) образуют единую морфологическую и генетическую группу. Анализ генетического разнообразия H. inopinata подтверждает относительно недавнее байкальское происхождение вида в Енисее, вероятно связанного с антропогенным вселением. Впервые проанализирован таксономический состав Harpacticoida глубоководной зоны Байкала, глубин 270-1632 м, в том числе уникального гидротермального вента (в бухте Фролиха), холодных метановых и нефте-метановых высачиваний (“Санкт-Петербург”, PosolBank, “Горевой утес” и т.д.), а также грязевых вулканов (“Маленький”, К-2). В этих районах найдено 19 морфологических видов гарпактикоид, относящихся к трем родам: Bryocamptus, Attheyella, Moraria, из которых 10 – неясного таксономического статуса (возможно, новые для науки или формы изменчивости известных видов), 1 вид – новый для науки (в настоящее время готовиться его описание). Некоторых из этих морфологических видов были объединены в группы (букеты видов?) безусловно близкородственных таксонов. Идентифицированные нами виды глубоководной зоны оз. Байкал были разделены на 1) широко распространенные по всему озеру и образующие высокую численность локально как на небольших глубинах, так и в абиссали (B. smirnovi), 2) редкие в южной части озера, чья численность уменьшается здесь с глубиной (M. spinulosa), 3) широко распространенные чья численность уменьшается с глубиной (B. cf. abyssicola, B. parvus, A. baiсalensis, M. longicauda), and 4) уникальные для Байкала, встреченные и многочисленные только на гидротермальном венте “Фролиха” на глубине >400 м (B. sp. 6). Полученные нами результаты подтвердили, что в отношении гарпактицид строго проявляется особенность биоты озера Байкал – несмешиваемость эндемичной байкальской и палеарктической фаун. Более того, в уникальных глубоководных районах озера, могут присутствовать виды, эндемичные для них. Например, найденный нами в большом количестве на гидротермальном высачивании B. sp. 6 остается условным эндемиком этого района северного Байкала. Находки новых для науки таксонов гарпактицид, эндемичных абиссали Байкала или отдельных ее районов, выглядят перспективными в связи с наличием аналогичных открытий для морей и океанов. Аналогично другим донным беспозвоночным, гарпактикоиды в абиссали Байкала, вероятно, предпочитают богатые пищевые ресурсы, предоставляемые микробными матами, сосредоточенными в так называемых “оазисах жизни” районов глубоководных сипов и вентов.

 

Публикации

1. Фефилова Е.Б.,Кочанова Е.С., Майор Т.Ю., Евстгнеева Т.Д. Integrative redescription of Canthocamptus (Baicalocamptus) longifurcatus (Harpacticoida: Canthocamptidae), an endemic species from Lake Baikal Zoosystematica Rossica, Vol. 31(2). P. 227-244. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31610/zsr/2022.31.2.227

2. Попова Е.И., Фефилова Е.Б., Кочанова Е.С.,Велегжанинов И.О. Молекулярно-генетические исследования байкальской гарпактикоиды Harpacticella inopinata Sars (Harpacticoida, Copepoda, Crustacea) Материалы докладов XXIX Всероссийской молодежной научной конференции "Актуальные проблемы биологии и экологии", Материалы докладов XXIX Всероссийской молодежной научной конференции "Актуальные проблемы биологии и экологии". Сыктывкар: Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, 2022. С. 63-64. (год публикации - 2022)

3. Фефилова Е.Б., Новиков А.А., Попова Е.И., Велегжанинов И.О., Майор Т.Ю. Новые данные по фауне Harpacticoida (Copepoda) Байкала Сборник тезисов докладов научно-практической конференции: "Актуальные проблемы изучения ракообразных", Сборник тезисов докладов научно-практической конференции: "Актуальные проблемы изучения ракообразных". Ин-т биологии внутр. вод им. И.Д. Папанина РАН, Борок, 2022. С. 64. eLIBRARY ID: 48747913 (год публикации - 2022)


