ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦИИ АТЛАНТИЧЕСКОГО ЛОСОСЯ (SALMO SALAR) БАССЕЙНА БЕЛОГО МОРЯ, ВЫЯВЛЕННАЯ С ПОМОЩЬЮ МИКРОСАТЕЛЛИТНЫХ МАРКЕРОВ[2]

А.К. Тонтери ¹, А.Е. Веселов², А.В. Зубченко³, Я.И. Лумме⁴, С.М. Калюжин⁵, М.Ю. Озеров¹, К.Р. Приммер¹

¹Департамент биологии, подразделение генетики и физиологии, Университет Турку, Финляндия ²Учреждение Российской академии наук Институт Биологии Карельского научного центра РАН, г.

³Полярный НИИ морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича, г. Мурманск, Россия ⁴Департамент биологии, Университет Оулу, Финляндия.

⁵Варзугский научно-исследовательский центр полярных экосистем, с. Варзуга, Россия

e-mail: mikhail.ozerov@utu.fi

Введение

Популяции атлантического лосося, нерестящиеся в реках бассейна Белого моря, следует рас­сматривать как одни из немногих, не затронутых сильным антропогенным воздействием (Parrish et al., 1998). Лосось этого региона, являясь главным источником биологического разнообразия для всей Европы, также имеет огромное экономическое и социальное значение, проявляющееся, напри­мер, в виде рыболовного туризма. Однако, в настоящее время, знания о генетической структуре по­пуляций атлантического лосося бассейна Белого моря основаны, в первую очередь, на изучении ми­тохондриальной ДНК (Asplund et al., 2004), а так же на нескольких работах, с использованием ядер­ных маркеров, включающих лишь небольшую часть популяций региона (Kazakov, Titov, 1991; Makhrov et al., 2005; Saisa et al., 2005; Tonteri et al., 2005). Поэтому одной из основных задач данной работы было проведение более детального исследования генетической структуры популяций с ис­пользованием ядерных маркеров. Полученную с их помощью информацию необходимо использо­вать для разработки планов по сохранению и управлению генетическими ресурсами. Эта информа­ция может послужить основой для идентификации принадлежности особей, выловленных в откры­том море, к той или иной популяции.

Одним из глобальных природных явлений, оказавших значительное влияние на генети­ческую структуру атлантического лосося бассейна Белого моря, рассматривается леднико­вый период. Массивный слой льда покрывал всю эту область тысячи лет, пока лед не отсту­пил около 11,5-12 тыс. лет назад (Svendsen et al., 2004). Постледниковая история атлантиче­ского лосося, распространенного на северо-западе России, уже изучалась до этого, и были предложены несколько сценариев реколонизации. А.А. Махров с соавторами (Makhrov et al., 2005) предположил, что колонизация бассейна Белого моря происходила из бассейна Балти­ки вместе с мигрантами из Атлантического океана, а бассейн Баренцева моря был заселен как из восточной, так и из западной Атлантики. О балтийском влиянии в регионе также предположили Р.В. Казаков и С.Ф. Титов (Kazakov, Titov, 1991). Однако Т. Асплунд с соав­торами (Asplund et al., 2004) предположили, что колонизация рек, впадающих в Белое и Ба­ренцево моря, происходила напрямую из восточного рефугиума (убежища), т.е. лососем, на­гуливающимся в Атлантическом океане и позже мигрировавшим на Кольский полуостров. Гипотеза восточного убежища и дополнительной миграции с запада была впоследствии под­держана в работе А. Тонтери с соавторами (Tonteri et al., 2005).

Целью данной работы заключалась в изучении генетической структуры популяций ат­лантического лосося с помошью ядерных маркеров. В связи с этим был проведен микроса­теллитный анализ большого числа популяций, воспроизводящихся в нерестовых реках бас­сейна Белого и Баренцева морей. Всего 1352 особи атлантического лосося, представленных 34 популяциями Северного, Норвежского, Баренцева и Белого морей, были изучены с ис­пользованием 14 микросателлитных маркеров (рис. 1). Дополнительно эти данные примени­ли для оценки относительных пропорций общего генетического разнообразия региона, что может являться основой для разработки планов по управлению генетическими ресурсами и их сохранению. Наконец, была проверена правильность данных при использовании их для идентификации принадлежности особей, выловленных в зонах рыболовного промысла, к той или иной популяции.

