CC BY
18
УДК 575:636.082.22:639.3
СИСТЕМА ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ ОСЕВОГО СКЕЛЕТА РЫБ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭТОГО ПРИЗНАКА В ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
© 2009 г В.В. Тюрин
Кубанский государственный университет, 355040, Краснодар, ул. Ставропольская, 149 rector@kubsu. ru
Kuban State University, 355040, Krasnodar, Stavropolskaja St., 149, rector@kubsu. ru
В результате системного анализа изменчивости параметров осевого скелета показана его высокая разрешающая способность в оценке генетической гетерогенности искусственных популяций лососевых и карповых рыб. Обсуждается вопрос о селекционном использовании полученных результатов.
Ключевые слова: популяции рыб, осевой скелет, генетическая гетерогенность.
Fish's axial skeleton structure analysis able evaluates genetic heterogeneity of artificial populations.
Keywords: fishes populations, axial skeleton, genetics heterogeneity.
В современных популяционно-генетических исследованиях используют различные с генетических позиций категории признаков: биохимические, качественные (альтернативные), меристические (счетные) и пластические (измеряемые). В этом ряду достаточно обособленно стоят биохимические, относительно которых, хотя и с необходимыми оговорками, можно принять тезис об однозначном соответствии «ген-признак». Из остальных ближе всего к биохимическим находятся в этом смысле качественные признаки со свойственной им дискретной изменчивостью. Со времен Г. Менделя за альтернативными фенотипиче-скими различиями генетика обнаруживает достаточно простые, нередко моногенные, генотипические. Поэтому именно среди них оправдан поиск признаков с диагностической функцией - фенов.
Последние определяют как дискретные, альтернативные, далее неделимые без потери качества вариации признаков, отражающие определенные черты генетической конституции особи, а своей частотой -генотипическую структуру группы [1]. В роли фенов могут выступать и меристические признаки [2].
Интерес к изменчивости строения осевого скелета определился потенциально высокой разрешающей способностью остеологических характеристик в установлении генетически обусловленных межгрупповых и индивидуальных отличий. Причина коренится в особой природе средовой компоненты изменчивости. Действительно, время, когда внешние условия способны влиять на развитие остеологических признаков, т.е. быть фактором их изменчивости, ограничено определенными, чувствительными периодами эмбрионального развития. Позднее источник средовой изменчивости пресекается полностью, а еще возможное становление межгрупповых различий уже не связано с модифика-ционной изменчивостью, а только с отбором.
Так, в экспериментах на Fundulus majalis достоверные изменения в среднем числе позвонков и числе лучей в парных и непарных плавниках сопровождали перенос развивающейся икры в более холодную воду.
Самой чувствительной к температурному шоку оказалась стадия 3^6 сомитов [3, 4]. Середина эмбрионального развития выявлена в аналогичных опытах как чувствительный период для числа позвонков у медаки [5]. На Ruvilus тагтога^ показано, что одно- или двусторонние температурные переносы в ходе инкубации икры только в первые четыре дня приводят к изменению среднего числа позвонков [6]. Два обстоятельства позволяют однозначно интерпретировать результаты этих опытов, исключив эффект дифференциальной выживаемости различных генотипов: связанная с самооплодотворением генотипическая однородность линий и низкий уровень смертности, на котором зафиксированы межгрупповые различия.
В противоположность этому, именно через отбор устанавливаются межгрупповые различия по остеологическим признакам в постэмбриональный период. Здесь полностью приемлем тезис Е.С. Слуцкого [7], по которому смысл фенотипической изменчивости состоит в том, что конкретные условия среды, не давая возможности проявиться всему потенциалу генофонда, формируют только вполне определенное фе-нотипическое разнообразие, не создавая дополнительной изменчивости. Уже этот предварительный анализ специфики изменчивости структуры осевого скелета приводит к заключению о перспективности использования этого признака в популяционно-гене-тических исследованиях рыб, хотя модификация признаков в чувствительные периоды развития безусловно требует разработки специальных методов распознавания генотипов по фенотипу.
Материал и методы исследования
Материалом для исследования послужили выборки двухлеток черноморского лосося, взятые из Адлерского производственно-экспериментального лососевого завода и Племенного форелеводческого завода «Адлер» в 2002 г.
Из карповых рыб исследован белый толстолобик. Взяты выборки из семей от индивидуальных внутривидовых скрещиваний, полученных на осетрово-рыбцово-шемайном заводе объединения Краснодар-рыбводпром в 1981 г. и Кубанском зональном рыбопитомнике в 1987 г.
