1 Генетика океанических фронтов Очевидная для
advertisement
Генетика океанических фронтов Очевидная для непосвященного человека однородность водной среды в океане – обманчива. Мировой океан имеет сложную гидрологическую структуру, влияющую на распределение морских организмов. Горизонтальные и вертикальные движения вод в Мировом океане (течения), являясь своеобразными «реками», обеспечивают взаимодействие между разными ареалами гидробионтов, тогда как фронтальные зоны выступают нередко в роли “границ” между ареалами. Эти границы порой достаточно четкие, иногда «размытые». Для обитающих в море живых организмов, особенно мелких (фито-, зоо- и бактериопланктон), фронтальные разделы могут служить барьерами для их распространения и способствовать пространственной изоляции популяций одного вида. Отметим, что подобная изоляция может лежать в основе видообразования. Не доказано, возможна ли видообразование (рис. 1) в океане без пространственной изоляции. Рис. 1. Типы видообразования Однако выявить подобную изоляцию в популяциях морских организмов на открытых акваториях очень сложно. Применение стандартных морфологических методов в большинстве случаев не дает возможности выявить существование видов-двойников (виды, не имеющие различий по большинству морфологических признаков, но репродуктивно изолированные.). Только применение молекулярно-генетических методов позволяет пролить свет на проблему возникновения изоляции – физических и экологических изолирующих барьеров – в условиях морской среды. 1 Наши исследования влияния океанических фронтов на изолированность популяций зоопланктона в Южном океане показали эффективность применения молекулярногенетических методов. В ходе работ удалось выделить два типа генетической структуры зоопланктонного вида – генетически единая популяция на всей исследованной акватории и разделенные гидрологическим фронтом виды-двойники. Применение молекулярно-генетических методов в морской биологии – задача сегодняшнего дня Следует сразу сказать, что, несмотря на более высокую эффективность (по сравнению с широко применяемыми в настоящее время морфологическими методами), молекулярно-генетические методы применяются в морской биологии не всегда. Объясняется это тем, что для каждой группы организмов необходимо разрабатывать модификации стандартных методик. Очевидно, что требуется значительное усилия и время для подобной методической работы. Отсутствуют методики – нет возможности широкого применения молекулярно-генетических методов в морской биологии. Как результат – существование принципиальных проблем при изучении скрытого биоразнообразия и механизмов видообразования морских беспозвоночных. Под скрытым биоразнообразием понимается наличие видов-двойников, представители которых внешне сходны, но имеют разный генотип. Эти виды не имеют четких морфологических различий, но изолированы репродуктивно (не скрещиваются). Традиционными морфологическими методами выявить в пределах одного вида различающиеся генетически популяции невозможно – все внешне сходные особи на одной акватории причисляются к единой популяции. Если по каким-либо причинам изоляция (географические барьеры, разное время размножения, расхождение экологических ниш) поддерживается на протяжении долгого времени, то изоляция становится репродуктивной – т.е. особи из разных популяций при скрещивании не дают плодовитого потомства, что противоречит биологическому определению вида. Другой важной проблемой является трудоемкость определения таксономической принадлежности особи по стандартным морфологическим признакам из-за высокого морфологического сходства близкородственных видов. Сложность точно идентифицировать видовую принадлежность конкретного организма из анализируемой пробы приводит к необходимости привлекать высококвалифицированных специалистовтаксономистов. 2 В 2003 г. канадский ученый П.Хеберт предложил использовать ДНК- штрихкодирование для видовой идентификации особей, включая трудно определяемых, поврежденных и находящихся на личиночной стадии развития, с помощью короткой стандартной последовательности цепи ДНК (Hebert et al., 2003). В 2004 году был основан международный консорциум Consortium for the Barcode of Life, CBOL (рис. 2). Через два года общая стоимость проекта составила более 2 млн. долл. США. Россия присоединилась к этому проекту в 2005 году. В качестве маркера, выполняющего роль штрих-кода, выбрали последовательность ДНК, кодирующую первую субъединицу митохондриальной цитохром-оксидазы mtCO1. Рис. 2. Последовательность манипуляций при определении вида молекулярногенетическими методами В 2009 году на международной конференции по баркодингу были сформулированы цели ДНК-баркодинга для изучения морских организмов (проект ZooGene): • создание полной базы данных для 7 000 