РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук Д.П. Карабанов ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АДАПТАЦИИ ЧЕРНОМОРСКО-КАСПИЙСКОЙ ТЮЛЬКИ CLUPEONELLA CULTRIVENTRIS (NORDMANN, 1840) (ACTINOPTERYGII: CLUPEIDAE) Воронеж Издательство «Научная книга» 2013 УДК 597.442-575.174 ББК Е08 К 21 Рецензенты: Махров А.А., канд. биол. наук, научн. сотр. (Институт проблем эко- логии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, г. Москва); Ильмаст Н.В., канд. биол. наук, доц., ведущ. научн. сотр. (Институт биологии КарНЦ РАН, г.Петрозаводск) Печатается по решению Учёного совета ИБВВ РАН (протокол №9 от 12.11.2012 г.) К 21 Карабанов, Д.П. Генетические адаптации черноморско-кас- пийской тюльки Clupeonella cultriventris (Nordmann, 1840) (Actinopterygii: Clupeidae) [Текст]: Монография/ Д.П. Караба- нов. – Воронеж: Издательство «Научная книга», 2013. – 179 с. ISBN 978-5-98222-808-6 Впервые методами биохимической генетики изучено генетическое раз- нообразие и популяционная структура черноморско-каспийской тюльки по всему ареалу. Получены современные данные о состоянии вида в водохра- нилищах Верхней Волги. Изучены физиологические и экологические адап- тации вида к условиям северных водохранилищ. Установлена селективная значимость ряда генетических локусов по отношению к важнейшим абио- тическим факторам среды. Установлено, что на всем протяжении своего современного ареала черноморско-каспийская тюлька представляет собой генетически единую совокупность популяций Clupeonella cultriventris (Nordmann, 1840). Успешной экспансии вида по каскаду Волжских водо- хранилищ способствовал сложный комплекс генетико-биохимических адаптаций к обитанию в пресных водах. Предположено, что популяции тюльки волжских водохранилищ формировались на основе пресноводных популяций Саратовских затонов. Существенную роль в распределении ге- нотипов тюльки в новообразованной популяции играют сезонные измене- ния абиотических и биотических факторов среды. Для ихтиологов, генетиков, экологов, специалистов по охране и ис- пользованию природных ресурсов. УДК 597.442-575.174 ББК Е08 К 21 ISBN 978-5-98222-808-6 © Карабанов Д.П., 2013 Содержание Введение..............................................................................................................5 Глава 1. Таксономический статус, современный ареал и биологическая характеристика черноморско-каспийской тюльки. Механизмы адаптаций к новым условиям обитания.......................................................8 1.1. Таксономический статус и исторический ареал рода Clupeonella Kessler, 1877.............................................................................................8 1.2. Формирование современного ареала черноморско-каспийской тюльки.......................................................................................................9 1.3. Особенности биологии черноморско-каспийской тюльки..........12 1.4. Механизмы адаптаций вселенцев к новым условиям обитания.13 Глава 2. Материал и методы исследования...............................................19 2.1. Характеристика материала исследования.....................................19 2.2. Методы исследования....................................................................19 Глава 3. Краткая характеристика исследованных водоёмов................30 Глава 4. Биологическая характеристика тюльки при её натурализации в водохранилищах Верхней Волги...............................................................50 4.1. Распределение в водоёмах и размерно-возрастной состав уловов......................................................................................................50 4.2. Возрастная структура, темп роста и морфология тюльки...........55 4.3. Трофоэкологическая характеристика тюльки Верхней Волги...57 4.4. Особенности воспроизводства черноморско-каспийской тюльки.....................................................................................................60 4.5. Физиолого-биохимические особенности популяций тюльки Верхней Волги.......................................................................................61 4.6. Особенности распространения тюльки в северных водоёмах....64 Глава 5. Генетико-биохимическая характеристика исследованных ферментных систем........................................................................................69 5.1. Лактатдегидрогеназа, ЛДГ (LDH, E.C. 1.1.1.27)..........................70 5.2. Малатдегидрогеназа NAD-зависимая, МДГ (MDH, E.C. 1.1.1.37)..............................................................................72 5.3. Малатдегидрогеназа NADP-зависимая, Мe (ME, E.C. 1.1.1.40).73 5.4. α-глицерофосфатдегидрогеназа, αГФД (aGPDH, E.C. 1.1.1.8)...74 5.5. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, Г6ФД (G6PDH, E.C. 1.1.1.49)...........................................................................76 5.6. 6-Фосфоглюконатдегидрогеназа, 6ФГД (6PGDH, E.C. 1.1.1.49)...........................................................................77 5.7. Эстеразы эфиров карбоновых кислот, Эст (EST, E.C. 3.1.1.x)....78 5.8. Щелочная фосфатаза, ЩФ (AP, E.C. 3.1.3.1)................................81 5.9. Супероксиддисмутаза, СОД (SOD, E.C. 1.15.1.1)........................82 5.10. Аспартатаминотрансфераза, ААТ (AAT, E.C. 2.6.1.1)..............83 5.11. Спектр общего белка, миогены, ОБ (GP)....................................84 3 Глава 6. Популяционно-генетическая характеристика тюльки исследо- ванных водоёмов.............................................................................................87 6.1. Популяция тюльки Азовского моря..............................................87 6.2. Популяция тюльки дельты р. Дон.................................................88 6.3. Популяции тюльки водохранилищ Манычского каскада............89 6.4. Популяция тюльки Днестровского лимана...................................91 6.5. Популяции тюльки р. Днепр..........................................................91 6.6. Популяция тюльки северной части Каспийского моря...............93 6.7. Популяции тюльки каскада водохранилищ р. Волги...................94 6.8. Популяция тюльки Шекснинского водохранилища..................103 6.9. Популяция тюльки Камского водохранилища...........................104 6.10. Популяционная генетика родственного морского вида - анчоусовидной тюльки Clupeonella engrauliformes (Borodin, 1904) из северной части Каспийского моря......................................................104 Глава 7. Генетическая дифференциация Clupeonella cultriventris на всём протяжении ареала........................................................................................106 7.1. Таксономический статус крупных групп популяций тюльки на основании генетико-биохимических данных....................................106 7.2. Происхождение и современная структура Волжских популяций тюльки...................................................................................................110 7.3. Особенности географического распределения некоторых аллелей в ареале C. cultriventris.........................................................................113 Глава 8. Эколого-генетический анализ популяций тюльки бассейна Волги................................................................................................................118 8.1. Проверка исследованных генетических систем на селективность.......................................................................................118 8.2. Влияние абиотических факторов на изоферменты тюльки.......122 Глава 9. Формирование и развитие эколого-генетических адаптаций Clupeonella cultriventris в условиях Рыбинского водохранилища.........129 9.1. Пространственная подразделённость в популяции Рыбинского водохранилища.....................................................................................129 9.2. Межполовые различия..................................................................134 9.3. Генетическая характеристика разных возрастных групп тюльки...................................................................................................137 9.4. Особенности питания тюльки разных генетических групп......139 9.5. Сезонная динамика генетических показателей..........................151 Заключение.....................................................................................................156 Список литературы.......................................................................................160 4 Светлой памяти Валентины Ивановны КИЯШКО Введение За последние полвека крайне актуальной стала проблема про- никновения и натурализации живых организмов за пределы их исто- рических ареалов. Постоянно усиливающееся антропогенное преобразование естественной среды в совокупности с глобальными геоклиматическими изменениями, резко активизировавшимися с последних десятилетий ХХ века, вызвали