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетный период выполнены исследования филогенетического разнообразия Canthocamptidae в озере Байкал. Как было известно, это наиболее богатое семейство гарпактикоид в Байкале, на более чем 80% представленное эндемиками озера и образующее как минимум шесть букетов видов (монофилетичных групп, образованных тремя или более близкородственными видами), выявленных по морфологическим признакам (Boxshall, Evstigneeva, 1994). В результате работы в 2023 году впервые получены и депонированы в GenBank 118 ДНК-баркодов (нуклеотидные последовательности молекулярно-генетического маркера COI) для 33 морфологических видов пяти родов Canthocamptidae (Harpacticoida, Copepoda) из озера Байкал. Для филогенетического анализа использованы 123 СОI сиквенса байкальских Canthocamptidae, полученных нами в 2022-2023 году, и 17 СОI сиквенсов небайкальских представителей семейства из водоемов Сибири (получены нами) и озера Онтарио (Connolly et al., 2022).Таким образом существенно расширена база молекулярных штрихкодов пресноводных Harpacticoida, представленных в открытом доступе на информационном портале GenBank, до сих пор таксономически очень бедная. Важно, что морфологические исследования большей части включенных в филогенетический анализ гарпактикоид (взрослых особей) выполнены в два этапа: до и после проведения генетических исследований. Пятнадцать особей (14,6%) в результате исследования морфологии удалось определить лишь до уровня рода или подрода. Референсные постоянные препараты (ваучеры) экзоскелетов особей, ассоциированных с конкретными номерами сиквенсов в GenBank сохранены в зоологической коллекции Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Такой подход позволяет составлять молекулярные диагнозы видов вкупе с морфологическими диагнозами, выполнять генетическую паспортизацию таксонов. Большая часть включенных в анализ филогенетического разнообразия Canthocamptidae Байкала собрана членами научного коллектива в 2022 и 2023 году, кроме того использованы особи из проб 2017 года, предоставленные Т.Я. Ситниковой (Лимнологический институт СО РАН). Всего проанализирован материал из 21 местообитания гарпактикоид Южной, Средней и Северной котловин Байкала, с глубин 0,2-1632 м. Важное заключение было сделано относительно методической части работы. Для анализа молекулярно-генетического разнообразия байкальских Canthocamptidae получены последовательности COI по протоколу, ранее опубликованному в (Kochanova et al., 2018). Для амплификации гена использовали несколько праймеров в комбинациях: LCOI490/ HCO2198 (I), ZplankF1_t1/ ZplankR1_t1 (II), HCO2198/ M1323 (III), and HCO2198/ L1384-COI (IV), HCO2612/ LCO1384 (V), HCO2612/ LCO1490 (VI). Было показано, что комбинации праймеров I и II оказались наиболее эффективными: 59% сиквенсов получено при использовании LCOI490/ HCO2198 комбинации, 36% - ZplankF1_t1/ ZplankR1_t1 комбинации праймеров. Однако результаты по некоторым байкальским видам были получены только при использовании других комбинаций праймеров. Длина большинства полученных COI последовательностей была более 500 (540-671), длина 3 – менее 500: OP963383 (Canthocamptus (Baikalocamptus) longifurcatus) – 284, OQ436441 (Moraria (Baikalomoraria) werestschagini) – 358, OR596580 (C. (Canthocamptus) baikalensis) – 417. Для филогенетического анализа использовали байесовский метод оценки, который позволяет устанавливать гомологические связи между молекулярными последовательностями разной длины. В результате филогенетического анализа мы идентифицировали 23 “генетических вида” байкальских гарпактикоид, что оказалось в 1,5 раза меньше по сравнению с числом выявленных морфовидов. Это было связано не только с генетической идентификацией некоторых особей, но и объединением в одну генетическую группу (II или IX на филогенетическом дереве) нескольких морфологических видов подродов Canthocamptus и Baikalomoraria. Так, согласно результатам наших исследований два байкальских представителя рода Canthocamptus: C. latus and C. bulbifer, относятся к одному морфологически изменчивому виду; также три морфологических вида Moraria (Baikalomoraria) образовали на филогенетическом дереве две генетические группы. Три представителя подрода Bryocamptus (Bryocamptus) близких по морфологии B. (Bryocamptus) incertus (из Чивыркуйского залива, и бухты Фролиха озера Байкал) по строению СОI были отнесены к этому виду, изменчивому по строению эндоподитов плавательных конечностей. В то же время, показана генетическая дифференциация одного из представителей этой морфологической группы, что можно интерпретировать как находку нового для науки вида среди байкальских Bryocamptus. Впервые с применением методов молекулярной генетики показана связанность фаун гарпактикоид больших глубин Байкала и его литорали. Было установлено, что некоторые неидентифицированные рачки из наиболее глубоководной части озера (глубина 1632 м) по структуре молекулярного маркера COI практически идентичны особям Bryocamptus (Bryocamptus) incertus (K2P дистанция между сиквенсами составила 0,4 %) или B. (B.) sp. 4 (K2P дистанция – 0,6 %) из литорали озера. Найденный на глубине 675 м B. (Echinocamptus) smirnovi образовал общую генетическую группу с особями из бухты Базарная (глубина 6-10 м) и пролива Малое море (глубина 45 м) с K2P дистанцией между сиквенсами 5,3-12%. Впервые получены результаты морфологического и молекулярно-генетического анализа широко-распространенного в Голарктике вида гарпактикоиды семейства Canthocamptidae Attheyella nordenskioldii из Байкала. До недавнего времени этот таксон был указан для озера и впадающих в него рек под именем его младшего синонима Canthocamptus gibba, считавшегося эндемиком озера. Сравнение A. nordenskioldii из Байкальского региона с особями из других регионов Европы (Большеземельская тундра) и Сибири (дельта реки Лена, плато Путорана, Западный Саян, Забайкалье) по нуклеотидным последовательностям генетического маркера COI и морфологии показало их принадлежность к одному виду (генетические дистанции между особями из разных популяций составляли 0.0016-0.065). Определены пределы изменчивости морфологического признака A. nordenskioldii, ранее указанного для дифференциации этого вида от C. gibba: длины семяприемника (выводковой трубки), а также некоторых других признаков, касающихся строения пятой паты ног самки. Описан новый для науки вид Bryocamptus (Rheocamptus) sitnikovae sp.n. из глубоководного гидротермального вента озера Байкал (Novikov, Sharafutdinova, Fefilova, в печати), который отличается от других представителей голарктического подрода Rheocamptus модифицированной внешней апикальной каудальной щетинкой с дисковидным дорсо-вентральным расширением у самок, а также отсутствием латеральных шипиков на анальном сомите самок и самцов; определены признаки, наиболее подходящие для идентификации видов Rheocamptus, который в Байкале представлен десятью эндемичными видами.

