Эволюция керчаков (myoxocephalus и megalocottus) японского и охотского морей на основании кариологических данных
На правах рукописи
РЯЗАНОВА
Ирина Николаевна
ЭВОЛЮЦИЯ КЕРЧАКОВ (MYOXOCEPHALUS И MEGALOCOTTUS)
ЯПОНСКОГО И ОХОТСКОГО МОРЕЙ НА ОСНОВАНИИ
КАРИОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ
03.00.10 – ихтиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертация на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Владивосток – 2008
Работа выполнена в Институте биологии моря им. А.В. Жирмунского Дальневосточное отделение Российской Академии наук
Научный руководитель доктор биологических наук, старший научный сотрудник Фролов Сергей Владимирович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, старший научный сотрудник Картавцев Юрий Федорович кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Вдовин Александр Николаевич
Ведущая организация Зоологический институт РАН
Защита состоится ''26'' декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 005.008.02 при Институте биологии моря им. А.В. Жирмунского ДВО РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Пальчевского, 17. Телефон: (4232) 310 905, факс: (4232) 310-900, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии моря им.
А.В. Жирмунского ДВО РАН.
Автореферат разослан '' '' ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Костина Е.Е.
-3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Семейство керчаковых (Cottidae) – многочисленная и сложная по составу группа рыб. Центральное положение в семействе принадлежит большой группе бычков–керчаков подсем. Myoxocephalinae, к которому относятся рода Myoxocephalus и Megalocottus. Первый род объединяет двенадцать широко распространенных в северных морях видов, три из них обитают в северной Атлантике, а девять в морях Дальнего Востока России: пять видов рода известны из Японского моря и девять видов (два эндемичных) из Охотского моря (Федоров и др., 2003;
Соколовский и др., 2007). Второй род представлен одним видом – дальневосточная широколобка Megalocottus platycephalus. В нем выделяют два подвида: северная дальневосточная широколобка M. platycephalus platycephalus и южная дальневосточная широколобка M. platycephalus taeniopterus, которые широко распространены в прибрежных водах окраинных морей северо-западной части Тихого океана (Федоров и др., 2003;
Соколовский и др., 2007). Центром видообразования данных групп рыб, согласно гипотезе Шмидта (1950), является северная часть Охотского моря.
Морфологические особенности видов рода Myoxocephalus достаточно хорошо изучены. Однако значительная вариабельность их морфологических признаков часто затрудняет определение видовой принадлежности особей.
Следствием этого является отсутствие единого мнения о количестве и систематическом положении ряда видов рода Myoxocephalus в дальневосточных морях России.
Кариологически виды рода изучены крайне слабо. Имеются данные о кариотипе одного из атлантических видов европейского керчака M. scorpius (Васильев, 1985) и наши данные о кариотипах дальневосточного керчака M. stelleri, снежного керчака M. brandtii и керчака яок M. jaok из Японского моря (Миллер Рязанова, 2000;
Рязанова, 2005, 2007), охотского керчака M. ochotensis и дальневосточного керчака M. stelleri из Охотского моря (Рязанова и др., 2008;
Рязанова, Фролов, 2009). Эти результаты показали, что данные о кариотипах позволяют не только надежно дифференцировать исследованные виды, но и делать -4 заключения о степени дивергенции и направлениях эволюции кариотипов исследованных видов.
Цель и задачи исследования работы. Целью работы являлось: на основании сравнительного анализа кариотипов видов родов Myoxocephalus и Megalocottus из Японского и Охотского морей разработать предполагаемую схему эволюции их кариотипов в данном регионе. Для осуществления данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать с помощью рутинного окрашивания кариотипы представителей родов Myoxocephalus и Megalocottus из Японского и Охотского морей и выявить в них маркерные хромосомы Выявить маркерные хромосомы в кариотипах представителей родов 2.
Myoxocephalus и Megalocottus из Японского и Охотского морей с помощью Ag – NOR окрашивания 3. Провести сравнительный анализ кариотипов видов родов Myoxocephalus и Megalocottus для уточнения их родственных отношений 4. Разработать схему эволюции кариотипов исследованных видов.
Научная новизна работы. Ранее кариологические исследования дальневосточных видов родов Myoxocephalus и Megalocottus, за исключением наших работ (Миллер-Рязанова, 2000;
Рязанова, 2005, 2007;
Рязанова и др., 2008;
Рязанова, Фролов, 2009), не проводились. Нами впервые исследованы кариотипы дальневосточного керчака Myoxocephalus stelleri, керчака яок M. jaok, снежного керчака M. brandtii, многоиглого керчака M. polyacanthocephalus, охотского керчака M. ochotensis и дальневосточной широколобки Megalocottus platycephalus из Японского и Охотского морей.
Впервые с помощью Ag – NOR окрашивания хромосом исследованы кариотипы Myoxocephalus stelleri, M. brandtii, M. jaok, M. ochotensis, Megalocottus platycephalus из Японского и Охотского морей.
Полученные результаты показали, что кариотипы исследовнных видов родов и имеют ряд общих маркерных признаков, Myoxocephalus Megalocottus указывающих на их близкое родство.
-5 Анализ кариотипов показал разную степень дивергенции кариотипов M.
stelleri из Японского и Охотского морей, что указывает на необходимость уточнения их видового статуса.