Принадлежность к группам, выявленным с помощью анализа главных компонент, обозначена цветом: черный - Атлантика и Запад Баренцева моря, штриховка - Восток Баренцева моря, серый - Запад Белого моря, белый - Кольский п-ов. Реки: I-Dee - Ди, 2-Soy - Сёйя, 3-Rei - Рейса, 4-Ten - Тенойоки, 5-Tit - Титовка, 6-ZaL - Западная Лица, 7-Ura - Ура, 8-Tul - Тулома, 9-Kola - Кола, 10- Dro - Дроздовка, 11-Yok - Йоканьга, 12-Kac - Качковка, 13-Leb - Поной Лебяжья, 14-Pac - Поной Пача, 15-Dan - Даниловка, 16-Bab - Бабья, 17-Lih - Лиходеевка, 18-PuK - Пулоньга (Кольский п- ов), 19-Yug - Югина, 20-Kit - Кица, 21-Yap - Варзуга Япома, 22-Ole - Оленица, 23-Umb - Умба, 24- Pil - Пила, 25-Kolv - Колвица, 26-Nil -Нильма, 27-PuW - Пулоньга (Белое море), 28-Pon - Поньго- ма, 29-Sum - Сума, 30-Emt - Северная Двина Емца, 31-Pad - Северная Двина Падома, 32-Meg - Ме- гра, 33-Piz - Печора Пижма, 34-Unj - Печора Унья.

Рис. 1. Схема мест сбора образцов популяций атлантического лосося.

Результаты и обсуждение

На основании данных микросателлитной изменчивости исследованные популяции были разде­лены на четыре кластера. Популяции атлантического лосося, воспроизводящиеся в реках западной части Баренцева моря, образовали единый кластер с популяциями, нерестящимися в реках северо­восточной Атлантики. Кроме того, популяции из рек Белого и восточной части Баренцева моря были разделены на три дополнительные группы (рис. 2). Популяции востока и юга Кольского полуострова (Белое море) составили одну группу, за исключением популяций из рек Оленица и Пила, которые по­пали в кластер с популяциями западного побережья Белого моря, формирующих третью группу. Чет­вертая группа была сформирована популяциями восточной части Белого моря и Баренцева моря за исключением популяции реки Мегра (Архангельская область), которая попала в группу с географиче­ски близкими популяциями восточной части Кольского полуострова.

Никакой разницы в уровне генетического разнообразия не было отмечено между группами Атлантики, западной части Баренцева моря и Кольского полуострова или между группами запад­ной части Белого моря и восточной части Баренцева моря (табл.). Однако уровень генетического разнообразия популяций западной части Белого моря (Карелия) был достоверно ниже, чем популя­ций Атлантики, западной части Баренцева моря и популяций Кольского полуострова. Так же и по­пуляции восточной части Баренцева моря показали более низкие значения генетического разнооб­разия, чем популяции Атлантики, западной части Баренцева моря и популяции Кольского полуост­рова.

Показатели генетического различия (FST) внутри групп для кластеров западной части Белого моря и восточной части Баренцева моря были достоверно выше по сравнению с двумя другими группами (Атлантики, западной части Баренцева моря и группы Кольского полуост­рова). Однако показатели FST для групп западной части Белого моря и восточной части Барен­цева моря не отличались достоверно друг от друга, так же как и эти показатели для двух дру-

Рис. 2. Распределение лосося в пространстве главных компонент: черные кружки - популяции лосося северо-запад­ной части Атлантического океана и западной части Баренцева моря, белые - восточной и южной частей Кольского п- ова, серые - западной части Белого моря, заштрихованные - восточной части Белого и Баренцева морей.

Успешность моделирования распределения выловленных на нагуле особей в свою речную по­пуляцию сильно различалась. На уровне групп успех определения был относительно выше, показы­вая, что большинство неправильных определений на уровне популяции было опосредовано особя­ми, попавшими в другую популяцию из той же группы (табл.). В некоторых случаях низкий уро­вень успешности являлся следствием слишком малого числа отобранных для исследований особей. Тем не менее, доля успешных попыток при определении региона происхождения была относитель­но высокой (87-96%), указывая, что этих данных было достаточно для относительно точного опре­деления на таком уровне (табл.).

Средние показатели генетического разнообразия и различия популяций, выявление достоверного сигнала изоляции расстоянием внутри региона и средняя степень успешного распределения особей на уровне популяции и подгрупп

Таким образом, с относительно высокой степенью точности полученные данные могут быть использованы для определения региона происхождения особей, которые выловлены в открытом мо­ре (рис.

Изоляция расстоянием определялась путем попарных сравнений генетических дистанций, выра­женных как FST/(1-FST) и географических расстояний, измеренных как кратчайший водный путь между местами взятия образцов (в км). Несмотря на то, что показатель изоляции расстоянием был достоверным при включении в анализ всех исследованных популяций, для отдельных групп достоверная изоляция рас­стоянием была отмечена только среди популяций образующих группу Кольского полуострова (бассейн Белого моря), группу Атлантики и западной части Баренцева моря, тогда как в других двух группах не бы­ло отмечено признаков изоляции расстоянием (рис. 3, табл.). Это указывает на то, что пространственный масштаб, на котором была изучена изоляция расстоянием, имеет значение, что также было отмечено и в более ранних работах (Slatkin, 1993; Rousset, 1997; Ehrich, Stenseth, 2001; Castric, Bernatchez, 2003). Нами

был обнаружен существенный разброс в наклоне линии регресса при изоляции расстоянием, когда рас­сматриваемые популяции были отдаленны друг от друга на расстояние 100 км или меньше.

