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 23-74-01124

НазваниеУниверсальные геномные механизмы формирования дискретных фенотипов гольцов на примере мальмы Salvelinus malma в р. Камчатка и оз. Кроноцкое.

РуководительМельник Николай Олегович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2025 

Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-105 - Эволюционная биология

Ключевые словаАдаптивная радиация рыб, полногеномное секвенирование, видообразование, гольцы, Salvelinus, ddRAD

Код ГРНТИ34.33.33

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Лососевые рыбы – ключевой элемент пресноводной ихтиофауны арктических регионов, являются объектом промысла и аквакультуры. Одна из особенностей, позволяющих лососевым рыбам занимать главенствующую роль в северных широтах, – чрезвычайно экологическая пластичность, которая проявляется точечной подстройкой фенотипа под конкретные условия. В некоторых случаях адаптации выходят за границы нормы реакции вида и закрепляются в дискретных фенотипах. Процесс дивергенции новых форм из единого предка называется адаптивной радиацией. Этот феномен чаще всего встречается у озёрных гольцов рода Salvelinus, более чем в 70 озёрах популяционная система разделяется на пары форм: планктоноядную (или рыбоядную) и бентосоядную. При этом экологические зоны и варианты адаптаций, судя по всему, однотипны по всему ареалу. Эта особенность предполагает наличие универсальных геномных механизмов, приводящих к формированию новых фенотипов, однако работ, посвящённых этой тематике, практически нет. Среди лососевых рыб только для мальмоидных гольцов (Salvelinus cf. malma) известны примеры репродуктивно изолированных форм в речных экосистемах – это каменный и белый гольцы, обитающие в бассейне р. Камчатка. При этом в бассейне р. Камчатка ранее были описаны ручьевые группировки в р. Урц, р. Николка, ручье Пономарский (Савваитова, 1989), которые значительно отличаются от проходной мальмы числом пилорических придатков, позвонков и жаберных тычинок. После первоописания работ по этим гольцам не проводилось. Более того были обнаружены сходные формы в других водотоках. Подтверждение репродуктивной изоляции между локальными группировками и проходной мальмой, повсеместно встречающейся в бассейне р. Камчатка, будет означать наличие нетипичных для лососевых рыб механизмов формирования локального разнообразия. Одним из основных методов выполнения проекта станет ddRAD-seq (double digest RAD sequencing) – высокопроизводительное секвенирование, с высоким разрешением. Результатом работы ddRAD-seq являются миллионы коротких последовательностей, соответствующих участкам генома, находящимся рядом с рестрикционными сайтами. Эти данные могут быть использованы для идентификации полиморфизмов и изучения генетических механизмов, лежащих в основе фенотипических различий между организмами. Более того в рамках предлагаемого проекта будет проведена уникальная работа по оценке параллельности микроэволюционных процессов, происходящих в речных и озёрных экосистемах. Объектом исследования станут рыбоядные гольцы двух крупнейших пресноводных экосистем Камчатки – оз. Кроноцкое и р. Камчатка. Планируется сравнить геномный полиморфизм, отличающий рыбоядных гольцов от общего предка, выявить сходства и различия в озёрных речных экосистемах. Наиболее вероятно, будут обнаружены параллелизмы в мутациях локусов, отвечающих за: 1) формирование краниофациальной области; 2) регуляцию липидного обмена 3) регуляцию активности тиреоидной оси. Для проверки поставленных гипотез будут проведены работы по всему бассейну р. Камчатка, уже намечены участки малых водотоков, подобные р. Озерная. В ходе работ планируется описать морфологические, экологические и генетические особенности каждой из обнаруженных популяций. Для проведения работ по оценке геномных механизмов формирования адаптаций в речных и озёрных экосистемах планируется использовать как собственный материал, так и данные, депонированные в лаборатории Экологии низших позвоночных ИПЭЭ РАН. Осуществимость поставленных задач определяется: 1) наличием у руководителя более 30% необходимого материала; 2) детально проработанной техникой полевых работ, позволяющей получать материал необходимого объёма в труднодоступных регионах; 3) опытом в проведении молекулярно-генетического и морфологического анализов; 4) наличием коллаборации с ведущими биоинформатиками в области эволюционной экологии.