Разная степень дивергенции кариотипов исследованных видов позволяет сделать заключение о разной степени продвинутости или примитивности исследованных видов керчаков. На основании этого предложена схема эволюции их кариотипов.
Теоретическое и практическое значение работы. Кариотип является хорошим дифференцирующим признаком, позволяющим часто надежно различать близкородственные виды, и может использоваться как эффективный дополнительный маркер при решении таксономических задач в ихтиологии. На основании характеристик кариотипов исследованных видов родов Myoxocephalus и Megalocottus Японского и Охотского морей составлена таблица для их определения. Представляется, что полученные нами с помощью методов сравнительной кариологии результаты уточнят существующую схему вероятных филогенетических отношений родов и видов трибы Myoxocephalini. Комплексный анализ кариологических и морфологических данных позволит составить современное представление о последовательности дивергенции, направлениях и темпах эволюции видов родов Myoxocephalus и Megalocottus, уточнить их родственные отношения.
Результаты работы могут быть использованы в курсе лекций по теории эволюции для студентов ВУЗов биологических специальностей.
Вклад автора. Личное участие заключается в планировании сбора материалов в трех экспедициях 2006, 2007, 2008 г.г. в зал. Одян Охотского моря.
Осуществляла самостоятельно сбор материала, приготовление препаратов, микроскопические исследования, интерпретацию полученных данных и формулирование научных выводов. Все заимствованные данные, использованные в работе, имеют ссылки на их источники.
Апробация работы. Материалы работы были представлены на конференции молодых ученых «Биомониторинг и рациональное использование морских и пресноводных гидробионтов» (Владивосток, 1999), на международном симпозиуме «Современные достижения в популяционной, эволюционной и экологической -6 генетике» (Владивосток, 2007), на VIII съезде Украинского общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова на ежегодных (Симферополь, 2007), конференциях ИБМ ДВО РАН (1999, 2000, 2001, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы (205 источников, из которых 116 на иностранном языке), проиллюстрирована 1 картой-схемой, 1 схемой, 15 таблицами, рисунками. Общий объем работы 128 страниц.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.б.н. С.В. Фролову за критические замечания, помощь и постоянную поддержку в работе, чл.-кор. РАН И.А. Черешневу (ИБПС ДВО РАН, г. Магадан) за консультации и критические замечания в ходе работы над рукописью. Большое спасибо за консультации сотрудникам лаборатории ихтиологии ИБМ ДВО РАН к.б.н А.А. Баланову, к.б.н. В.Е. Харину. Я также признательна сотрудникам лаборатории искусственного воспроизводства лососевых и аквакультуры во главе с Б.П. Сафроненковым (МагаданНИРО, г.
Магадан) за помощь в сборе материала, к.б.н. М.Ю. Засыпкину (ИБПС ДВО РАН, г. Магадан) за техническую поддержку работы в полевой сезон.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Рассмотрены разные точки зрения на систематическое положение некоторых видов рода Myoxocephalus в Японском и Охотском морях. Приведена современная систематика и описано распространение видов родов и Myoxocephalus Megalocottus. Рассмотрены биологические особенности видов родов Myoxocephalus и Megalocottus Японского и Охотского морей. Дан обзор родственных отношений и направлений эволюции дальневосточных видов рода Myoxocephalus на основании морфологических исследований. Освещена имеющаяся в палеонтологической литературе информация о нахождении ископаемых остатков Cottidae, в том числе и видов рода Myoxocephalus. Суммированы генетические и кариологические исследования видов рода Myoxocephalus.
-7 ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1. Объекты исследования В основу работы положен материал, собранный автором в весенне-летний периоды 2000-2007 г.г., с апреля по август. Объектами исследования стали шесть видов керчаков родов Myoxocephalus и Megalocottus из Японского и Охотского морей. Рыб отлавливали удочкой, ставным неводом, сетью. Видовую принадлежность особей устанавливали по морфологическим признакам (Неелов,1979). Проанализированный материал представлен в таблице 1.
Таблица 1. Объем исследованного материала Исследовано Метафаз Вид Всего Самок Самцов Ag особей Всего Giemsa NOR зал. Петра Великого (Японское море) Myoxocephalus M. stelleri 4 5 9 422 183 M. brandtii 6 7 13 207 94 M. jaok 5 2 7 211 - зал. Одян (Охотское море) M. stelleri 6 7 13 269 186 M. ochotensis 1 6 7 274 142 M. jaok 4 5 9 187 89 M. polyacan thocephalus - 1 1 88 - Megalocottus M. platycepha- 5 3 8 213 199 lus Всего 31 36 67 1 871 893 2.2. Современные методы кариологического анализа Рассмотрены методы исследования кариотипов рыб, основанные на использовании различных тканей. Обоснован выбор методики, примененной в работе.
2.3. Приготовление препаратов Материалом для работы послужили хромосомные препараты, приготовленные по методу воздушного высушивания из суспензии клеток переднего отдела почки (Фролов, 1989) с небольшими модификациями (Рязанова, 2005).
-8 2.4. Окрашивание хромосом Для первичного анализа кариотипа хромосомы окрашивали 4% раствором азура-эозина по Романовскому (красителя Giemsa) в дистиллированной воде.