ускорение процессов трансформации ареалов многих видов растений и животных (Дгебу- адзе, 2002; Gollash et al., 2003; Swaminathan, 2003; Павлов и др., 2005). Наиболее пристальное внимание, наряду с сокращением ареа- лов ряда видов, вызывают процессы взрывного расширения ареалов, приводящие к быстрым изменениям не только зоогеографического статуса регионов, но и всей организации взаимосвязей и отношений внутри экосистем. Пресноводные экосистемы континентальных во- доемов Европы оказались в числе наиболее затронутых человече- ской деятельностью (масштабное зарегулирование большинства крупных и средних речных систем). Также в водоёмах Европы ярко выражены и эффекты глобального потепления (повышение средне- годовых температур поверхностных вод суши, устойчивый рост ми- нерализации и трофности) (Slynko et al., 2002; Leppakoski et al., 2002; Schindler, Parker, 2002; Huber, Knutti, 2012). Вселение чужеродных видов потенциально опасно как из-за не- посредственного экономического ущерба, наносимого вселенцем, так и через влияние адвентивных видов на биоразнообразие региона в целом. Вселенцы способны не только конкурировать и вытеснять коренных обитателей, но и успешно гибридизировать с ними, что ещё более затрудняет предсказание экономических и экологических последствий биологических инвазий (Heger, Trepl, 2003; Graziani et al., 2003; Largiader, 2007). На современном этапе роль чужеродных видов в водоёмах мира всё более увеличивается. Так, в Великих озёрах количество адвен- тивных видов составляет более 4% (Fuller et al., 1999), в ихтиофауне различных водоёмов Европы - до 20% (Kottelat, Freyhof, 2007; Riv- ers…, 2009). Одним из самых распространённых и наиболее много- численным представителем рыб-вселенцев в Европейской части 5 России является черноморско-каспийская тюлька Clupeonella cul- triventris (Nordmann, 1840). C началом массового гидростроительст- ва тюлька начала экспансию по водохранилищам Днепра (Амброз, 1956). C 1960-х годов данный вид начинает энергично расселяться в пелагиали водохранилищ Нижней и Средней Волги (Шаронов, 1971), а к началу XXI в. эта рыба освоила водохранилища Верхней Волги и Шексны вплоть до Белого озера (Slynko et al., 2002). Ус- пешной экспансии тюльки при зарегулировании крупных рек спо- собствовало значительное расширение пелагиали, увеличение трофности водоёмов и обильное развитие зоопланктона (Циплаков, 1974). Наблюдавшееся на современном этапе повышение среднего- довых температур воды и удлинение вегетационного периода также благоприятствовало натурализации тюльки в северных водохрани- лищах (Осипов, 2006). Несмотря на ряд специальных исследований (Берг, 1948; Вла- димиров, 1950; Световидов, 1952) до сих пор обсуждаются видовой статус и таксономические отношения внутри рода Clupeonella (Kot- telat, 1997; Богуцкая, Насека, 2004; Kottelat, Freyhof, 2007). Относительно хорошо изучена биология тюльки естественнои- сторической части ареала - Азовского и Каспийского морей (Свето- видов, 1952; Луц, 1978; Приходько, 1979). В научной литературе имеется ряд работ, посвящённых биологическим особенностям тюльки в новой среде обитания. Такие исследования выполнены для популяций тюльки Днестра (Владимиров, 1951), Днепра (Владими- ров и др., 1964; Сухойван, Вятчанина, 1989), рек Дон и Маныч (Тро- ицкий, Цуникова, 1988). В Волжском каскаде изучена тюлька Куйбышевского (Кузнецов, 1973; Козловский, 1984, 1987; Kozlovsky, 1991), Камского и Воткинского водохранилищ (Пушкин, Антонова, 1977, Антонова, Пушкин, 1985; Горин, 1991). Подробно рассмотрены воспроизводство, рост, питание и роль тюльки в рыб- ном сообществе Верхневолжских водохранилищ (Кияшко, Слынько, 2003; Кияшко, 2004; Кияшко и др., 2006; Осипов, 2006). Имеются данные по особенностям липидного обмена (Халько, 2007), алло- зимной изменчивости (Слынько, Лапушкина, 2003; Karabanov, Slynko, 2005) и RAPD-анализу (Столбунова, Слынько, 2005) тюльки в новых частях ареала. Тем не менее, специальных исследований, посвящённых гене- тико-биохимическим адаптациям и популяционной структуре тюль- ки в пределах всего её современного ареала, не проводилось. Вместе 6 с тем, лишь изучение особенностей внутриклеточного метаболизма и генетической детерминации этих процессов позволяет определить стратегию генетико-биохимических адаптаций при экспансии дан- ного вида. Применение сравнительного анализа популяционной структуры по всему ареалу рыбы позволяет установить микрофило- генез отдельных популяций и определить иерархическую структуру крупных групп популяций этого вида. Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность всем коллегам, с которыми на протяжении многих лет проводил совместные исследования. В первую очередь хочу поблагодарить к.б.н. Юрия Влади- славовича Слынько (ИБВВ РАН) за столь интересную тематику, руково- дство, критические замечания и обсуждение результатов исследования. Определение места тюльки и её роли в пресноводных экосистемах было бы невозможно без помощи к.б.н. Валентины Ивановны Кияшко (ИБВВ РАН). За ценные замечания и консультации по всей работе хочу выразить огром- ную благодарность к.б.н. Александру Анатольевичу Махрову (ИПЭЭ РАН). Огромная благодарность всем участникам комплексных экспедиций ИБВВ РАН, особенно: д.б.н. Ю.В. Герасимову, к.б.н. А.Н. Касьянову, м.н.с. М.И. Малину, м.н.с. Д.Д. Павлову, д.б.н. В.И. Лазаревой, к.б.н. В.И. Мартемьянову, д.б.н. В.Г. Терещенко, к.б.н. А.В. Тютину и к.б.н. В.В. Халько. Сбор материала был бы невозможен без помощи: на Горьков- ском и Чебоксарском водохранилищах - к.б.н. А.А. Клевакина (Нижегород- ское отделение ГосНИОРХ); в Ростовской обл. - к.б.н. А.З. Витковского (АзНИИРХ); на Каспийском море - д.б.н. А.К. Устарбекова (ДагНЦ РАН); на Саратовском и Волгоградском водохранилищах - к.б.н. Ю.А. Малининой (Саратовское отделение ГосНИОРХ); в Пермском крае - Т.Л. Кулевской (Администрация г. Перми); на территории Украины - к.б.н. Р.А. Новицкого (ДНУ). Отдельную благодарность хочу выразить ака- демику, д.б.н. Юрию Юлиановичу Дгебуадзе (ИПЭЭ РАН) неоднократно помогавшего мне в сложные периоды жизни. Выполнение настоящей работы было бы невозможно без поддержки Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских учёных - кандидатов наук, проект МК- 1793.2011.4 «Эколого-генетические механизмы адаптаций чужеродных видов рыб в пресноводных экосистемах Европейской части России». 7 Глава 1. Таксономический статус, современный ареал и биологическая характеристика черноморско-каспийской тюльки. Механизмы адаптаций к новым условиям обитания 1.1. Таксономический статус и исторический ареал рода Clu- peonella Kessler, 1877 Большинство сельдёвых Clupeidae (150 из 190 видов) обитают в морях тропической и субтропической зоны. В умеренных широтах распространена сравнительно небольшая часть представителей се- мейства, в которую входят роды, распространенные в бореальной и большей части субарктической областях (около 20 видов) (Светови- дов, 1952). Черноморско-каспийская тюлька относится к роду Clupeonella Kessler, 1877, в котором на настоящий момент выделяются 4 вида: черноморско-каспийская тюлька - Clupeonella cultriventris (= C. delicatula) (Nordmann, 1840), большеглазая тюлька Clupeonella grimmi Kessler, 1877, анчоусовидная тюлька Clupeonella engrauli- formis (Borodin, 1904) и абрауская тюлька Clupeonella abrau (Maljatskij, 1930) (Световидов, 1952; Атлас…, 2003). Черноморско- каспийская, анчоусовидная и большеглазая тюльки живут в Каспий- ском море, Азовское и Черное моря населяет только черноморско- каспийская тюлька. Реликтовая абрауская тюлька живет лишь в оз. Абрау возле г. Новороссийск, к этому же виду, как правило, относят и тюльку из оз. Абулионд (Турция) (Атлас…, 2003). Ранее черноморско-азовская и каспийская тюльки (кильки) обычно объединялись в литературе в один вид под названием Clu- peonella delicatula (Nordmann, 1840) (Берг, 1948; Световидов, 1952). Старшим пригодным синонимом для черноморской тюльки является название Clupea cultriventris Nordmann, 1840 (Svetovidov, 1973). В настоящее время валидным считается название Clupeonella cultriventris (Nordmann, 1840) ( Решетников и др., 1997; Аннотиро- ванный…, 1998; Атлас…, 2003; Богуцкая, Насека, 2004). По Л.С. Бергу (1948) в северо-восточной части Черного моря, Азовском и Каспийском морях и в низовьях рек бассейна этой части Понто-Каспия обитает вид с номенклатурным названием обыкно- венная тюлька, Clupeonella delicatula (Nordmann, 1840). На основании географической приуроченности и отдельных морфо- логических различий Л.С. Берг выделял также два подвида: чархаль- ская тюлька (оз. Чархал и затоны Волги у Саратова) и черноморская 8 тюлька (северо-западная часть Черного моря, дельта Дуная, Днест- ровский, Бугский, Кучурганский и Днепровский лиманы). А.Н. Световидов (1943; 1945), также преимущественно на основании географической приуроченности и некоторых морфологических различий подразделил вид на два подвида - черноморско-азовская (C. d. delicatula) и каспийская тюлька (C. d. caspia). В.