Рыбы бассейна Каспия: генетическое разнообразие, эволюция и биогеография

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 проекта 24-44-20019

НазваниеРыбы бассейна Каспия: генетическое разнообразие, эволюция и биогеография

Руководитель Лёвин Борис Александрович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод им. И.Д.Папанина Российской академии наук , Ярославская обл

Конкурс №94 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (INSF)

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

Ключевые слова биоразнообразие, биоресурсы, генетика рыб, эволюция, биогеография, филогеография, филогения, геномика

Код ГРНТИ34.33.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Каспийское море – крупнейший внутренний водоем мира с уникальной фауной. Рыбы бассейна Каспия, важного в промысловом отношении, традиционно находятся в центре внимания исследователей. Вместе с тем, недавнее вовлечение генетических методов для оценки биоразнообразия Каспийского бассейна показало существенную недооценку видового богатства ихтиофауны. Бассейн Каспия в период своего формирования испытывал неоднократные периоды изоляции и восстановления связи с соседними бассейнами. В гляциальные эпохи плейстоцена Каспийское море служило крупным рефугиумом. Сложная геологическая история способствовала, с одной стороны, эндемизму и сохранению древних линий, а с другой – перемешиванию фаун за счет увеличения числа вторичных контактов и гибридизаций. Таким образом, бассейн Каспия представляет интереснейшую акваторию как для изучения феномена повышенного эндемизма, так и сложных эволюционных процессов и механизмов, приводивших к увеличению разнообразия рыб. В проекте предполагается решить две крупные задачи. Первая связана с ревизией таксономического разнообразия рыб Каспийского бассейна. Здесь мы привлекаем как морфологические, так и генетические методы, отдавая преимущество последним в связи со слабой генетической изученностью. Основным генетическим инструментом выступит ДНК-баркодинг – как классический (секвенирование по Сэнгеру), так и метабаркодинг, или анализ средовой ДНК (eDNA), содержащейся в природной воде, методом высокопроизводительного секвенирования. Анализ средовой ДНК существенно дополнит имеющиеся знания по биоразнообразию рыб в связи с охватом больших акваторий за короткий промежуток времени, что невозможно при традиционных способах сбора ихтиологических проб. В качестве отдельного результата ожидается создание достаточно полной базы референсных последовательностей видов рыб Каспийского бассейна, которая послужит основой для дальнейших исследований. Вторая задача связана с более глубоким изучением процессов эволюции и биогеографии рыб Каспия методами мультигенного или геномного анализа. Для реализации второй задачи отобраны «модельные» группы – эволюционные линии рыб с различными жизненными стратегиями и потенциалом к миграции, чтобы оценить роль факторов географической изоляции и вторичного контакта в эволюции рыб Каспийского бассейна. В качестве таковых выбраны проходные, полупроходные и резидентные формы и виды из семейств Salmonidae, Cyprinidae, Cobitidae and Gobiidae. Геномный анализ «модельных» групп наряду с наличием их референсных геномов (Salmo, Rutilus) позволят выполнить эти исследования на высоком научном уровне. Российские и иранские участники проекта – опытные и высококвалифицированные исследователи, владеющие разнообразными методами морфологии и генетики (включая геномику). За период многолетних исследований создана крупнейшая в мире коллекция рыб Каспийского бассейна, которая послужит основой для настоящего проекта (предполагаются и экспедиционные работы). Высокая научная квалификация коллектива подтверждается количеством и качеством научных публикаций. Российско-иранское сотрудничество, опирающееся на широкий географический охват и современные методы, предполагает существенный вклад в теоретические знания о разнообразии и эволюции рыб Каспийского бассейна. Актуальность настоящего проекта подчеркивается и высокой антропогенной нагрузкой на экосистему Каспия. Перепромысел, промышленное загрязнение, зарегулирование стока, натурализация чужеродных видов наряду с изменением климата ведут к сокращению численности видов рыб и исчезновению некоторых форм в условиях неполного документирования видового разнообразия. Знания, полученные при реализации настоящего проекта послужат фундаментом для развития неинвазивных прикладных методов: анализа распространения и учета относительной численности коммерчески ценных (рыбохозяйственные исследования), редких и исчезающих (природоохранные исследования) или чужеродных (биобезопасность) видов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Выполнены обширные экспедиционные работы по сбору морфологических и генетических материалов рыб включая пробы средовой ДНК (environmental DNA) на 329 станциях из водотоков и водоемов Каспийского бассейна включая Каспийское море. Экспедиции проведены в бассейнах Волги, Камы, Урала, Кумы, Терека, Сулака, Самура, Куры и Аракса. Выполнены лабораторные и аналитические работы по генетике (включая геномику) и морфологии рыб Каспийского бассейна. Получено несколько крупных результатов. В частности, масштабный результат получен по ДНК-баркодингу