Для выявления ядрышкообразующих районов хромосом их окрашивали по методу Ag-NOR-окрашивания (Howell, Black, 1980).
2.5. Анализ препаратов и кариограмм Хромосомные препараты просматривали, используя микроскоп «Nikon PLANKTON-TEAM». Лучшие метафазные пластинки фотографировали при помощи фотокамеры DFC 300 FX встроенной в микроскоп Leika DMP-4500.
Использовали общепринятую в кариологии рыб классификацию хромосом (Levan et al., 1964). Субмета-субтелоцентрические хромосомы (СМ-СТ), размеры коротких плеч которых не позволяют однозначно определить их морфологию как СМ или СТ, в описании NF обозначены +2.
Кариотипы всех исследованных видов были стабильны, изменчивости по числу хромосом у исследованных особей не обнаружено, различия между кариотипами самцов и самок не выявлены.
В сравнительном плане проанализирован кариотип европейского керчака M.
scorpius из Белого моря (Васильев, 1985).
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 3.1. Кариотип дальневосточного керчака Myoxocephalus stelleri из залива Петра Великого Японского моря Рис. 1. Кариограмма (а) и фрагменты кариотипов (б) M. stelleri из зал. Петра Великого Японского моря. а: 2n = 40, NF = 44+2, М – мета-, СМ – субмета-, СМ-СТ – субмета-субтело-, СТ – субтело-, А – акроцентрические хромосомы;
б: ЯОР указаны стрелками;
цифры – порядковые номера пар хромосом в кариотипе;
СТкр, СТм – соответственно крупные, мелкие субтелоцентрические хромосомы.
-9 Кариотип M. stelleri из Японского моря состоит из 40 хромосом, число хромосомных плеч 44+2, включает в себя 2 М, 2 СМ, 2 СМ-СТ, и 34 СТ и А хромосомы (рис. 1 а). Пары М, СМ, СМ–СТ хромосом и первые две пары крупных СТ хромосом рассматриваются нами как маркерные в кариотипе M. stelleri. Третья пара крупных СТ хромосом – дополнительный маркер кариотипа данного вида.
Ядрышкообразующие районы множественные, наиболее часто локализованны в коротких плечах крупных СТ хромосом, которые могут рассматриваться как двойные маркеры кариотипа япономорского M. stelleri (рис. 1 б).
3.2. Кариотип дальневосточного керчака Myoxocephalus stelleri из залива Одян Охотского моря Рис. Кариограмма и 2. (а) фрагменты кариотипов (б) M.
stelleri из зал. Одян Охотского моря. а: 2n = 44, NF = 44+2, СМ СТ – субмета-субтело-, СТ – субтело-, А – акроцентрические хромосомы;
б: ЯОР указаны стрелками;
цифры – порядковые номера пар хромосом в кариотипе;
индексы кр, ср, м – соответственно крупные, средние и мелкие хромосомы.
Кариотип охотоморского M. stelleri – 2n = 44, NF = 44+2, и включает 2 СМ СТ, 28 СТ и 14 А хромосом (рис. 2 а). СМ–СТ и две пары крупных СТ хромосом, рассматриваются нами как маркерные для его кариотипа. Дополнительный маркер кариотипа – третья пара крупных СТ хромосом. ЯОР множественные, наиболее часто локализованы в коротких плечах крупных и средних СТ хромосом, маркерных для его кариотипа (рис. 2 б).
- 10 3.3. Кариотип снежного керчака Myoxocephalus brandtii Кариотип M. brandtii из зал. Петра Великого Японского моря – 2n = 44, NF = 46+2, включает 2 М, 2 СМ-СТ, 18 СТ и 22 А хромосомы (рис. 3 а). Пары М, СМ–СТ хромосом и две пары крупных СТ хромосом являются маркерными для его кариотипа. Дополнительный маркерный признак – пара крупных А хромосом (рис.
3 а: № 12). ЯОР множественные, наиболее часто локализованы в теломерных районах средних А хромосом, являющихся маркерными для кариотипа M. brandtii (рис. 3 б).
Рис. Кариограмма и 3. (а) фрагменты кариотипов (б) M.
brandtii из зал. Петра Великого Японского моря. а: 2n = 44, NF = 46+2, М – мета-, СМ-СТ – субмета субтело-, СТ – субтело-, А – акроцентрические хромосомы;
б:
ЯОР указаны стрелками;
цифры – порядковые номера пар хромосом в кариотипе.
3.4. Кариотип керчака – яок Myoxocephalus jaok Кариотип M. jaok из зал. Петра Великого Японского моря – 2n = 24, NF = и включает 16 М, 4 СМ и 4 А хромосомы (рис. 4). Кариотипы M. jaok из Японского и Охотского морей идентичны (рис. 4, 5 а).
В кариотипе M. jaok из Охотского моря ЯОР одиночные, локализованы в теломерных районах длинных плеч одной – двух крупных СМ хромосом, которые могут считаться маркерными для его кариотипа (рис. 5 б).
Рис. 4. Кариограмма M. jaok из зал.
Петра Великого Японского моря. 2n = 24, NF = 44, М – мета-, СМ – субмета-, А – акроцентрические хромосомы.