известных видов морского зоопланктона; • изучение видового разнообразия – связывая названия видов, морфологию, и изменения последовательности ДНК; • применение для мониторинга; 3 • изучение новых видов, оценка таксономически значимой географической изменчивости и наличие криптических видов; • описание генетического разнообразия крупномасштабных популяций, характеризующего филогеографию; • филогенетический анализ отдельных групп. На этой же конференции был сформулирован ряд проблем: существование «баркодинговых пробелов» – база данных эффективно пополняется лишь для некоторых таксонов; мало изучается внутривидовое разнообразие морских организмов; наличие большого количества видов-двойников (Bucklin at al., 2009, 2007; Jennings et al. 2009; Ortman et al. 2010; Nigro, Angel, et al., в печати). Все эти проблемы касаются многих ключевых групп, например Euphausiacea, Chaetognatha, Ostracoda, Medusozoa (рис. 3). А Б В Г Рис. 3. Примеры морских организмов, мало изученных по Проекту Barcode of Life: Euphausiacea (А), Chaetognatha (Б), Ostracoda (В), Medusozoa (Г) 4 Существование международных баз данных (IBOL, GenBank) позволяет объективно и с высокой точностью определять таксономическую принадлежность видов, особей на личиночных стадиях развития, а также идентифицировать фрагменты животных. Помимо разделения видов молекулярно-генетические методы в морской биологии все чаще применяют для филогегнетических построений, популяционного анализа, отслеживания происхождения видов-вселенцев, оценки экологического состояния и распространения водных масс. Мы заинтересовались проблемой возникновения и поддержания изоляции популяций зоопланктонных видов на открытых акваториях. Для этого мы выбрали наиболее показательный район для исследований – Южный океан. Фронтальные зоны в Южном океане Фронтальная зона в океане – широкая, переходная, относительно стационарная во времени и пространстве зона между водными массами, имеющими различные характеристики физических и химических свойств. Океанические фронты (рис. 4) разделяют водные массы с различными характеристиками (температура, соленость, содержание биогенов, продуктивность), т.е. с разными экологическими условиями. Такие границы водных масс относительно стабильны во времени и пространстве. Поэтому океанические фронты часто являются границами ареалов многих видов планктона, приспособленных к определенным экологическим условиям. Однако ряд видов с широкими ареалами наблюдаются по обе стороны фронтов. Для Атлантического сектора Южного океана известен ряд видов, ареал которых распространяется на все зоны Антарктического циркумполярного течения (АЦТ). В 2008 году в проливе Дрейка в водах к югу и северу от Антарктического Полярного фронта наши исследования показали отсутствие отличий по морфологическим признакам в качественном составе мезопланктона по обе стороны фронта. Различия в комплексе абиотических факторов водных масс, разделяемых фронтом, позволяет предполагать, что морфологическая однородность фаун может камуфлироваться существованием как криптических (различающиеся не морфологически, а только генетически) близкородственных видов, так и генетически подразделенными 5 популяциями одного вида, обмен генами между которыми ограничен наличием фронта. Решение данной задачи возможно только молекулярно-генетическими методами. Рис. 4. Структура Антарктического циркумполярного течения. Положение фронтов Антарктического циркумполярного течения (по Orsi et al., 1995): I – Субантарктический фронт, II – Полярный фронт, III – Южный фронт АЦТ, IV – Южная граница АЦТ. Пунктирной линией отмечен Субтропический фронт. Фронт как генетический барьер Для того чтобы разобраться, что происходит с зоопланктонным сообществом в зоне контакта разных водных масс, мы рассмотрели подробно распределение зоопланктона в эпипелагиали пролива Дрейка в районе Полярного фронта (рис. 5). 6 Рис. 5. Расположение фронтов в проливе Дрейка. Показано, что таксономический состав сообщества при пересечении фронта не поменялся – то есть Полярный фронт в проливе Дрейка не является биогеографической границей ни для одного из встреченных планктонных видов. На всем полигоне доминировали по биомассе 3 вида - C. simillimus, C. acutus и Rhincalanus gigas, вместе они составляли до 90 % общей биомассы зоопланктона. Тем не менее, вклад в биомассу каждого из этих видов изменялся в зависимости от зоны – доля C. simillimus уменьшалась в южном направлении, доля C. acutus максимальна во фронте, а доля Rhincalanus gigas в южном направлении увеличилась. На основании анализа данных по численности всех видов в сообществе зоопланктона мы выделили два разных зоопланктонных сообщества и сообщество смешанного типа. После этого мы нанесли выделенные сообщества на карту. Оказалось, что границы сообществ связаны с гидрологическими границами, но не точно совпадают с ними. Молекулярно-генетический анализ особей, собранных по разные стороны фронта, показал, что большинство изученных видов (7 из 8 - Calanus simillimus, C. propinquus, Calanoides acutus, Rhincalanus gigas, Ctenocalanus citer, Clausocalanus laticeps и Scolecitricella minor) не образуют группировок, генетическом уровне. 