Морские виды, объекты промысла и марикультуры, в условиях гибридизации и клональных раковых инфекций: 2021 г. этап 3

Project: Grant fulfilmentGrant stage fulfilment

Project Details

Description

На фоне солидного задела исследований гибридизации у континентальных видов, о гибридизации в море известно мало, а в морях России практически ничего. Это - серьезный пробел в знаниях. Масштаб как естественной, так и «антропогенной» гибридизации (связанной с нарушением биотопических и биогеографических границ) в море должен быть не меньше, чем в континентальных экосистемах. Паттерны гибридизации и интрогрессии в море отличаются от таковых у континентальных видов из-за особенностей жизненных циклов и механизмов популяционной дисперсии у большинства морских животных (наружное оплодотворение, распространение личиночных стадий морскими течениями). Это не позволяет механически экстраполировать данные по гибридизации у континентальных видов на морские объекты. Одной из особенностей гибридизации у морских организмов является тенденция к формированию сериальных (множественных) гибридных зон. Разные гибридные зоны между одними и теми же линиями суть независимые природные эксперименты, позволяющие вычленить роль стохастических и детерминистских факторов, в том числе, экологических, в ретикулярной эволюции. Поэтому изучение морских моделей должно обогатить знания о гибридизации как эволюционно-генетическом феномене. Два года назад стало известно, что клональные линии СТС широко циркулируют в морских ценозах, пересекая таксономические границы (Metzger et al. 2016, 2018). СТС – это шестой тип инфекции (после бактерий, вирусов, грибов, животных-паразитов и прионов). СТС - это одноклеточные таксоны высших многоклеточных животных. СТС – это новый вызов в биологии. Гипотеза трансмиссивного рака и порождаемого им «химеризма» никогда не рассматривалась ни нами, ни громадным большинством других морских зоологов, изучающих «естественную гибридизацию» или просто использующих молекулярно-генетические методы. Мы эту проблему осознали, возможно, раньше других.

Layman's description

На фоне солидного задела исследований гибридизации у континентальных видов, о гибридизации в море известно мало, а в морях России практически ничего. Это - серьезный пробел в знаниях. Масштаб как естественной, так и «антропогенной» гибридизации (связанной с нарушением биотопических и биогеографических границ) в море должен быть не меньше, чем в континентальных экосистемах. Паттерны гибридизации и интрогрессии в море отличаются от таковых у континентальных видов из-за особенностей жизненных циклов и механизмов популяционной дисперсии у большинства морских животных (наружное оплодотворение, распространение личиночных стадий морскими течениями). Это не позволяет механически экстраполировать данные по гибридизации у континентальных видов на морские объекты. Одной из особенностей гибридизации у морских организмов является тенденция к формированию сериальных (множественных) гибридных зон. Разные гибридные зоны между одними и теми же линиями суть независимые природные эксперименты, позволяющие вычленить роль стохастических и детерминистских факторов, в том числе, экологических, в ретикулярной эволюции. Поэтому изучение морских моделей должно обогатить знания о гибридизации как эволюционно-генетическом феномене. Два года назад стало известно, что клональные линии СТС широко циркулируют в морских ценозах, пересекая таксономические границы (Metzger et al. 2016, 2018). СТС – это шестой тип инфекции (после бактерий, вирусов, грибов, животных-паразитов и прионов). СТС - это одноклеточные таксоны высших многоклеточных животных. СТС – это новый вызов в биологии. Гипотеза трансмиссивного рака и порождаемого им «химеризма» никогда не рассматривалась ни нами, ни громадным большинством других морских зоологов, изучающих «естественную гибридизацию» или просто использующих молекулярно-генетические методы. Мы эту проблему осознали, возможно, раньше других.