- 11 Рис. Кариограмма и 5. (а) фрагменты кариотипов (б) M. jaok из зал. Одян Охотского моря. а: 2n = 24, NF = 44, М – мета-, СМ – субмета-, А – акроцентрические хромосомы;
б: ЯОР указаны стрелками;
цифры – порядковые номера пар хромосом в кариотипе, индексы кр, ср, м – соответственно крупные, средние и мелкие хромосомы.
3.5. Кариотип охотского керчака Myoxocephalus ochotensis Рис. Кариограмма и 6. (а) фрагменты кариотипов (б) M.
ochotensis из зал. Одян Охотского моря. а: 2n = 42, NF = 44+2, М – мета-, СМ-СТ – субмета-субтело-, СТ – субтело -, А – акроцентрические хромосомы;
б: ЯОР указаны стрелками;
цифры – порядковые номера пар хромосом в кариотипе;
индексы кр, ср, м – соответственно крупные, средние и мелкие хромосомы.
Кариотип M. ochotensis из зал. Одян Охотского моря – 2n = 42, NF = 44+2, включает 2 М, 2 СМ-СТ, 18 СТ и 20 А хромосом (рис. 6 а). М, СМ–СТ хромосомы и две пары крупных СТ хромосом рассматриваются нами как маркерные в его - 12 кариотипе. ЯОР множественные наиболее часто окрашиваются в коротких плечах крупных СТ хромосом, которые рассматриваются нами как маркерные для его кариотипа (рис. 6 б).
3.6. Кариотип многоиглого керчака Myoxocephalus polyacanthocephalus Рис. 7. Кариограмма M. polyacanthocephalus из зал. Одян Охотского моря. 2n = 42, NF = 44+2, М – мета-, СМ-СТ – субмета-субтело-, СТ – субтело-, А – акроцентрические хромосомы.
Кариотип M. polyacanthocephalus из зал. Одян Охотского моря – 2n = 40, NF = 44+2, включает 4 М, 2 СМ-СТ и 34 СТ и А хромосомы (рис. 7). Пары крупных М, мелких М, СМ–СТ хромосом и две пары крупных СТ хромосом рассматриваются нами как маркерные для его кариотипа. Дополнительным маркером его кариотипа является третья пара крупных СТ хромосом.
3.7. Кариотип дальневосточной широколобки Megalocottus platycephalus Рис. 8. Кариограмма (а) и фрагменты кариотипов (б) M. platycephalus из зал.
Одян Охотского моря. а: 2n = 42, NF = 44+2, М – мета-, СМ-СТ – субмета субтело-, СТ субтело-, А – – акроцентрические хромосомы;
б: ЯОР указаны стрелками;
цифры – порядковые номера пар хромосом в кариотипе;
индексы кр, м – соответственно крупные и мелкие хромосомы.
- 13 Кариотип Megalocottus platycephalus из зал. Одян Охотского моря – 2n = 42, NF = 44+2, включает 2 М, 2 СМ-СТ, 30 СТ и 8 А хромосом (рис. 8 а). Пары М, СМ– СТ хромосом, две пары крупных СТ хромосом и пара крупных А являются маркерными для его кариотипа. ЯОР одиночные, локализованы в коротких плечах одной – двух крупных СТ хромосом, являющихся двойными маркерами кариотипа M. platycephalus (рис. 8 б).
ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАРИОТИПОВ ВИДОВ MYOXOCEPHALUS И MEGALOCOTTUS ЯПОНСКОГО И ОХОТСКОГО МОРЕЙ При общем сходстве структуры кариотипов видов Myoxocephalus и Megalocottus наблюдаются и различия по основным его характеристикам – числу хромосом, числу хромосомных плеч и морфологии хромосом, наличию в них маркерных для каждого вида и для групп видов хромосом (табл. 2).
Таблица 2. Характеристики кариотипов исследованных видов родов Myoxocephalus и Megalocottus Японского и Охотского морей Признаки кариотипа Вид М СМ СМ-СТ СТ А 2n NF зал. Петра Великого (Японское море) Myoxocephalus M. stelleri 40 44+2 2 2 2 20 M. brandtii 44 46+2 2 - 2 18 M. jaok 24 44 16 4 - - зал. Одян (Охотское море) M. stelleri 44 44+2 - - 2 28 M. ochotensis 42 44+2 2 - 2 18 M. jaok 24 44 16 4 - - M. polyacantho- 40 44+2 4 - 2 20 cephalus Megalocottus M. platycephalus 42 44+2 2 - 2 30 - 14 На основании характеристик кариотипов исследованных видов родов Myoxocephalus и Megalocottus Японского и Охотского морей составлена таблица для их определения.
Ключ к определению керчаков родов Myoxocephalus и Megalocottus Японского и Охотского морей России на основании кариологических данных 1 (2) 2n 24……….................................................................................................. 2 (1) 2n = 24…………………………………………………...Myoxocephalus jaok 3 (4) 2n = 40……….................................................................................................. 4 (3) 2n 40……………………………………………………………………….. 5 (6) М = 2, СМ = 2……………………..Myoxocephalus stelleri (Японское море) 6 (5) М = 4, СМ нет……...............................Myoxocephalus polyacanthocephalus 7 (8) 2n = 42……………………………………………………………………….. 8 (7) 2n = 44……………………………………………………………………… 9 (10) СТ = 18, А = 20………………………………...Myoxocephalus ochotensis 10 (9) СТ = 30, А = 8…………………………………Megalocottus platycephalus 11 (12) СТ = 18, А = 22…………………………………. Myoxocephalus brandtii 12 (11) СТ = 28, А = 14……………….. Myoxocephalus stelleri (Охотское море).