Рис. 3. Связь между географическими и генетическими расстояниями изученных популяций атлантического лосося. Квадратами обозначены межпопуляционные расстояния в каждой из групп, выявленные анализом основных компонент

(черные - Атлантика и западная часть Баренцева моря; темно серые - Кольский п-ов; светло серые - западная часть Бело­го моря; белые - восточная часть Баренцева моря), межпопуляционные расстояния между четырьмя группами представле­ны крестиками. Линия показывает регрессию всех межпопуляционных сравнений (r_XY = 0,39; P = 0,008).

Наблюдаемая ситуация могла бы быть объяснена прохождением популяциями состояния «бу­тылочного горлышка», т.е. относительно короткого периода времени, когда в силу определенных, не­предсказуемых экстремальных ситуаций выживает небольшое количество особей от начальной чис­ленности популяции. Вследствие этого теряется большая часть оригинального генетического разно­образия. Чаще всего «бутылочное горлышко» вызвано изменениями окружающей среды. Однако в нашей работе его не было выявлено. Наиболее вероятное объяснение состоит в том, что изученные популяции находятся в неравновесной ситуации по потоку/дрейфу генов, поскольку вся изученная область была скрыта массивным ледяным покровом в течение последнего ледникового максимума приблизительно 25-15 тыс. лет назад (Svendsen et al., 2004). Архангельская область была освобождена ото льда приблизительно 13 тыс. лет назад, а Белое море и большая часть Кольского полуострова при­близительно 11,5-12 тыс. лет назад (Svendsen et al., 2004). Таким образом, вероятно, атлантический лосось из Белого моря все еще проходит временную фазу перехода к равновесию, и сигнал изоляции расстоянием не может быть обнаружен на больших географических дистанциях.

Четкое разделение популяций на группы: побережье Белого моря, включая Кольский полу­остров, северо-восточную Атлантику и западное побережье Баренцева моря, а также на восточное побережье Баренцева моря, указывает на то, что эти регионы были колонизированы из разных убе­жищ. Реки Белого моря и восточного побережья Баренцева моря были колонизированы с востока, как и предполагалось до этого (Asplund et al., 2004; Tonteri et al., 2005), и подтверждается настоящи­ми наблюдениями различных характеристик для популяций этой области. Предположения о мигра­ции с запада в западную часть Баренцева моря были сделаны в предыдущих исследованиях (Asplund et al., 2004; Makhrov et al., 2005; Tonteri et al., 2005), а так же подтверждаются результата­ми данной работы. Вышеизложенное также позволяет сделать заключение, что западная часть Ба­ренцева моря была колонизирована скорее с запада, чем с востока после схода ледника, или, что за­падные линии, по крайней мере, значительно повлияли на генетический состав современных попу­ляций атлантического лосося этой области.

Заключение

Так какие же популяции должны быть сохранены в первую очередь, согласно обнаруженной в регионе генетической структуре? Четыре группы с различной послеледниковой историей, выяв­ленные в этой работе, могут рассматриваться в качестве отправной точки для определения четырех единиц управления генетическими ресурсами. Несомненно, для этих четырех групп могут потребо­ваться различные стратегии управления, поскольку были выявлены два различных типа генетиче­ского разнообразия и различия (табл.). Популяции лосося, нерестящиеся в реках Кольского полу­острова в бассейне Белого моря, а также в бассейне Атлантического океана и западного побережья Баренцева моря показали большее генетическое разнообразие и меньшее генетическое различие, чем популяции воспроизводящиеся в реках западного побережья Белого моря и восточного побере­жья Баренцева моря. При этом у двух предшествующих групп наблюдается изоляция расстоянием (табл.). Это означает, что относительная значимость потока генов по сравнению с их дрейфом игра­ет разную роль в определении структуры популяции в этих четырех регионах. Поток генов оказыва­ет большее влияние в реках Кольского полуострова, Атлантики и западной части Баренцева моря, а дрейф генов - в западной части Белого моря и восточной части Баренцева моря.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №08-04-91771-АФ_а), Академии наук Финляндии (грант №124121), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Биологическое разнообразие» (2009-2011 гг.) и Варзугского научно-исследовательского центра полярных экосистем.

Литература

Asplund T., Veselov A., Primmer C.R., Bakhmet I., Potutkin A., Titov S., Zubchenko A., Studenov I, Kaluzchin S., Lumme J., 2004. Geographical structure and postglacial history of mtDNA haplotype variation in Atlantic salmon (Salmo salar L.) among rivers of the White and Barents Sea basins // Annales Zoologi Fennici V. 41.