Ожидаемые результаты
В ходе предлагаемого проекта планируется выявить универсальные геномные механизмы формирования фенотипического разнообразия гольца мальмы (Salvelinus malma). На основании полногеномного секвенирования мальмоидных гольцов бассейна р. Камчатка и сравнения с имеющимися данными по геномному разнообразию мальмоидных гольцов оз. Кроноцкое планируется проверить следующие тезисы: 1) Формирование родниковых гольцов – четыре независимых эволюционных события, произошедших по одинаковому сценарию, но имеющими разные сроки начала дивергенции. 2) Эндемичные гольцы бассейна р. Камчатка имеют происхождение от разных популяций мальмы, современная проходная мальма – продукт гибридизации этих популяций. 3) Генетические каскады, приведшие к формированию фенотипа каменного гольца, будут отличаться от тех, которые привели к формированию белого гольца. 4) Модификации генетических каскадов, приводящие к формированию специализированных рыбоядных фенотипов, сходны в речных и озёрных условиях. Исследования генетических основ формирования фенотипических особенностей стали значительно более доступными с развитием технологий секвенирования следующего поколения (NGS). Значительное внимание уделяется преимущественно промысловым, лабораторным модельным видам, а также видам, содержащимся в аквакультуре. При этом изучение нативного полиморфизма встречается значительно реже. Популяции гольцов Камчатки не затронуты промыслом, а экосистемы бассейнов никогда не были разделены искусственными преградами. Таким образом полученные данные будут максимально приближены к естественным, что значительно повышает фундаментальную значимость собираемого материала. Ожидаемые в ходе реализации проекта результаты: 1) Значительно расширят представления об эволюционных процессах, происходивших в роде Salvelinus, ведь потенциал к образованию специфических дериватов может служить механизмом формирования новых видов при выщеплении этих видов в результате катастрофических событий. 2) С практической точки зрения оценка статуса родственных отношений локальных групп гольцов важна для совершенствования мер охраны и рационального использования рыбных ресурсов Камчатки. Будут получены биологически обоснованные оценки степени уникальности и значимости популяций для сохранения биоразнообразия. 3) Позволят определить ключевые участки генома, задействованные в приобретении адаптивных признаков при освоении нетипичных для мальмы экологических ниш.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе первого года проекта, посвящённого разнообразию мальмоидных гольцов (Salvelinus malma complex) бассейна р. Камчатка, была проведена экспедиция в труднодоступные участки речной сети: верховья рек Урц, Шайбина, Николка, Жупанка, Светлый Ключ, Уречек, и ручья 2-ой Кенсол. Во всех случаях были обнаружены массивные выходы грунтовых вод (реокрены). Часть из них (р. Урц, Шайбина, Жупанка) оказалась безрыбной и даже визуально мало пригодной для требовательных к качеству условий лососевых рыб. Дно в этих местах было покрыто толстым слоем ила. В реках Светлый Ключ, Уречек, и ручье 2-ой Кенсол были обнаружены специфические гольцы, подобные которым были описаны автором проекта в р. Озерная (приток р. Толбачик) (материал готовится к публикации). В момент описания этот фенотипический вариант был назван «родниковый голец». Эти рыбы значительно меньше проходной мальмы (FL 16–24 см, W 70–130 г), отличаются от неё удлинённым рылом, и челюстями с часто посаженными зубами. Созревают в возрасте от 4 до 7 лет, максимальный возраст - 9 лет. При этом как самцы, так и самки имеют окраску, мало отличающуюся от окраски оседлых самцов мальмы, что затрудняет классификацию зрелых самцов на границе реокрена и обычного русла. Ниже реокрена в массе встречается мальма, которая представлена как анадромной группировкой (FL 25–50 cм, W 150–1200 г), так и оседлыми самцами (FL < 20 cм, W < 130 г). Молодь мальмы и оседлые самцы питаются всеми доступными кормами. Родниковые же гольцы специализируется на поедании крупных личинок подёнок, веснянок и ручейников, обильно присутствующих в реокрене, высокая степень специализации подтверждается и характером паразитарной инвазии. Можно предположить, что ограничение потока генов происходит за счёт разных сроков нереста. Судя по состоянию гонад, родниковые гольцы размножаются в октябре. Речная мальма нерестится в сентябре ниже по течению реки на речных ямах, в местах проникновения потока в гравий (в момент экспедиции первые пары на поздней 4-ой стадии зрелости уже стояли на нерестилище). В реке Николка также были обнаружены мальмоидные гольцы, однако они не отличались от типичной проходной мальмы, вероятно это связано с малой протяжённостью реокрена в р. Николка (минимум в два раза короче, чем в других случаях). Отсутствие различий подтверждается и микросателлитным анализом, тогда как между родниковыми гольцами и проходной мальмой подтверждено значительное ограничение потока генов. При этом каких-либо заключений о сроках дивергенции на данном этапе сделать не удалось. Во второй год проекта будут использованы методы широкогеномного секвенирования по технологии ddRAD-seq. Это позволит повысить точность генетических датировок и определить очерёдность формирования. Для выполнения этих работ были проведены многочисленные испытания наилучшего набора реагентов. По результату экспериментов для дальнейшей работы был отработан протокол выделения ДНК, выбрана пара рестриктаз – RsaI и HinCII и буфер от компании Thermo Fisher Scientific. Следующий этап – лигация адаптеров - был проведен с использованием выбранных рестриктаз, а также T4 лигазы и буфера от компании Thermo Fisher Scientific. В настоящее время проводится размерная селекция с использованием системы Pippin Prep, что в дальнейшем позволит исключить нежелательные фрагменты и подготовить библиотеку к секвенированию. Таким образом можно утверждать, что на данном этапе реализации проекта выполнены все поставленные задачи: 1) Обнаружены и описаны новые элементы биоразнообразия р. Камчатка 2) Описаны условия их обитания 3) Подтверждена их генетическая обособленность от проходной мальмы 4) Проведена отработка методик пробоподготовки для проведения ddRAD-seq.

 

Публикации