4.1. Myoxocephalus stelleri и M. brandtii из Японского моря Кариотипы M. stelleri (2n = 40, NF = 44+2) и M. brandtii (2n = 44, NF = 46+2) (рис. 1 а, б;
3 а, б) имеют ряд общих признаков (пары М и СМ–СТ хромосом, две пары крупных СТ хромосом, пару крупных одноплечих хромосом и большое число СТ–А хромосом, множественные ЯОР), указывающих на их таксономическую близость (Рязанова, 2005).
Наряду с общими признаками, кариотипы различаются по числу хромосомных плеч, числу и морфологии хромосом. Различаются кариотипы и по числу и локализации активных ЯОР (у M. stelleri их 2, у M. brandtii – 3). Эти различия предполагают независимую длительную эволюцию этих видов. Согласно предположению об эволюции кариотипов рыб в сторону уменьшения числа хромосом (Васильев, 1985;
Фролов, 1995, 2000), наиболее рано дивергировавшим из них и сохранившим большее число предковых признаков следует считать M.
brandtii (2n = 44, NF = 46+2), а M. stelleri – более молодым (2n = 40, NF = 44+2).
Данное предположение не совпадает с мнением морфологов, что наиболее древним - 15 видом, обладающим полным набором примитивных признаков является M. stelleri, а M. brandtii – сравнительно молодой вид (Неелов, 1979).
4.2. Myoxocephalus stelleri, M. ochotensis и M. polyacanthocephalus из Охотского моря Кариотипы M. stelleri (Охотское море) (2n = 44, NF = 44+2), M. ochotensis (2n = 42, NF = 44+2) и M. polyacanthocephalus (2n = 40, NF = 44+2) имеют ряд общих признаков, указывающих на их таксономическую близость: одинаковое число хромосомных плеч, пару М (кроме M. stelleri), пару СМ–СТ хромосом, две пары крупных маркерных СТ хромосом одинаковых размеров, пару крупных одноплечих хромосом большое число одноплечих хромосом, (кроме M. ochotensis), множественные ЯОР (M. stelleri, M. ochotensis) (рис. 2 а, б;
6 а, б;
7).
Различаются кариотипы данных видов по числу двуплечих хромосом, по числу и морфологии одноплечих хромосом, по числу и локализации ЯОР (M. stelleri, M. ochotensis). Сходство числа хромосомных плеч в кариотипах этих видов позволяют предположить, что данные различия могут быть объяснимы произошедшими в их кариотипах в ходе эволюции робертсоновскими транслокациями. Различие кариотипов M. ochotensis и M. polyacanthocephalus по размеру пары мелких маркерных М хромосом указывает на принадлежность этих видов к разным эволюционным линиям. M. stelleri и M. ochotensis, по кариологическим данным, относятся к наиболее рано дивегировавшим видам. Более продвинутым в сравнении с ними является M. polyacanthocephalus. Полученные данные о наиболее ранней дивергенции M. stelleri хорошо согласуются с результатами морфологических исследований. В отношении M. ochotensis и M.
polyacanthocephalus результаты кариологического и морфологического анализов не совпадают, так как M. ochotensis на основании морфологических исследований был отнесен к филогенетически более молодой, а M. polyacanthocephalus к более древней группе видов (Неелов, 1979).
4.3. Myoxocephalus jaok и другие виды Myoxocephalus Кариотип M. jaok (2n = 24, NF = 44) резко отличается от кариотипов всех исследованных видов по числу, морфологии хромосом и числу хромосомных плеч (рис. 1 а, б-7 а, б). Различия по числу и морфологии хромосом могут быть объяснимы большим числом робертсоновских транслокаций, значительно - 16 уменьшивших число хромосом в его кариотипе. Отличие же кариотипа M. jaok от кариотипа M. brandtii по числу хромосом и числу хромосомных плеч может объясняться принадлежностью этих видов к разным эволюционным линиям. В кариотипах исследованных видов (япономорский и охотоморский M. stelleri, M.
ochotensis и M. polyacanthocephalus) NF = 44+2, а в кариотипе M. jaok нет пары СМ–СТ хромосом, которую мы обозначаем как +2, поэтому NF = 44 (табл. 2). Для кариотипа охотоморского M. jaok, в отличие от кариотипов япономорского и охотоморского M. stelleri, M. brandtii и M. ochotensis, характерны одиночные ЯОР (рис. 1 б-3 б, 5 б, 6 б).
Кариологически M. jaok, в сравнении с другими исследованными видами, является наиболее продвинутым, что не согласуется с предположением о древности данного вида, основанным на анализе его морфологических признаков (Неелов, 1979).