 

Публикации

1. Е.Б. Фефилова Е.Б., Алексеева Т.М., Попова Е.И., Голубев М.А., Бакашкина А.С., Велегжанинов И.О., Новиков А.А. Identification of Attheyella nordenskioldii (Copepoda: Harpacticoida) in Lake Baikal using molecular genetic methods Zoosystematica Rossica, Zoosystematica Rossica. 2023. Vol. 32(1): 124–134 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31610/zsr/2023.32.1.124

2. Новиков А.А., Шарафутдинова Д.Н., Фефилова Е.Б. A new species of Bryocamptus (Copepoda, Harpacticoida, Canthocamptidae) from the hydrothermal seep of Lake Baikal Arthropoda Selecta, - (год публикации - 2024)

3. Фефилова Е.Б., Попова Е.И., Майор Т.Ю., Новиков А.А., Велегжанинов И.О., Голубев М.А., Бакашкина А.С. Morphological and Genetic Identification of Harpacticella inopinata (Harpacticoida, Copepoda) from Lake Baikal and the Yenisei River (Russia) Inland Water Biology, Inland Water Biology, 2023, Vol. 16, No. 5, pp. 863–872. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1995082923050061

4. Фефилова Е.Б., Ситникова Т.Я., Новиков А.А. The First Data on Harpacticoid Copepod Diversity of the Deep-Water Zone of Lake Baikal (Siberia, Russia) Diversity, Sitnikova, T.Y.; Novikov, A.A. The First Data on Harpacticoid Copepod Diversity of the Deep-Water Zone of Lake Baikal (Siberia, Russia). Diversity 2023, 15, 94. Attribution (CC BY) license (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/d15010094

5. Попова Е.И., Фефилова Е.Б., Велегжанинов И.О. Результаты молекулярно-генетических исследований некоторых видов гарпактикоид (Harpacticoida, Copepoda) озера Байкал Сборник материалов докладов XXX Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии», Материалы докладов XXX Всероссийской молодежной научной конференции, посвященной 300-летию Российской академии наук, “Актуальные проблемы биологии и экологии”. Сыктывкар: Институт биологии Коми НЦ УрО РАН. 2023. С. 71-73. (год публикации - 2023)


Возможность практического использования результатов
Практическое применение полученных результатов будет возможным для экологически безопасного осуществления хозяйственной деятельности и контроля биологического загрязнения на природные водные экосистемы: опубликованные результаты по составу фауны Harpacticoida озера Байкал и их разнообразию, в том числе филогенетическому, могут быть использованы в качестве справочного материала для ведения экологического мониторинга состояния озера. Для учета и оценки показателей биоразнообразия Байкала могут использоваться молекулярно-генетические данные по Harpacticoida, представленные в NCBI GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/).