Key findings for the project

На примере мидий Mytilus Японского моря мы отработали методику диагностики диссеминированной неоплазии (DN) и трансмиссивной неоплазии Mytilus (BTN) (Skazina et al. 2021). Используя эти методические заделы, мы провели диагностику DN и BTN в обширном материале из дальневосточных морей России. Почти во всех выборках мы нашли рак. Из двух эволюционных линий BTN в дальневосточных морях встречаются обе, причем в одних и тех же популяциях, в одном случае вместе с нетрансмиссивной неоплазией. Используя собранные коллекции раковых образцов, мы разработали экспресс тесты на BTN, основанные на а) детекции митохондриальной гетероплазмии методом прямого секвенирования COI из гемолимфы и мышечной ткани особей, б) детекции уникальных для каждой из двух линий рака аллелей ядерного локуса EF1a в гемолимфе с помощью ПЦР в режиме реального времени. Мы также секвенировали первые транскриптомы BTN двух линий и нетрансмиссивного рака.
Благодаря опубликованию методики морфологического определения «криптических» видов мидий M. edulis и M. trossulus (Khaitov et al. 2021; работа представлена не как частное исследование мидий, а как формальная процедура идентификации не полностью дискретных морфологически таксонов), мы смогли интерпретировать таксономическую структуру новых и коллекционных выборок мидий без трудоемкого генотипирования. Обработан большой массив данных по пространственному, в частности биотопическому распределению видов, а также по их временной динамике в Кандалакшском и Кольском заливах. В последние годы повсеместно происходит экспансия инвазивного (тихоокеанского) M. trossulus.

Key findings for the stage (in detail)

(1) Исследования трансмиссивного рака. На примере мидий Mytilus Японского моря мы отработали методику диагностики диссеминированной неоплазии (DN) и трансмиссивной неоплазии Mytilus (BTN) (Skazina et al. 2021).
Используя эти методические заделы, мы провели диагностику DN и BTN в обширном материале из дальневосточных морей России. Почти во всех выборках мы нашли рак. Из двух эволюционных линий BTN в дальневосточных морях
встречаются обе, причем в одних и тех же популяциях, в одном случае вместе с нетрансмиссивной неоплазией. Используя собранные коллекции раковых образцов, мы разработали экспресс тесты на BTN, основанные на а) детекции
митохондриальной гетероплазмии методом прямого секвенирования COI из гемолимфы и мышечной ткани особей, б) детекции уникальных для каждой из двух линий рака аллелей ядерного локуса EF1a в гемолимфе с помощью ПЦР в режиме реального времени. Мы также секвенировали первые транскриптомы BTN двух линий и нетрансмиссивного рака. Поиск трансмиссивного рака у другого моллюска – макомы Limecola (=Macoma) balthica, пока, не дал
однозначных результатов. У единственной найденной макомы с DN не удалось показать гетероплазмию, ожидаемую при трансмиссивном раке.
(2) Исследования паттернов гибридизации и интрогрессии у маком комплекса Limecola balthica, мидий комплекса Mytilus edulis и морских сельдей Clupea spp. в Европе. В каждом случае аборигенный атлантический вид или подвид
гибридизует с инвазивным тихоокеанским видом.
Clupea spp. Завершено микросателлитное генотипирование выборок сельди из северо-восточной Европы. Результаты подтверждают гипотезу проекта о том, что различия между географическими и сезонными расами тихоокеанской C. pallasii в северо-восточной Европе связаны с интрогрессивной гибридизацией этого вида с атлантической C. harengus. Популяции Балсфиорда и Россфиорда родственны C. pallasii. Однако на их генофонды сильно повлияла интрогрессия генов C. harengus (вклад генов атлантической сельди порядка 30%). Приметы интрогрессии есть у беломорской C. pallasii (порядка 10% генов C. harengus) и у C. harengus Тронсхеимфиорда (порядка 5% генов C. pallasii). Из-за того, что в 2020 году провести лов беломорской сельди (C. pallasii) на нерестилищах не удалось из-за карантина, мы провели эту работу в 2021. Подавляющее большинство пойманных рыб принадлежит к C. pallassii. Однако некоторое число особей относятся к C. harengus, среди них из них есть особи в нерестовом состоянии. Это указывает на возможность межвидовой гибридизации. Морфологически, гибридов идентифицировать невозможно. Гипотеза будет проверена генетически.
Limecola balthica. В результате трехлетних усилий по нас оказалось 117 генотипов маком L. balthica, охарактеризованных по 1392 ядерным, несцепленным, менделирующим SNP и митохондриальным геномам. Генетические отличия между европейскими популяциями тихоокеанской L. b. balthica связаны, во-первых, с разным уровнем интрогресии генов M. b. rubra во-вторых, со структурой интрогрессии. Лучше всего это заметно в популяциях Мурмана, где по одним локусам «завышены» частоты «тихоокеанских» аллелей, а по другим «атлантических». Европейские популяции L. b. balthica, интрогрессированные генами L. b. rubra, представляют интерес с точки зрения изучения ядерно-цитоплазматического неравновесия, поскольку в них циркулируют атлантические и тихоокеанские митохондриальные линии с высоким уровнем дивергенции. Внутри этих популяций, выборки с атлантической и тихоокеанской МтДНК линиями различаются по частотам ядерных генов, вовлеченных в митохондриальные комплексы. Но только для гена, кодирующего субъединицу О митохондриальной АТФ-синтазы (ATP5O), различия видны во всех изученных популяциях.
Mytilus. Благодаря опубликованию методики морфологического определения «криптических» видов мидий M. edulis и M. trossulus (Khaitov et al. 2021; работа представлена не как частное исследование мидий, а как формальная процедура идентификации не полностью дискретных морфологически таксонов), мы смогли интерпретировать таксономическую структуру новых и коллекционных выборок мидий без трудоемкого генотипирования. Обработан большой массив данных по пространственному, в частности биотопическому распределению видов, а также по их временной динамике в Кандалакшском и Кольском заливах. В последние годы повсеместно происходит экспансия инвазивного (тихоокеанского) M. trossulus. Генотипировав две выборки из смешанных поселений по большой батарее диагностических маркеров, мы впервые надежно оценили разнообразие немногочисленных (2% и 7% от выборок) межвидовых гибридов, представленных F1 и беккроссами. Анализ солидных аллозимных данных по гибридизующим мидиям в Баренцевом море (97 выборок, 5506 генотипов) принес следующий результат. Доля гибридов в поселениях этой гибридной зоны связана с соленостью. В районах, подвергающихся постоянному опреснению, гибридов значимо больше, чем на участках, удаленных от источников опреснения. Даже в строго-«бимодальных» гибридных зонах гибридизация регулируется не только пост-зиготическими, но и пре-зиготическими (экологических) механизмами.

Key findings for the stage (summarized)

(1) Исследования трансмиссивного рака. На примере мидий Mytilus Японского моря мы отработали методику диагностики диссеминированной неоплазии (DN) и трансмиссивной неоплазии Mytilus (BTN) (Skazina et al. 2021).
Используя эти методические заделы, мы провели диагностику DN и BTN в обширном материале из дальневосточных морей России. Почти во всех выборках мы нашли рак. Из двух эволюционных линий BTN в дальневосточных морях
встречаются обе, причем в одних и тех же популяциях, в одном случае вместе с нетрансмиссивной неоплазией. Используя собранные коллекции раковых образцов, мы разработали экспресс тесты на BTN, основанные на а) детекции
митохондриальной гетероплазмии методом прямого секвенирования COI из гемолимфы и мышечной ткани особей, б) детекции уникальных для каждой из двух линий рака аллелей ядерного локуса EF1a в гемолимфе с помощью ПЦР в режиме реального времени. Мы также секвенировали первые транскриптомы BTN двух линий и нетрансмиссивного рака. Поиск трансмиссивного рака у другого моллюска – макомы Limecola (=Macoma) balthica, пока, не дал
однозначных результатов. У единственной найденной макомы с DN не удалось показать гетероплазмию, ожидаемую при трансмиссивном раке.
(2) Исследования паттернов гибридизации и интрогрессии у маком комплекса Limecola balthica, мидий комплекса Mytilus edulis и морских сельдей Clupea spp. в Европе. В каждом случае аборигенный атлантический вид или подвид
гибридизует с инвазивным тихоокеанским видом.
Clupea spp. Завершено микросателлитное генотипирование выборок сельди из северо-восточной Европы. Результаты подтверждают гипотезу проекта о том, что различия между географическими и сезонными расами тихоокеанской C. pallasii в северо-восточной Европе связаны с интрогрессивной гибридизацией этого вида с атлантической C. harengus. Популяции Балсфиорда и Россфиорда родственны C. pallasii. Однако на их генофонды сильно повлияла интрогрессия генов C. harengus (вклад генов атлантической сельди порядка 30%). Приметы интрогрессии есть у беломорской C. pallasii (порядка 10% генов C. harengus) и у C. harengus Тронсхеимфиорда (порядка 5% генов C. pallasii). Из-за того, что в 2020 году провести лов беломорской сельди (C. pallasii) на нерестилищах не удалось из-за карантина, мы провели эту работу в 2021. Подавляющее большинство пойманных рыб принадлежит к C. pallassii. Однако некоторое число особей относятся к C. harengus, среди них из них есть особи в нерестовом состоянии. Это указывает на возможность межвидовой гибридизации. Морфологически, гибридов идентифицировать невозможно. Гипотеза будет проверена генетически.
Limecola balthica. В результате трехлетних усилий по нас оказалось 117 генотипов маком L. balthica, охарактеризованных по 1392 ядерным, несцепленным, менделирующим SNP и митохондриальным геномам. Генетические отличия между европейскими популяциями тихоокеанской L. b. balthica связаны, во-первых, с разным уровнем интрогресии генов M. b. rubra во-вторых, со структурой интрогрессии. Лучше всего это заметно в популяциях Мурмана, где по одним локусам «завышены» частоты «тихоокеанских» аллелей, а по другим «атлантических». Европейские популяции L. b. balthica, интрогрессированные генами L. b. rubra, представляют интерес с точки зрения изучения ядерно-цитоплазматического неравновесия, поскольку в них циркулируют атлантические и тихоокеанские митохондриальные линии с высоким уровнем дивергенции. Внутри этих популяций, выборки с атлантической и тихоокеанской МтДНК линиями различаются по частотам ядерных генов, вовлеченных в митохондриальные комплексы. Но только для гена, кодирующего субъединицу О митохондриальной АТФ-синтазы (ATP5O), различия видны во всех изученных популяциях.
Mytilus. Благодаря опубликованию методики морфологического определения «криптических» видов мидий M. edulis и M. trossulus (Khaitov et al. 2021; работа представлена не как частное исследование мидий, а как формальная процедура идентификации не полностью дискретных морфологически таксонов), мы смогли интерпретировать таксономическую структуру новых и коллекционных выборок мидий без трудоемкого генотипирования. Обработан большой массив данных по пространственному, в частности биотопическому распределению видов, а также по их временной динамике в Кандалакшском и Кольском заливах. В последние годы повсеместно происходит экспансия инвазивного (тихоокеанского) M. trossulus. Генотипировав две выборки из смешанных поселений по большой батарее диагностических маркеров, мы впервые надежно оценили разнообразие немногочисленных (2% и 7% от выборок) межвидовых гибридов, представленных F1 и беккроссами. Анализ солидных аллозимных данных по гибридизующим мидиям в Баренцевом море (97 выборок, 5506 генотипов) принес следующий результат. Доля гибридов в поселениях этой гибридной зоны связана с соленостью. В районах, подвергающихся постоянному опреснению, гибридов значимо больше, чем на участках, удаленных от источников опреснения. Даже в строго-«бимодальных» гибридных зонах гибридизация регулируется не только пост-зиготическими, но и пре-зиготическими (экологических) механизмами.

Academic ownership of participants (text description)

Одинцова Н.А., в.н.с. Нац. центра морской биологии РАН. Диагностика рака цитологическими методами. Участие в подготовке публикаций.
Майорова М.А., н.с. Нац. центра морской биологии РАН. Диагностика рака цитологическими методами. Участие в подготовке публикаций.
Лайус Д.Л., доцент СПбГУ. Морфологический анализ гибридизующих сельдей. Участие в подготовке публикаций.
Сказина М.А., н.с. СПбГУ. Диагностика рака молекулярно-генетическими методами. Стат. обработка данных проекта. Участие в подготовке публикаций.
Хайтов В.М., доцент СПбГУ. Морфологический анализ гибридизующих мидий. Стат. обработка данных проекта. Участие в подготовке публикаций.
Марченко Ю.Т., м.н.с. СПбГУ. Молекулярно-генетический анализ гибридизующих мидий. Стат. обработка данных проекта. Участие в подготовке публикаций.
Пономарцев Н.В., н.с. СПбГУ. Диагностика рака молекулярно-генетическими методами (qPCR).
Головин П.В., м.н.с. СПбГУ. Молекулярно-генетический анализ гибридизующих сельдей.
Стрелков П.П., доцент СПбГУ. Стат. обработка данных проекта. Участие в подготовке публикаций.

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

не разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

не разрешается

Rationale of the interdisciplinary approach

Единовременное использование подходов цитологии и молекулярной генетики к диагностике трансмиссивного рака
Short title19-74-20024
AcronymRSF_SR_IF_2019 - 3
StatusFinished
Effective start/end date11/01/2131/12/21

Fingerprint

Explore the research topics touched on by this project. These labels are generated based on the underlying awards/grants. Together they form a unique fingerprint.