4.4. Myoxocephalus scorpius и дальневосточные виды Myoxocephalus Кариотипы M. scorpius (2n = 36-38, NF = 44) и дальневосточных видов рода Myoxocephalus достаточно сходны. Наличие пары М хромосом (за исключением охотоморского M. stelleri), двух пар крупных СТ хромосом одинаковых размеров, большое число одноплечих СТ и А хромосом указывает на их таксономическую близость. Однако, в отличие от дальневосточных видов Myoxocephalus, стабильных по числу хромосом, для кариотипа M. scorpius свойствен робертсоновский полиморфизм. Кариотипы M. scorpius и дальневосточных видов рода различаются по числу и морфологии двуплечих и одноплечих хромосом. Указанные различия могут быть объяснены произошедшими в ходе эволюции робертсоновскими транслокациями. Согласно кариологическим данным, M. scorpius в сравнении с исследованными нами видами рода (кроме M. jaok) является более молодым, что совпадает с результатами морфологических исследований (Шмидт, 1950;
Неелов, 1979).
4.5. Myoxocephalus stelleri из Японского и Охотского морей Несмотря ряд общих признаков кариотипов M. stelleri из Охотского и Японского морей (наличие пары СМ-СТ, двух пар СТ, пары крупных одноплечих хромосом), указывающих на их таксономическую близость, обнаружены существенные различия по числу и морфологии двуплечих и одноплечих хромосом - 17 (рис. 1 а, 2 а). Различия их кариотипов объясняются изменениями, произошедшими в ходе их эволюции, что подтверждается возможностью вывести один кариотип из другого по простой схеме робертсоновских перестроек.
Кариотипы из Охотского и Японского морей имеют M. stelleri множественные ЯОР, но различаются по их числу (охотоморский M. stelleri – ЯОР, япономорский M. stelleri – 2 ЯОР) и локализации на хромосомах (рис. 1 б, б). Различия кариотипов M. stelleri из Охотского и Японского морей указывают на необходимость уточнения видового статуса одного из них. Ранее япономорская популяция вида была описана Джорданом и Старксом (Jordan, Starks, 1904) как M.
raninus. Согласно Международному кодексу зоологической номенклатуры это название может являться пригодным для обозначения япономорского таксона, как старшее пригодное название.
4.6. Megalocottus platycephalus и виды Myoxocephalus Кариотипы Megalocottus platycephalus (2n = 42, NF = 44+2) и видов рода Myoxocephalus имеют ряд общих признаков: одинаковое число хромосомных плеч NF = 44+2 (исключение M. brandtii, M. scorpius и M. jaok), сходные маркерные хромосомы (пара М, пара СМ–СТ хромосом (за исключением M. scorpius), две пары крупных СТ хромосом, пара крупных А хромосом (за исключением M.
scorpius и M. ochotensis), большое число одноплечих хромосом (кроме M. jaok), локализация ЯОР в паре крупных СТ хромосом (за исключением M. brandtii и M.
jaok) (рис. 1 а, б-8 а, б).
Различаются кариотипы Megalocottus platycephalus и видов Myoxocephalus по числу двуплечих и одноплечих хромосом, что может являться, учитывая сходство чисел хромосомных плеч в их кариотипах (за исключением M. brandtii), следствием большего или меньшего числа произошедших робертсоновских транслокаций.
Наиболее близок Megalocottus platycephalus к наименее продвинутым (по кариологическим данным) видам рода Myoxocephalus – охотоморскому M. stelleri (2n = 44), M. brandtii (2n = 44) и M. ochotensis (2n = 42), более продвинутыми в сравнении с ним являются M. polyacanthocephalus (2n = 40) и M. jaok (2n = 24).
Кариологический анализ показал значительную эволюционную близость Megalocottus platycephalus и видов Myoxocephalus. Полученные результаты вполне согласуются с выводами морфологических исследований, согласно которым род - 18 Megalocottus очень близок роду Myoxocephalus (Шмидт, 1950;
Андрияшев, 1954;
Неелов, 1979;
Линдберг, Красюкова, 1987).
4.7. Маркерные признаки в кариотипах керчаков Число хромосом, 2n Наиболее близким к предковому в роду Myoxocephalus, вероятно, является кариотип охотоморского M. stelleri 2n = 44. Остальные виды керчаков можно расположить в следующем порядке: M. brandtii (2n = 44), M. ochotensis (2n = 42), Megalocottus platycephalus (2n = 42), M. polyacanthocephalus (2n = 40), япономорский M. stelleri (2n = 40), M. scorpius (2n = 36-38) (табл. 2).
Изменчивость числа хромосом В отличие от кариотипа M. scorpius из Белого моря, для которого описан робертсоновский полиморфизм, кариотипы всех исследованных видов керчаков стабильны по числу хромосом.
Наличие СМ-СТ хромосом и число хромосомных плеч, NF Кариотипы керчаков по числу хромосомных плеч разделяются на три группы. Первая группа: NF = 46+2 – M. brandtii;
вторая группа: NF = 44+2 – охотоморские виды и япономорский M. stelleri. Кариотипы керчаков, относящихся к этим группам, содержат пару маркерных СМ-СТ хромосом. Третья группа: NF = 44 – M. scorpius и M. jaok. В их кариотипах нет пары СМ – СТ хромосом (табл. 2).
Маркерные хромосомы кариотипов:
Крупные субтело- и акроцентрические хромосомы (СТ-А) Две пары крупных СТ хромосом есть в кариотипах всех (за исключением M.
jaok) исследованных видов керчаков. В ряду одноплечих хромосом в кариотипах исследованных видов (за исключением M. ochotensis и M. scorpius) выделяется еще одна пара крупных хромосом, которую также можно считать маркером кариотипов видов родов Myoxocephalus и Megalocottus (рис. 9).