P. 465-475.

Castric V., Bernatchez L. 2003. The rise and fall of isolation by istance in the anadromous brook charr (Salvelinus fontinalis Mitchill) //Genetics V. 163. P. 983-996.

Ehrich D., Stenseth N.C. 2001. Genetic structure of Siberian lemmings (Lemmus sibiricus) in a continuous habitat: large patches rather than isolation by distance // Heredity V. 86. P. 716-730.

Kazakov R.V., Titov S.F. 1991. Geographical patterns in the population genetics of Atlantic salmon, Salmo

salar L., on U.S.S.R. territory, as evidence for colonization routes // Journal of Fish Biology V. 39. P. 1-6.

Makhrov A.A., Verspoor E., Artamonova V.S., O'Sullivan M. 2005. Atlantic salmon colonization of the Russian Arctic coast: pioneers from the North America // Journal of Fish Biology V. 67 (supplement A). P. 68-79.

Parrish D.L., Behnke R.J., Gephard S.R., McCormick S.D., Reeves G.H. 1998. Why aren't there more Atlantic salmon (Salmo salar)? // Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences V. 55 (supplement 1). P. 281-287.

Rousset F. 1997. Genetic differentiation and estimation of gene flow from F-statistics under isolation by distance // Genetics V.145. P. 1219-1228.

Saisa M., Koljonen M.-L., Gross R., Nilsson J., Tahtinen J., Koskiniemi J., Vasemagi A. 2005. Population genetic structure and postglacial colonization of Atlantic salmon (Salmo salar) in the Baltic Sea area based on microsatellite DNA variation // Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences V. 62. P. 1887-1904.

Slatkin M. 1993. Isolation by distance in equilibrium and non-equilibrium populations // Evolution V. 47.

P. 264-279.

Svendsen J.I., Alexanderson H., Astakhov V.I., Demidov I., Dowdeswell J.A., Funder S., Gataullin V., Henriksen M., Hjort C., Houmark-Nielsen M., Hubberten H.W., Ingolfsson O., Jakobsson M., Kjsr K.H., Larsen E., Lokrantz H., Lunkka J.P., Lysa A., Mangerud J., Matiouchkov A., Murray A., Moller P., Niessen F., Nikolskaya O., Polyak L., Saarnisto M., Siegert C., Siegert M.J., Spielhagen R.F., Stein R. 2004. Late Quaternary ice sheet history of northern Eurasia // Quaternary Science Reviews V. 23. P. 1229-1271.

Tonteri A., Titov S., Veselov A., Zubchenko A., Koskinen M.T., Lesbarreres D., Kaluzhin S., Bakhmet I., Lumme J., Primmer C.R. 2005. Phylogeography of anadromous and non-anadromous Atlantic salmon (Salmo salar) from northern Europe // Annales Zoologici Fennici V. 42. P. 1-22.

GENETIC STRUCTURE OF ATLANTIC SALMON (SALMO SALAR) POPULATION OF THE WHITE SEA BASIN REVEALED WITH MICROSATELLITE MARKERS

A.K. Tonteri¹, A.Je. Veselov², A.V. Zubchenko³, J.I. Lumme⁴, S.M. Kalyuzhin⁵, M.Yu. Ozerov¹, C.R. Primmer¹

¹Department of Biology, Division of Genetics and Physiology, University of Turku, Finland ²Institute of Biology, Karelian research Centre, Petrozavodsk, Russia ³Knipovich Polar Research Institute of Marine Fisheries and Oceanography, Murmansk, Russia ⁴Department of Biology, University of Oulu, Finland ⁵Varzuga Research Centre of Polar Ecosystems, Varzuga, Russia e-mail: mikhail.ozerov@utu.fi

Atlantic salmon (Salmo salar) populations spawning in the rivers of White sea basin are among the last European populations which are not majorly affected by human activities. Thus they form an important source of biodiversity for the entire European region in addition of being of immense economic and social importance to the local people. Here, microsatellite analysis of an extensive set of Atlantic salmon populations from the White and Barents Sea area was carried out in order to gain an insight into the population genetic structure based on nuclear markers. The populations were separated into four distinct clusters and individual assignment accuracy at the regional level (Atlantic and West Barents Sea; Kola Peninsula; Western White Sea; Eastern Barents Sea) was relatively high (87-96% success). These four groups can be considered as a good starting point for defining four distinct management units in the region, each of which may require differing management strategies as distinct patterns of genetic diversity and divergence characteristics were detected in different groups. Furthermore, the data obtained here can be used to differentiate individuals caught in offshore fisheries on a regional level with a relatively high degree of accuracy.