В основу методики описания структуры осевого скелета положено исследование А.Я. Таранца [8], изучившего особенности строения передних позвонков карповых рыб. В совокупности с работой В.Н. Яковлева [9] оно позволяет характеризовать структуру осевого скелета как соотношение числа позвонков в грудном (в), переходном (Р) и хвостовом (Н) отделах.
За начало грудного отдела принимали 4-й позвонок. Он имеет хорошо развитые боковые отростки, которые в отличие от ребер прочно удерживаются на теле позвонка и не отпадают при приготовлении препарата осевого скелета. За 1 -й переходного отдела принимали позвонок, имеющий боковые отростки (парапофизы), но не несущий настоящих ребер. Первым хвостового отдела считали позвонок, имеющий сросшиеся нижние дуги, дающие начало гемальному каналу. Три последних преуральных позвонка включали в хвостовой отдел.
Конкретный вариант структуры - формулу осевого скелета - записывали следующим образом (пример для лососевых рыб): общее число позвонков (О) - 55; число позвонков в грудном отделе (в) - 26; то же в переходном отделе (Р) - 7; то же в хвостовом отделе (Н) - 22.
В сокращенном виде: О:в:Р:Н = 55:26:7:22.
Использованные в работе математико-статисти-ческие методы выбраны по критерию адекватности системному анализу изменчивости параметров осевого скелета. Так как исследовалась изменчивость не каждого параметра в отдельности, а структуры осевого скелета, т.е. соотношения этих параметров, полностью отвечающими задаче оказались методы многомерного статистического анализа. Они позволяют учесть одновременно как численные значения отдельных параметров осевого скелета, так и систему их связей за счет объединения комплекса признаков в линейные комбинации, в частности, главные компоненты.
Результаты и обсуждение
Возможность модификации формулы осевого скелета на эмбриональной стадии развития исключает однозначное соответствие фенотипа генотипу. Таким образом, задача распознавания генотипов по фенотипу остается актуальной и для этой специфической категории признаков, несмотря на отсутствие моди-фикационной изменчивости в постэмбриональный период. С ее решения и был начат генетико-статистический анализ данных.
После объединения параметров О, в, Р, Н в линейные комбинации - главные компоненты - открылась возможность исследования ординации отдельных формул в их ортогональном пространстве, где каждой формуле отвечает точка, координатами которой является предварительно вычисленное значение главных компонент. Вычисление в данном случае означает подстановку значений О, в, Р, Н для каждой формулы в уравнение главной компоненты. Посколь-
ку одна и та же формула осевого скелета была свойственна нескольким особям выборки, исследовалось распределение именно формул, число которых естественно меньше числа особей.
На рисунке представлена ординация 31 формулы, встреченной в объединенной выборке из двух маточных стад черноморского лосося.
с-- . . Ч. . 440""— Ю -S..P 110
30 13 14Ч\
22^ 12° ° >Чл
Тэ""""'""*' о
-10 12 3
FACTOR1
Ординация различных формул осевого скелета черноморского лосося в пространстве 1-й и 2-й главных компонент
Тридцать одна точка в пространстве главных компонент, как видно из рисунка, распределилась в 7 разных группах, для наглядности обведенных эллипсами. Их расположение свидетельствует о том, что разделение групп осуществилось, главным образом, по значениям 2-й главной компоненты, хотя основная доля исходного разнообразия структуры осевого скелета, как и следовало ожидать, учтена 1 -й из них.
Изменчивость фенотипов складывается из генетически обусловленной и средовой - модификационной. Поэтому она заведомо больше генетического разнообразия. По способу выбора осей нового пространства в методе главных компонент первая из них и должна быть направлена в сторону максимума фенотипической изменчивости. С этих позиций понятно, что разные фенотипы, соответствующие одному генотипическому классу, объединяются эллипсами, ориентированными, главным образом, по 1-й главной компоненте.
Отраженная на рисунке ординация формул уже позволяла предположить, что выделенные 7 групп отвечают 7 различным генотипическим классам, объединяющим несколько различных фенотипов (от 2 до 9). Только один генотипический класс представлен одной формулой.
Предположение о генотипических различиях выделенных групп полностью подтвердилось при сравнении формул, входящих в одну и ту же или различные группы (табл. 1).