Субметацентрические хромосомы (СМ) Крупные СМ хромосомы, превышающие размеры четырех крупных маркерных СТ хромосом, имеются в кариотипах япономорского M. stelleri и M.
scorpius. Кариотип M. jaok также содержит две пары крупных СМ хромосом, которые по своим размерам крупнее маркерных СМ хромосом в кариотипах япономорского M. stelleri и M. scorpius (рис. 9).
- 19 Метацентрические хромосомы (М) За исключением охотоморского M. stelleri, как минимум одна пара М хромосом имеется в кариотипах всех исследованных видов, но у разных видов они различаются размерами.
В кариотипах япономорского M. stelleri и M. scorpius это пара крупных М хромосом. У M. brandtii это мелкие М хромосомы, чьи размеры больше СМ-СТ хромосом, но меньше размеров двух пар крупных маркерных СТ хромосом. В кариотипе M. ochotensis М хромосомы равны по размерам СМ-СТ хромосомам и меньше размеров двух пар крупных маркерных СТ хромосом. В кариотипах Megalocottus platycephalus и M. polyacanthocephalus размеры М хромосом меньше размеров пары СМ-СТ хромосом и гораздо меньше размеров двух пар крупных маркерных СТ хромосом. В кариотипе M. polyacanthocephalus содержится пара крупных М хромосом, ее размеры больше размеров крупных маркерных СТ хромосом (рис. 9).
Число и локализация ядрышкообразующих районов (ЯОР) Исследованные виды керчаков (за исключением M. jaok и Megalocottus platycephalus) имеют множественные ЯОР, но различаются по максимальному числу активных ЯОР. Наибольшее число ЯОР окрашивается у охотоморского M.
stelleri – 5 (в кариотипе M. ochotensis 4 активных ЯОР, у M. brandtii 3). Для видов Megalocottus platycephalus и M. jaok характерны одиночные ЯОР (рис. 9).
4.8. Предполагаемое направление эволюции кариотипов керчаков Японского и Охотского морей Разработана вероятная схема эволюции кариотипов керчаков в направлении уменьшения числа хромосом (2n) путем робертсоновских транслокаций (рис. 9).
Принимая кариотип охотоморского M. stelleri (2n = 44, NF = 44+2) за наиболее близкий к предковому, можно предположить, что эволюция кариотипов керчаков шла в четырех направлениях.
К одному из эволюционных направлений относится M. ochotensis (2n = 42, NF = 44+2), дивергировавший от охотоморского M. stelleri с образованием в его кариотипе, вследствие одной робертсоновской транслокации, пары мелких М хромосом.
- 20 Рис. 9. Схема эволюции кариотипов керчаков Маркерные хромосомы:
метацентрические, субметацентрические, субтелоцентрические, крупные одноплечие, субмета-субтелоцентрические, ЯОР-несущие;
Rt робертсоновская транслокация, Pi-перицентрическая инверсия.
Виды и Megalocottus platycephalus (2n = 42, NF = 44+2) M.
polyacanthocephalus (2n = 40, NF = 44+2), относящиеся к другой эволюционной линии, дивергировали с образованием, вследствие робертсоновской транслокации, пары мелких М хромосом, отличающейся по размерам от пары М хромосом в кариотипе M. ochotensis. В результате второй робертсоновской транслокации в - 21 кариотипе M. polyacanthocephalus образовалась еще одна пара крупных, маркерных для его кариотипа, М хромосом.
Япономорский M. stelleri (2n = 40, NF = 44+2) и M. scorpius (2n = 36-38, NF = 44) дивергировали с образованием в них, в результате двух робертсоновских транслокаций, крупных М и крупных СМ хромосом. В кариотипе M. scorpius кроме этих маркерных хромосом содержатся две пары СМ хромосом, которые могли образоваться в результате еще двух робертсоновских транслокаций.
M. brandtii (2n = 44, NF = 46+2) может являться представителем отдельной эволюционной ветви в роде Myoxocephalus, так как отличается от кариотипов исследованных видов по числу хромосомных плеч (NF = 44+2). Вероятно, в формировании его кариотипа участвовали не робертсоновские транслокации, а возможно, перицентрическая инверсия. Дивергенция кариотипа M. brandtii шла с образованием пары мелких маркерных М хромосом.
M. jaok (2n = 24, NF = 44), в сравнении с исследованными видами, является наиболее кариологически продвинутым и может быть либо заключительным звеном любого из представленных эволюционных направлений, либо отдельной эволюционной ветвью, эволюционировавшей независимо. Если предположить, что эволюция кариотипов керчаков шла в обратном направлении – увеличение числа хромосом (2n) путем робертсоновских разделений, то кариотип M. jaok обладал бы полным набором предковых признаков, а кариотипы исследованных видов могли бы быть выведены от него. Но у рыб случаи спонтанного разделения двуплечих хромосом крайне редки (Горшков, Горшкова, 1981;
Горшкова, Горшков, 1983;
Phillips, Kapuscinski, 1987, 1988;
Фролов, 1988, 2000).