И. Владимиров (1950) в свою очередь разделил черноморско-азовскую тюльку на два подвида - черноморскую (C. d. delicatula) и азовскую (C. d. azovi). В дальнейшем от разделения вида на подвиды было решено отказаться (Аннотированный…, 1998). Вместе с тем, азово- черноморские, волго-каспийские и чархальские популяции тюльки по-прежнему рассматриваются в статусе отдельных подвидов (Бо- гуцкая, Насека, 2004). М. Коттела (Kottelat, 1997; Kottelat, Freyhof, 2007) на незначительных морфологических различиях обосновывает мнение, что существует четыре самостоятельных вида пресновод- ных тюлек: каспийская (C. caspia), черноморская (C. cultriventris), абраусская (C. abrau) и пресноводная (C. tcharchalensis). К началу XXI в. ареал черноморско-каспийской тюльки охва- тывает Азовское море, опресненные участки Черного моря, низовья рек Дон, Кубань, водохранилища Днепра, реки Буг, Днестр, Дунай. Каспийская популяция тюльки встречается по всему Каспийскому морю от прибрежных районов Ирана, Туркмении, Азербайджана, Казахстана до низовий Волги. С начала 1950-х годов тюлька рассе- лилась по акватории рек Волга и Кама (Световидов, 1952; Чижов, Абаев, 1968; Пушкин, Антонова, 1977; Слынько и др., 2000). 1.2. Формирование современного ареала черноморско- каспийской тюльки Для всех популяций черноморско-каспийской тюльки историче- ски был характерен заход на нерест в низовья крупных рек понто- каспийского бассейна (Световидов, 1952). Зарегулирование и созда- ние каскадов водохранилищ на реках Волга, Кама, Днепр, Дон стало решающим фактором расселения тюльки по этим рекам и возникно- вения самовоспроизводящихся пресноводных популяций. Важную роль в успешности освоения водохранилищ сыграли такие биологи- ческие свойства этого короткоциклового вида, как: высокая эффек- тивность размножения, экологическая пластичность, обширная зона пелагиали новообразованных водоёмов с богатой кормовой базой и слабая конкуренция местных рыб-планктофагов (например, уклейки 9 Alburnus alburnus, синца Ballerus ballerus), а также относительно не- большой пресс хищников. Успеху инвазии также способствовали абиотические факторы: глобальное потепление климата, замедление течения, формирование обширных открытых участков, пригодных для обитания рыб пелагического комплекса (Кияшко, Слынько, 2003). На черноморском побережье имеются крупные популяции тюльки в низовьях и лиманах р. Дунай (Смирнов, 1967). В Днестре тюлька образует три крупные популяции: Днестровского лимана, низовьев р. Днестр и Кучурганского лимана (Владимиров, 1951; Гидробиологический…, 1992). После зарегулирования стока в результате сооружения каскада гидроэлектростанций на р. Днепр тюлька заселила все днепровские водохранилища. Впервые тюлька отмечена в 1956 г. в Каховском, а в 1958 г. - в Днепровском водохранилище. Оттуда этот вид распро- странился по среднему течению Днепра по Днепродержинскому, Кременчугскому и Каневскому водохранилищам (Владимиров и др., 1964; Булахов, 1966; Смирнов, 1967; Шевченко, 1991). Современное распространение тюльки в бассейне Дона охваты- вает низовья реки, Цимлянское водохранилище и водохранилища Манычского каскада (Доманевский и др., 1964; Троицкий, Цунико- ва, 1988; Витковский, 2000). В бассейне Волги до создания каскада водохранилищ тюлька отмечалась лишь в низовьях Волги и Ахтубы. Немногочисленные косяки тюльки поднимались вверх по рекам Волга и Урал. После падения уровня Каспия в 1940-х годах тюлька перестала поднимать- ся выше г. Астрахань (Казанчеев, 1963). В оз. Чархал (бассейн р. Урал), в ильменях дельты Волги и в Волге в затонах у г. Саратов также имелась жилая пресноводная форма «чархальской селёдочки» - C. delicatula caspia morpha tscharchalensis (Берг, 1948; Казанчеев, 1963). После создания водохранилищ на Волге началось постепен- ное продвижение тюльки вверх по реке. Предполагается, что в фор- мировании стада тюльки Волгоградского водохранилища приняли участие аборигенные популяции тюльки из саратовских затонов (Егерева, 1970; Шаронов, 1972; Циплаков, 1972). В Куйбышевском водохранилище данный вид впервые был обнаружен в 1963 г . К 1966 г. тюлька распространилась уже по всему Куйбышевскому во- дохранилищу и вверх по Волге до г. Чебоксары. Уже в 1967 г. в уло- вах пелагическим мальковым тралом тюлька в Куйбышевском во- дохранилище составляла более 70% от общего числа выловленных рыб (Шаронов, 1971; Кузнецов, 1973). Особенно крупные скопления 10