Из сопоставления формул по колонкам табл. 1 следует, что функция соответствующего гена (или группы генов) является регуляторной в том смысле, что генетически контролируется соотношение числа туловищных (в+Р) и хвостовых позвонков (Н). Так, например, при общем числе позвонков 57 в разные генотипические классы попадают формулы с соотношением 35:22; 34:23; 33:24; 32:25. Аналогичным образом при общем числе позвонков 56 три разных ге-
3,5
2,5
,5
О 0,5
-0,5
-1,5
-2,5
4
нотипических класса характеризуются соотношения- ми 34:22; 33:23; 32:24.
Таблица 1
Генотипические классы структуры осевого скелета черноморского лосося по признаку (С+Р)/Н
и соответствующие им фенотипы (формулы)
О Генотипические классы
A B C D E F I
59 (27:8)35:24 (28:6)34:25
58 (27:8)35:23 (26:7)33:25
57 (27:8)35:22 (28:6)34:23 (27:7)34:23 (26:8)34:23 (28:5)33:24 (26:7)33:24 (27:5)32:25 (26:6)32:25
56 (27:7)34:22 (26:8)34:22 (27:6)33:23 (26:7)33:23 (28:4)32:24 (27:5)32:24 (26:6)32:24 (25:7)32:24
55 (26:7)33:22 (25:8)33:22 (27:5)32:23 (26:6)32:23 (25:7)32:23 (26:5)31:24
54 (26:5)31:23 (24:6)30:24
53 (22:6)28:25
51 (23:5)28:23
Хотя функция выявленного гена, без сомнения, ре-гуляторна, 7 выявленных генотипических классов легко идентифицируются по числу туловищных позвонков. В различных колонках табл. 1 этот параметр варьирует от 35 до 28, в каждой отдельной колонке оставаясь постоянным. Число туловищных позвонков выступает, таким образом, в качестве классического фена в том смысле, что генотипические различия классов, стоящие за различными его значениями, не только предполагаются, но и предварительно доказаны.
Внимательный анализ табл. 1 дает основание предположить наличие еще одного гена, контролирующего структуру осевого скелета. Действительно, во 2-й колонке со значением числа туловищных позвонков 34 встречаются различные соотношения числа грудных и переходных позвонков, а именно 28:6; 27:7 и 26:8. Аналогичным образом в 3-й колонке, где число туловищных позвонков равно 33, представлены 4 соотношения G:P, а именно 28:5; 27:6; 26:7; 25:8. Несколько различных соотношений G:P характерны и для 4-й генотипического класса, выделенного по первому гену: 28:4; 27:5; 26:6; 25:7.
Из табл. 2 следует, что регуляторная функция 2-й из выделенных генов состоит в контроле соотношения числа грудных и переходных позвонков при постоянном числе туловищных, а феном, обеспечивающим идентификацию соответствующих генотипиче-ских классов, является число грудных позвонков.
Таким образом, по итогам анализа изменчивости структуры осевого скелета черноморского лосося выявлены 2 гена с регуляторной функцией. Первый из них контролирует соотношение числа туловищных (G+P) и хвостовых позвонков (H), второй - соотношение числа грудных и переходных позвонков (G/P).
Аналогичный анализ, заключающийся в исследовании ординации формул осевого скелета в пространстве первых 2 главных компонент у белого толстолобика, выделил 5 (А-Е) различных генотипических классов, отличающихся соотношением числа туло-
вищных и хвостовых позвонков. Характеристики этих классов отражены в табл. 3.
Таблица 2
Генотипические классы структуры осевого скелета черноморского лосося по признаку (С/Р) и соответствующие им фенотипы
G+P Генотипические классы
K L M N Q R S
35 27:8
34 28:6 27:7 26:8
33 28:5 27:6 26:7 25:8
32 28:4 27:5 26:6 25:7
31 26:5
30 24:6
28 23:5 22:6
Таблица 3
Генотипические классы структуры осевого скелета по признаку (С+Р)/Н у белого толстолобика
О Генотипические классы
A B C D E
42 - - - - 22(15:7)-20
41 - 24(15:9)-17 24(16:8)-17 23(15:8)-18 23(16:7)-18 22(15:7)-19 22(16:6)-19 -
40 - 23(14:8)-17 23(15:7)-17 23(16:6)-17 22(14:8)-18 22(15:7)-18 22(16:6)-18 22(17:5)-18 22(17:5)-18 21(15:6)-19 21(16:5)-19 -
39 - 22(14:8)-17 22(15:7)-17 22(16:6)-17 21(14:7)-18 21(15:6)-18 21(16:5)-18 - -
38 22(16:6)-16 21(14:7)-17 21(15:6)-17 20(13:7)-18 - -
Классическим феном, различающим разные генотипические классы, оказывается в данном случае число хвостовых позвонков.