Разработанная схема эволюции кариотипов керчаков представляется логичной. В ней отражены как общие маркерные признаки предкового кариотипа и кариотипов видов, относящихся к разным эволюционным направлениям, так и маркерные признаки, на основании которых виды, относящиеся к определенному эволюционному направлению, объединены в группы. Разработанная схема согласуется со схемой распределения группы Myoxocephalini в северной части Тихого океана (Шмидт, 1950). Но она не вполне совпадает со схемой филогении керчаковых рыб, предполагаемой на основании исследования морфологических признаков (Неелов, 1979), согласно которой охотоморский M. stelleri, M.
- 22 polyacanthocephalus, M. jaok и M. brandtii относятся к филогенетически более древней группе, а к наиболее молодой группе видов.
M. ochotensis Кариологические исследования показали, что к наиболее рано дивегировавшим видам относятся M. stelleri из Охотского моря, M. brandtii и M. ochotensis, а M.
polyacanthocephalus, япономорский M. stelleri и M. scorpius – более продвинутые и молодые в сравнении с ними. Кариотип M jaok (2n = 24) резко отличается от кариотипов всех исследованных видов, его значительная дивергенция позволяет считать M jaok кариологически самым продвинутым и молодым.
ВЫВОДЫ Исследование кариотипов видов родов Myoxocephalus и Megalocottus 1.
Японского и Охотского морей позволило выявить маркерные хромосомы, характерные для каждого вида, которые позволяют уточнить таксономический статус видов, установить общие и различающие признаки их кариотипов, выявить их родственные отношения, определить порядок дивергенции исследованных видов.
Составлен ключ для определения видов родов Myoxocephalus и Megalocottus 2.
Японского и Охотского морей на основании признаков их кариотипов.
На основании проведенного кариологического исследования видов родов 3.
Myoxocephalus и Megalocottus Японского и Охотского морей разработана вероятная схема эволюции их кариотипов в направлении уменьшения числа хромосом.
Наиболее примитивным согласно кариологическим данным является охотоморский Myoxocephalus stelleri, а наиболее продвинутым M. jaok.
Megalocottus platycephalus кариологически близок видам рода Myoxocephalus 4.
и органично встраивается в предполагаемую схему эволюции их кариотипов. Это соответствует схеме филогении видов родов Myoxocephalus и Megalocottus, разработанной на основании морфологических данных.
Дивергенция кариотипов родов Myoxocephalus и Megalocottus Японского и 5.
Охотского морей от охотоморского Myoxocephalus stelleri шла в четырех направлениях: 1) M. ochotensis;
2) Megalocottus platycephalus + M.
polyacanthocephalus;
3) япономорский M. stelleri + M. scorpius;
4) M. brandtii.
- 23 Положение M. jaok на основании полученных данных в предложенной схеме не ясно.
Существенные различия кариотипов Myoxocephalus stelleri из Охотского и 6.
Японского морей (2n = 44 и 2n = 40 при одинаковом NF = 44+2) вызывают сомнение в их принадлежности к одному виду и указывают на необходимость уточнения видового статуса япономорского M. stelleri и, возможно, восстановлении для него ранее сведенного в синонимию названия M. raninus.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Миллер (Рязанова) И.Н. Кариотип дальневосточного керчака Myoxocephalus из залива Петра Великого stelleri Tilesius (Scorpaeniformes, Cottidae) // Биомониторинг и рациональное использование морских и пресноводных гидробионтов. Тезисы докладов конференции молодых ученых. В.: ТИНРО, 1999.
С. 72-73.
2. Миллер (Рязанова) И.Н. Кариотип дальневосточного керчака Myoxocephalus stelleri из залива Петра Великого Японского моря // Биология моря. 2000. Т. 26, № 2. С. 121 – 124.
3. Рязанова И.Н. Исследование кариотипа снежного керчака Myoxocephalus brandti Steindachner (Cottidae) из залива Петра Великого Японского моря // Биология моря.
2005. Т. 31, № 4. С. 280–284.
4. Рязанова И.Н. Кариотип керчака Myoxocephalus jaok (Cottidae) из залива Петра Великого Японского моря // Биология моря. 2007. Т. 33, № 4. С. 312–314.
5. Рязанова И.Н., Фролов С.В. Механизмы изменчивости кариотипов керчаковых рыб // Досягнення и перспективи генетики, селекции та биотехнологии. К.: Логос.
2007. Т. 1. С. 295-300.
6. Ryasanova I.N., Borisenko S.A., Frolov S.V. The karyotype of the endemic sculpin Myoxocephalus ochotensis (Scorpaeniformes, Cottidae) from the Okhotsk sea // Modern Achievements in Population, Evolutionary, and Ecological Genetics: International Symposium. Abstracts. Vladivostok. 2007. P.31.
7. Рязанова И.Н., Борисенко С.А., Фролов С.В. Сравнительный анализ кариотипа охотского керчака Myoxocephalus ochotensis (Pisces: Cottidae) из залива Одян Охотского моря // Биология моря. 2008. Т. 34, № 3. С. 225–228.
Ирина Николаевна Рязанова ЭВОЛЮЦИЯ КЕРЧАКОВ (MYOXOCEPHALUS И MEGALOCOTTUS) ЯПОНСКОГО И ОХОТСКОГО МОРЕЙ НА ОСНОВАНИИ КАРИОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ 03.00.10 – ихтиология АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук