Ученые Института проблем экологии и эволюции. А. Северцова (ИФЭЭ) РАН совместно с коллегами из Института биологии внутренних вод. Я БЫ. Папанина (ИБВВ) РАН изучали генетическую изменчивость экзотических видов рыб Волго-Камского региона. Это исследование позволит не только прогнозировать возможные последствия для аборигенных экосистем экзотических видов, но и принимать меры по обнаружению или уничтожению опасных или вредных видов. Научная статья исследователей была опубликована в престижном журнале Water.
В естественных условиях расселение животных за пределы их исторических ареалов ограничено радиусом индивидуальной активности. Например, чтобы заселить северную Евразию, в отличие от героев мультфильма «Ледниковый период», мамонтам пришлось пройти на ногах тысячи километров, и весь процесс занял многие сотни лет. Летающие динозавры и их более поздние ответвления, птицы, упростили дальние путешествия, но в воздушной среде есть свои опасности и ограничения. Обитатели вод, гидробионты, должны были использовать водные пути для расселения или образовывать хорошо защищенные ярусы покоя для передвижения по суше. В то же время для пресноводных гидробионтов
Изучение того, как происходили биологические инвазии в самом сердце территории России, Волго-Камье, является предметом исследования ученых Института биохимии РАН и ИПЭЭ РАН, проведенного под руководством доктора биологических наук, члена-корреспондента РАН Алексея Котова.
Одним из наиболее интересных и малоизученных инвазионных видов рыб Волги является звездчатая рыба-пуговица
В настоящее время доля экзотических видов рыб в мелководных уловах в волжских водохранилищах колеблется от 8 до 32 %, в камских — от 2 до 16 %. Одной из ключевых задач мониторинга биологической инвазии является своевременная, быстрая и точная идентификация вселенца. Это позволяет не только прогнозировать возможные последствия для аборигенных экосистем экзотических видов, но и при необходимости принимать меры по обнаружению или уничтожению опасных или вредных видов в кратчайшие сроки. Для точной идентификации животных ученые используют метод идентификации ДНК.
Технология ДНК-штрихкодирования сейчас является стандартной процедурой в изучении биологического разнообразия, однако, как и везде, здесь есть свои нюансы. В частности, при проведении таких работ по амплификации (множественному копированию) интересующего гена необходимо использовать праймеры — небольшие одноцепочечные ДНК-«затравки», комплементарные фланкирующим последовательностям ДНК целевого гена. Ген COI, выбранный для штрих-кодирования ДНК животных, достаточно консервативен, что позволяет использовать универсальные праймеры для большого числа близкородственных видов.
Однако чем выше универсальность, тем ниже специфичность, поэтому исследователям постоянно приходится находить компромисс между подходами «много, но плохо» и «хорошо, но мало». Поэтому для более точного определения становится все более популярной тенденция моделировать специфические праймеры для той или иной группы животных. Например, ученым, изучающим пресноводных рыб Волги, не нужно знать последовательности ДНК австралийских коралловых рифовых рыб. В результате праймеры «Волга» будут намного эффективнее для конкретной задачи мониторинга инвазионных видов в этом регионе.
«Именно таким путем пошла наша команда при кодировании ДНК чужеродных видов рыб Волги и Камы. Разработанные нами праймеры позволили повысить эффективность стандартных ДНК-штрих-кодов почти на четверть. В случае фрагментированных и сильно деградированных образцов мы предлагаем использовать праймеры для синтеза более коротких последовательностей, что без потери точности позволяет идентифицировать «сложные» образцы, недоступные другим традиционным методам. Кроме того, эти «короткие» праймеры, помимо традиционной амплификации, можно использовать в высокопроизводительных системах секвенирования как тотальных образцов, так и эДНК («природная» ДНК, растворенная в воде)», — рассказал Алексей Котов.
Однако работа с одним локусом неизбежно приводит к ошибкам (загрязнение образца, ошибки чтения или просто ошибки вставки образца). Для повышения репрезентативности ученые разработали дополнительный набор праймеров для большой субъединицы митохондриальной рибосомной ДНК (16S) и малой субъединицы ядерной рибосомной ДНК (18S) и пришли к выводу, что изучение рДНК может быть дополнительным успехом по сравнению с «классическим ДНК-штрихкодированием» даже при использовании высокопроизводительных систем секвенирования.
В практическом плане путем тестирования набора праймеров (COI, 16S и 18S) была изучена генетическая изменчивость 31 вида пресноводных рыб. Для Волго-Камского региона впервые массово создана библиотека эталонных последовательностей практически всех экзотических видов рыб, включающая генетически подтвержденные находки нескольких новых видов. Предложенные наборы праймеров демонстрируют высокую эффективность амплификации и высокую специфичность в отношении области штрих-кода ДНК не только чужеродных видов, но и других таксонов пресноводных рыб.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Генетическая работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 20-34-70020 «Чужеродные виды гидробионтов разных таксономических групп Европейской России: сравнительный анализ полиморфизма в пределах нативных и инвазионных ареалов, история и особенности инвазионного процесса» (научный руководитель Э.И. Беккер, ИПЭЭ РАН).