Так же, как у черноморского лосося, был выявлен второй ген, контролирующий соотношение числа позвонков в грудном и переходном отделах.
По этому гену выделено 4 генотипических класса. Так, например, при общем количестве туловищных позвонков 21 встречаются 2 соотношения числа грудных и переходных (14:7 и 15:6). При общем числе туловищных 23 встречаются 3 соотношения (15:8, 16:7 и 17:6).
Проверка на сцепление, проведенная для черноморского лосося и белого толстолобика, доказала независимость 2 выявленных генов. Совместное распределение рыб по классам двух элементов системы генетического контроля признака соответствовало теоретически ожидаемому при независимой комбинаторике признаков (величина у1 для черноморского лосося составила 15,3, для белого толстолобика - 12,5; р>0,05).
Важно подчеркнуть, что, несмотря на несомненно регуляторную функцию генов, каждый из генотипи-ческих классов может быть определен по какому-либо конкретному фену. В этой ситуации правомерно считать, что фенетический и генетический анализы популяции фактически смыкаются. Есть все основания согласиться с тезисом о фенетике как полноценном аналоге генетики в ситуациях, когда возможности собственно генетических методов по тем или иным причинам ограничены [10].
Важным результатом исследования оказалось прямое доказательство различий в адаптивной ценности классов рыб с различной структурой осевого скелета.
Первые доказательства преобразования генетической структуры искусственных популяций за счет дифференциальной выживаемости разных генотипических классов получены при сравнении годовиков и четырехлеток «вьетнамского» белого толстолобика. Его популяция берет начало от личинок, импортированных из Вьетнама в 1982 г. и в течение последующих лет выращенных в одном пруду без каких-либо селекционных или рыбоводных мероприятий (профилактических обработок, сезонных обловов и т.д.). В этих условиях естественный отбор оставался единственной причиной изменения ее генотипического состава.
Распределения частот классов, определяемых ре-гуляторными генами, у годовиков и четырехлеток не совпали. Критерий идентичности по Л.А. Животов-скому [11] составил 22,2 (р<0,01). С возрастом достоверно снизился и показатель внутрипопуляционного разнообразия. По классам первого регуляторного гена с 4,13 ± 0,246 до 3,18 ± 0,300 ^ = 2,5; р<0,05), по классам второго регуляторного гена - с 2,56 ± 0,138 до 1,69 ± 0,134 а = 4,5; р<0,01).
Причиной различий в генетической структуре семей белого толстолобика генерации 1987 г., выращенных на первом году жизни в резко различных условиях двух питомников, вновь оказалась дифференциальная выживаемость генотипов. Но наиболее важный в обсуждаемом плане результат был получен при исследовании разновозрастных выборок рыб из семей белого толстолобика генерации 1984 г. (табл. 4).
Шесть семей распределились в 2 группы по сходству стартовой генетической структуры. В «А»-группу вошли 01, 03, N1 (у2= 0,3; р>0,05), В-группу -
семьи N2, М2, МЗ (у2 = 3,8; р>0,05). Стартовые различия по 3 классам С, А, В статистически достоверны (Х2=13,7;р<0,01).
Таблица 4
Возрастная динамика частот классов С, А, В строения осевого скелета в группах семей белого толстолобика
Возраст рыб Индекс класса Группа А Группа В Критерий Стьюдента
Сеголетки С 10 (12,0) 3 (3,3) 2,2
А 73 (88,0) 77 (85,5) 0,5
В 0 (0,0) 10 (11,2) 4,5
Двухлетки С 23 (15,3) 18 (9,7) 1,5
А 126 (84,0) 164 (88,6) 1,2
В 1 (0,7) 3 (1,7) 0,9
Примечание. В скобках - частота класса, %.