рыб Волги-Камы. Всего проанализировано > 1150 последовательностей баркодового фрагмента первой субъединицы цитохром оксидазы с (COI) от 75 видов (54 рода из 24 семейств), собранных с более чем 180 станций Волги и Камы. Генетическая идентификация выявила 12 новых видов для Волги, ранее не отмечавшихся. Среди них 2 вида из сем. карповых и бычковых могут быть новыми для науки. Еще один вид поменял название в результате таксономической ревизии, проведенной нашей командой. Речь идет о гольяне, считавшимся обыкновенным Phoxinus phoxinus. Согласно генетическим и морфологическим данным, он относится к другому, ранее описанному, но синонимизированному виду - северному гольяну Phoxinus isetensis, ближайший родственник которого - колхидский гольян P. colchicus на Кавказе. Другие относятся к видам, распространенным в соседних с Волгой бассейнах, и проникли по верховьям в бас. Волги путем саморасселения или при помощи человека. Среди них два вида сем. карповых, два вида сем. вьюновых и один вид сем. бычковых. Еще два новых для бассейна Волги вида относятся к дальневосточным агрессивным чужеродным видам с быстрой экспансией и способностью вытеснять аборигенные виды. Проведение специальных тестов говорит об успешности видовой идентификации волжских видов рыб и рыбообразных на основе ДНК-штрихкодирования при 3% генетической дистанции K2P в качестве порога видовых отличий. Точность идентификации составила от 91.84 % до 98.92 % в зависимости от типа теста. Это показывает применимость данного маркера мтДНК для идентификации видов рыб в Волжском бассейне. Созданная нами база референсных последовательностей COI мтДНК рыб Волги послужит основой для дальнейших исследований в области таксономии, филогении и филогеографии рыб, а также для мониторинговых исследований на основе анализа природной ДНК в воде. В бассейне Волги обнаружен ряд различных филогеографических паттернов - от космополитизма у хорошо плавающих видов до намечающейся сортировки гаплотипов по суббасейнам и полной генетической изоляции между волжскими и камскими популяциями у рыб с редуцированным плавательным пузырем. Бассейн Камы, характеризующийся более высоким генетическим разнообразием изученных видов, вероятно, мог служить рефугиумом во время плейстоценовых оледенений. Очаги эндемизма обнаружены не только в Каме, но и в Волжском бассейне, о чем говорит исследование европейского хариуса Thymallus thymallus, также выполненное нашим коллективом. В частности, для Волги-Камы выявлено девять гаплотипов COI, восемь из которых впервые обнаружены и являются уникальными для этого бассейна. Следует отметить, что в ходе этих работ обнаружена генетическая уникальность европейского хариуса и в бассейне т.н. озера Палео-Неро в Ярославской области (Средняя Волга). Геномные исследования (ddRAD-seq, 218 708 SNPs) каспийских видов плотв Rutilus показали сложную картину взаимоотношений этих видов как между собой, так и с популяциями и видами из соседних бассейнов. Крупноразмерный и полупроходной вид (кутум R. kutum) относится к древней и хорошо дивергировавшей кладе, а остальные виды каспийского бассейна - к другой кладе, включающей, в основном, молодые виды. Согласно геномике, видовой статус поддержан для кутума R. kutum, армянской плотвы R. schelkovnikovi и аральской плотвы R. aralensis, но пока неразрешенным остается вопрос с видовым статусом воблы ‘R. caspicus’. Популяционно-видовая структура комплекса воблы оказалась сложнее предполагаемой, к тому же северная популяция активно гибридизует с кутумом. Неясен пока и статус популяций плотвы Волжского бассейна, имеющих гибридное происхождение, причем гибридизация, была, видимо, с двумя разными линиями плотв. Для разрешения сложных запутанных вопросов, связанных с наложением ареалов (вторичный контакт) и роли гибридизационных процессов в формо- и видообразовании плотв Черноморско-Каспийского бассейна, необходимо продолжить исследования, начатые в 2024 г. Проведены также генетические и морфологические исследования проблемных в эволюционном и таксономическом отношении видов семейства карповых (усачи Barbus) и бычковых (цуцики Proterorhinus). В Каспийском бассейне выявлен новый вид цуциков, хорошо дифференцируемый по признакам морфологии и генетики. Выполнена работа по восстановлении из синонимии вида P. blennioides, ареал которого простирается на 400 км вдоль каспийского побережья от Баку в Азербайджане до Энзели в Иране. Этот вид является сестринским видом черноморскому цуцику P. marmoratus, но с очень высоким уровнем дивергенции (p-дистанция = 0,12). https://zse.pensoft.net/article/126702/ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352340924004931 https://www.researchgate.net/publication/386426927_Ichthyofauna_of_the_fresh_and_brackish_waters_of_Russia_and_adjacent_areas_Annotated_list_with_taxonomic_comments_3_Orders_Siluriformes-Syngnathiformes?_tp=eyJjb250ZXh0Ijp7ImZpcnN0UGFnZSI6ImhvbWUiLCJwYWdlIjoicHJvZmlsZSIsInBvc2l0aW9uIjoicGFnZUNvbnRlbnQifX0 https://ibiw.ru/index.php?p=downloads&id=47521 https://new.ras.ru/activities/news/zanovo-opisan-zateryavshiysya-vid-karpovykh-ryb/ https://rscf.ru/news/release/novaya-zhizn-severnogo-golyana-uchenye-zanovo-opisali-zateryavshiysya-vid-karpovykh-ryb/ https://vk.com/wall-223018371_1188

Публикации

1. Дылдин Ю.В., Орлов А.М., Ханель Л., Романов В.И., Фрике Р., Бочкарев Н.А., Васильева Е.Д. Ichthyofauna of the Fresh and Brackish Waters of Russia and Adjacent Areas: Annotated List with Taxonomic Comments. 3. Orders Siluriformes–Syngnathiformes Journal of Ichthyology, V. 64, Issue 6, P. 903-961 (год публикации - 2024)
10.1134/S0032945224700772

2. Артаев О.Н., Болотовский А.А., Турбанов И.С., Гандлин А.А., Кутузов А.В., Лёвина М.А., Мелентьев Д.А. Поздеев И.В., Борисов М.Я., Лёвин Б.А. Forgotten for two centuries: redescription of Phoxinus isetensis (Georgi, 1775)(Cypriniformes, Leuciscidae)–the most widespread minnow in Europe Zoosystematics and Evolution, Zoosystematics and Evolution, 100(3), 1155-1173. (год публикации - 2024)
10.3897/zse.100.126702

3. Бано Б., Болотовский А., Лёвин Б., Маттокс Г.М.Т, Сетра М., Чегледи И., Такакс П. Freshwater fish scale database Data in Brief, Data in Brief, 54, 110525 (год публикации - 2024)
10.1016/j.dib.2024.110525

4. Васильева Е.Д., Васильев В.П., Боровикова Е.А., Есмаеили Х.Р., Гандлин А.А., Лёвина М.А., Мустафаев Н.Дж., Теймори А., Лёвин Б.А. SPECIES DIVERSITY, DIAGNOSTIC CHARACTERS AND DISTRIBUTION OF TUBENOSE GOBIES OF THE GENUS PROTERORHINUS (GOBIIDAE): REVALIDATION OF THE CASPIAN SPECIES PROTERORHINUS BLENNIOIDES Inland Water Biology (год публикации - 2025)

5. Турбанов И.С., Болотовский А.А., Артаев О.Н., Гандлин А.А., Лёвина М.А. Васильева Е.Д., Лёвин Б.А. On the border of Europe and Asia: Gobio uralensis, a new species of gudgeons (Cypriniformes, Gobionidae) from the Caspian Sea basin Zoosystematics and Evolution, Turbanov, I. S., Bolotovskiy, A. A., Artaev, O. N., Gandlin, A. A., Levina, M. A., Vasil’eva, E. D., & Levin, B. A. (2025). On the border of Europe and Asia: Gobio uralensis, a new species of gudgeons (Cypriniformes, Gobionidae) from the Caspian Sea basin. Zoosystematics and Evolution, 101(2), 855-874. (год публикации - 2025)
10.3897/zse.101.147368

6. Болен Шлехтова В., Дворак Т., Фрейхоф Й., Коттла М., Лёвин Б., Голубцов А.С., Шлехта В., Болен Й. Reconstructing the phylogeny and evolutionary history of freshwater fishes (Nemacheilidae) across Eurasia since early Eocene eLife, Том 13, Страницы RP101080 (год публикации - 2025)
10.7554/eLife.101080.3

7. Лёвин Б.А., Симонов Е.П., Шанда Р., Вукич Я., Зогарис С., Болотовский А.А., Лёвина М.А., Мюге Н.С., Мустафаев Н., Мерила Ю. Genomic insights into diversity, phylogeny, hybridization and evolutionary history of Palearctic fish genus Rutilus (Leuciscidae) Diversity and Distributions, Том 31: e70124 (год публикации - 2025)
10.1111/ddi.70124

8. Васильева Е.Д., Васильев В.П., Боровикова Е.А., Лёвина М.А., Лёвин Б.А. Species Diversity, Diagnostic Characters, and Distribution of Tubenose Gobies of the Genus Proterorhinus (Gobiidae): What are P. semipellucidus and P. nasalis? Journal of Ichthyology, Том 65, Номер 5, С. 737-752. (год публикации - 2025)
10.1134/S0032945225600508