7 достоверно различающихся на Обособленное положение занимает вид Metridia lucens: он образует 2 генетически изолированных группировки, поток генов между которыми крайне ограничен или отсутствует. По обоим проанализированным генам разделение вида по кладам совпало. В Субтропической зоне обнаружены только представители первой группировки, в то время как в Антарктике обитают только представители второй группировки. Особи из обеих группировок отмечены для Субантарктической зоны и Полярной фронтальной зоны (рис. 6). Рис. 6. Распространение видов MLS и MLN в Южном океане. Показано среднее положение фронтов по (Orsi et al., 1995). СТФ – Субтропический фронт, САФ – Субантарктический фронт, ПФ – Антарктический Полярный фронт; САЗ – Субантарктическая зона, ПФЗ – Полярная фронтальная зона, АЗ – Антарктическая зона. Анализ генетического полиморфизма M. lucens показывает, что на генетическую изоляцию географическое расстояние само по себе влияет мало. Популяции, находящиеся по одну сторону фронта, но разделенные дистанцией около 3000 км, имеют уровень генетического полиморфизма по гену mtСО1 0.0-0,3 % (1-2 замены на 614 пар нуклеотидов). Напротив, огромное влияние на генетическую изоляцию имеют градиенты среды. Популяции, разделенные высокоградиентной Полярной фронтальной зоной и отделенные друг от друга всего лишь расстоянием 200-300 км, имеют генетические различия по гену mtCO1 на уровне 9% замен. Похожая картина получена при анализе распределения другого панокеанического вида – хетогнаты Eukrohnia hamata. Для этого вида также описаны две генетически изолированных популяции в Атлантическом секторе Южного океана, обитающих по разные стороны Полярной фронтальной зоны. 8 Несмотря на существенные биологические различия (разный размер, тип питания, миграционная активность и т.п.), для большинства изученных видов копепод не выявлено генетической дифференциации видов в пределах Южного океана. То есть океанические фронты Атнарктического Циркумполярного течения для них являются проницаемыми как с юга на север, так и с севера на юг. Для ряда видов эта закономерность не соблюдается: для генетически дифференцированных группировок M. lucens и E. hamata Полярный фронт непроницаем в направлении с севера на юг. Так как результирующий трансфронтальный перенос направлен с севера на юг, можно ожидать, что особи из северных группировок проникают с водными массами на юг от Полярного фронта. Отсутствие этих особей в пробах показывает, что они быстро погибают или не оставляют потомства – возможно, из-за низкой температуры. На основе анализа полученных нами и литературных данных составлена схема (рис. 7), показывающая влияние фронтальных разделов на популяционную структуру массовых видов мезопланктона в Южном Океане. Большинство массовых видов представлены едиными популяциями, не отличающимися по обе стороны фронта. Копеподы M. lucens представлены двумя группами, разделенными Полярной фронтальной зоной. Наконец, хетогнаты E. hamata представлены тремя группами, разделенными Субтропическим фронтом. 9 Полярной Фронтальной зоной и Рис. 7. Схема формирования генетических особенностей популяций копепод Calanus simillimus, C. propinquus, Calanoides acutus, Rhincalanus gigas, Ctenocalanus citer, Clausocalanus laticeps, Scolecitricella minor и Metridia lucens и хетогнаты Eukrohnia hamata в Атлантическом секторе Южного океана. СТФ – Субтропический фронт, СрСАФ – Средняя струя Субантарктического фронта, ЮСАФ – Южная струя Субантарктического фронта, ПФЗ – Полярная фронтальная зона, ЮФ АЦТ – Южный фронт Антарктического циркумполярного течения. Известно, что некоторые океанические виды демонстрируют генетическую дифференциацию в пределах своего ареала. При этом схожие градиенты среды в океане могут ограничивать поток генов между популяциями одних видов и не ограничивать – для других, даже близких, видов. Такой эффект ожидаем для донных организмов, имеющих малую подвижность в течение всего или большей части жизненного цикла. Для голопланктона – организмов, ведущих исключительно планктонный образ жизни – таких данных мало. В настоящее время появляются работы, показывающие генетическую неоднородность популяций голопланктона, наши данные дополняют эти исследования. Можно ожидать, что накопление информации позволит понять механизмы дифференциации популяций голопланктонных видов, имеющих разные биологические характеристики. 10