Расчет критерия идентичности для выборок 1-го и 2-го года выращивания показал, что исходная генетическая структура преобразуется с возрастом лишь в одной группе семей, Для А-группы его значение составило 2,5 (р>0,05), В-группы - 14,5 (р<0,01). Данные табл. 4 раскрывают направление отбора. Частота
С-класса возрастает с 3,3 до 9,7 % ^ = 2,1; р<0,05) за счет избирательной гибели рыб В-класса. Его частота снижается с 11,2 до 1,7 % ^ = 3,3; р<0,01). Характерно, что разные на 1 -м году частоты С и В классов к концу 2-го сезона в сопоставляемых группах выравниваются. Иными словами, семьи В-группы «приходят» к генетической структуре, свойственной А-семьям на старте. Показатель сходства популяций, вычисленный для А-группы на 1 -м и В - на 2-м году выращивания, оказался близким к единице: г = 0,99 (Т = 2,2; p>0,05). В этом смысле исходную генетическую структуру А-семей можно назвать оптимальной.
Сравнительное исследование структуры осевого скелета различных искусственных популяций черноморского лосося и белого толстолобика позволило получить следующие результаты: по итогам идентификации генотипических классов по формулам осевого скелета в маточных стадах Адлерского производственно-экспериментального лососевого завода (АПРЛЗ) и Племенного форелеводческого завода «Адлер» выявлено 16 генотипических классов рыб, контролируемых 2 генами (или комплексами генов): 1-й из них контролирует соотношение числа туловищных и хвостовых позвонков, 2-й - соотношение числа грудных и переходных позвонков. По итогам анализа изменчивости структуры осевого скелета в семьях белого толстолобика в системе генетического контроля «структуры осевого скелета» выявлены те же 2 гена с аналогичными функциями; результат вполне ожидаемый с позиций сравнительной генетики и, в частности, закона гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова. На основе анализа изменчивости изучаемого признака не выявлено различий в генетической структуре двух различных маточных стад черноморского лосося, но показана высокая генетическая гетерогенность каждого из них. Сведения о генетике признака «структура осевого скелета» у белого толстолобика и черноморского лосося позволили свести
процедуру оценки генетических расстояний между группами к сопоставлению распределений частот генотипических классов; разработана соответствующая методика. С ее использованием у белого толстолобика установлены межсемейные различия от различных индивидуальных скрещиваний, а также различия между популяциями из различных регионов страны. Установлена генетически обусловленная корреляция структуры осевого скелета белого толстолобика со скоростью роста, что указывает на перспективность использования фенов осевого скелета в качестве маркеров в селекции на повышенную скорость роста.
Литература
1. Яблоков А.В. Состояние исследований и некоторые про-
блемы фенетики популяций // Фенетика популяций. М., 1982. С. 3-14.
2. Яблоков А.В., Ларина Н.И. Введение в фенетику попу-
ляций. М., 1985. 159 с.
3. Fahy M.E. The morfological time of fixation of the total
number of vertebrale in Fundulus majalis // J. Cons. int. explor. mer. 1976. Vol. 36, № 3. P. 243-250.
Поступила в редакцию
4. Fahy M.E. The influence of vertebrale change on number of
analfm rays developing in Fundulus majalis // J. Cjns. int.explor. mer. 1979. Vol. 38, № 3. P. 280-285.
5. Ogawa N.M. Effect of temperature on the number of verte-
bral with special reference to temperature - effective period in medaka (Oryzias latipes) // Annat. Zool. Jap. 1971. Vol. 44, № 3. P. 125-132.
6. Lindsey C.C. Extreme vertebral variation induced beitempe-
rature in a homozigous clones of the selfertilizing cyprino-dontid fish Ruvilus marmoratus // Can. J. Zool. 1972. Vol. 50, № 6. P. 733-744.
7. Слуцкий Е.С. Фенотипическая изменчивость рыб (селек-
ционный аспект) // Изв. ГосНИОРХ. 1978. Т. 134. С. 3132.
8. Таранец А.Я. О некоторых особенностях строения пе-
редних позвонков у карповых // Зоол. журн. 1946. Т. 25, вып. 1. С. 118-123.
9. Яковлев В.Н., Изюмов Ю.Г., Касьянов А.Н. Фенетиче-
ский метод исследования популяций карповых рыб // Биологические науки. 1981. № 2. С. 98-103.
10. Тимофеев-Ресовский Н.В., Яблоков А.В., Глотов Н.В.
Очерк учения о популяции. М., 1973. 277 с.
11. Животовский Л.А. Показатели популяционной изменчи-
вости по полиморфным признакам // Фенетика популяций. М., 1982. С. 38-44.
16 апреля 2008 г.