9. Боровикова Е.А., Кодухова Ю.В., Абдуллаева Н.М. First Data on Genetic Polymorphism of the Deepwater Goby Neogobius bathybius (Gobiidae) from the Russian Part of Its Range Inland Water Biology (год публикации - 2025)
10.1134/S1995082925600127

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Выполнены экспедиционные работы по сбору морфологических и генетических материалов рыб включая пробы средовой ДНК (environmental DNA) в бассейнах Волги, Кумы, Терека и в сопредельных бассейнах Азово-Черноморского, Белого и Балтийского морей. Упор в исследовании 2025 г. делали на лабораторную и аналитическую обработку собранных материалов. Получено несколько крупных результатов. Прежде всего, стоит отметить результаты метабаркодинга проб средовой ДНК, собранных со 112 станций в Верхней, Средней, Нижней Волге, в дельте Волги и в Каме. Фактически, это первое масштабное исследование по метабаркодингу рыб в РФ. Использовали две праймерные системы на 12S рРНК мтДНК - наиболее адекватный маркер для видовой идентификации европейских рыб. В изученных пробах идентифицировано до 69 видов рыб и рыбообразных (миноги), относящихся к 25 семействам. Анализ таксономического состава по отдельным суб-бассейнам показал достоверные отличия по составу ихтиофауны между ними, что сравнимо с результатами, полученными ранее классическими методами. Достаточно адекватными получились и оценки относительного обилия видов, если их ассоциировать с числом чтений на вид, которые отражают кол-во молекул ДНК, содержащихся в воде. Так, наиболее представительными видами были (в порядке снижения числа чтений): 1) лещ Abramis brama, 2) плотва Rutilus spp., 3) карась Carassius auratus, 4) уклейка Alburnus alburnus, 5) окунь Perca fluviatilis, 6) гольян Phoxinus isetensis, 7) густера Blicca bjoerkna, 8) тюлька Clupeonella cultriventris, 9) щука Esox lucius, 10) усатый голец Barbatula barbatula. Фактически, за один полевой сезон получены сведения по составу рыб с охватом всего бассейна Волги, которые невозможно получить за один полевой выезд с применением традиционных орудий лова. Важными представляются также новые сведения об обнаружении редких или чужеродных видов в новых локальностях при помощи анализа эДНК. Среди таковых, например, обнаружение редкого, краснокнижного вида - каспийской миноги Caspiomyzon wagneri - выше плотины Волгоградского вдхр., преграждающей путь анадромному виду миноги. Сделаны также новые находки чужеродных видов в бассейне Средней Волге. В 2025 г. проведены филогенетические и популяционно-генетические анализы форелей Salmo и воблы R. caspicus Каспийского бассейна с использованием полногеномных данных, полученных в настоящем проекте. Анализы филогении и популяционно-геномной структуры 55 особей Salmo из разных бассейнов Каспия (Волга, Кама, Урал, Кума, Терек, Самур, Кура, Аракс, оз. Севан, иранское побережье Каспия) показали наличие 4-х хорошо идентифицируемых линий, представляющих S. trutta, S. caspius/ciscaucasicus, S. ischchan complex и Salmo sp. - новый, неописанный для науки вид. Cреди форелей Salmo в Каспийском регионе реализуется преимущественно сценарий видообразования “изоляции дистанцией” (isolation-by-distance), который иногда дополняется сценарием симпатрического видообразования (севанские форели). Обнаружены также следы прошлой гибридизации между видами S. trutta и S. caspius в пределах Каспийского бассейна. С применением геномных данных удалось прояснить статус воблы R. caspicus - она заслуживает отдельного видового статуса, хотя прошлые исследования, основанные только на данных мтДНК, говорили об отнесении ее к другому таксону или о выделении ее в качестве внутривидовой формы или подвида обыкновенной плотвы. Удалось также прояснить популяционную структуру воблы в Каспийском бассейне. В частности, обнаружены две крупные популяции, различающиеся на генетическом уровне. Таксономические работы этапа 2025 г позволили обнаружить и описать новый вид пескарей рода Gobio в бассейне р. Урал - единственного эндемичного вида для реки Урала. Кроме того, предварительные результаты указывают на наличие, как минимум, еще двух новых для науки видов рыб в бассейне Каспия. По итогам работ 2025 опубликовано 5 статей в рецензируемых научных журналах, в том числе уровня Q1. https://zse.pensoft.net/article/147368/ https://sev-in.ru/node/4245 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ddi.70124 https://elifesciences.org/articles/101080 https://link.springer.com/article/10.1134/S0032945225600508 https://link.springer.com/article/10.1134/S1995082925600127

Публикации