Rate of change in COX1 mitochondrial DNA, behavior and body size of the roach Rutilus rutilus, bream Abramis brama and their reciprocal hybrids

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Variability of the mitochondrial cytochrome c-oxidase I (mtDNA) gene fragment is negatively associated with body size of roach Rutilus rutilus (L., 1758), and bream Abramis brama (L., 1758), and is the cause of intergenomic conflict in hybrids with of highly polymorphic mtDNA of roach. Different aerobic requirements due to differences in body size between roach and bream may have increase the selection of co-adapted mitochondrial-nuclear genes for ATP production and led to divergence of species in locomotor activity and neural processes. These differences may be related to the rate of free radical leakage (ROS), which is set by the apoptotic threshold and is linearly related to the rate of change in COX1. The roach has a smaller body size, higher motor and feeding activity, and a low threshold of excitability, which determines the interspecies differences of behavioral reactions with bream without a predator and in the presence of a low-active predator. The high rate of changes in COX1 and ROS leakage in roach allow to tolerate the suboptimal correspondence of mitochondrial-nuclear respiratory complexes for ATP production and to reduce the threshold of excitability of the nervous system. Intergenomic conflict, which manifests itself in hybrids ♀R. rutilus × ♂A. brama by a violation of the inheritance of greater body length from the male bream, does not affect the maternal effect of behavioral traits. Whereas high genomic compatibility leads to an increase in boldness (ROS threshold), the strength of the excitatory process, and the similarity of hybrids ♀A. brama × ♂R. rutilus with the male roach in terms of motor activity, which may be a consequence of remodeling of energy metabolism due to the inheritance of the roach body length. However, under stress conditions, the curve of the dynamics of the behavior of AR hybrids is similar to A. brama, but hybrids can no longer quickly reduce the metabolic rate to zero, like bream.

About the authors

V. V. Stolbunova

Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences

Email: vvsto@mail.ru
Borok, Nekouzskii raion, Yaroslavl oblast, Russia

Y. V. Gerasimov

Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences

Borok, Nekouzskii raion, Yaroslavl oblast, Russia

References

  1. Андрияшева М.А. 1989. Исследование полиморфных белковых локусов и количественных признаков у рыб // Генетика в аквакультуре. Л.: Наука. С. 29.
  2. Вайдо А.И., Ширяева Н.В., Павлова М.Б. и др. 2018. Селектированные линии крыс с высоким и низким порогом возбудимости: модель для изучения дезадаптивных состояний, зависимых от уровня возбудимости нервной системы // Лабораторные животные для научных исследований. № 3. С. 12. https://doi.org/10.29296/2618723X-2018-03-0
  3. Величко А.К., Разин С.В., Кантидзе О.Л. 2021. Клеточный ответ на повреждения ДНК, возникающие в рибосомных генах // Молекулярная биология. Т. 55. № 2. С. 210. https://doi.org/10.31857/S0026898421020142
  4. Герасимов Ю.В., Слынько Ю.В. 1990. Пищевое и оборонительное поведение рыб на экспериментальных субстратах различной сложности (экологический и генетический аспекты) // Искусственные рифы для рыбного хозяйства. Сб. науч. трудов ВНИРО. М.: ВНИРО. С. 177.
  5. Герасимов Ю.В. 2008. Поведенческие механизмы пространственной дифференциации популяций рыб: Дис. … докт. биол. наук. М.: ИПЭЭ им. А.Н. Северцова.
  6. Герасимов Ю.В. 2012. Поведенческие механизмы трофической дифференциации у рыб- бентофагов // Вопр. ихтиологии. Т. 52. № 1. С. 96.
  7. Дюжикова Н.А., Даев Е.В. 2018. Геном и стресс-реакция у животных и человека // Экологическая генетика. Т. 16(1). С. 4. https://doi.org/10.17816/ecogen1614-26
  8. Камышев Н.Г., Брагина Ю.Б., Беседина Н.Г. и др. 2007. Матроклинное наследование поведенческих признаков: возможные механизмы // Экологическая генетика. Т. 4. С. 44.
  9. Климова Я.С. 2018. Влияниe природных и антропогенных факторов среды на показатели оксидативного стресса двустворчатых моллюсков сем. Dreissenidae: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Борок: Ин-т биологии внутр. вод РАН.
  10. Крушинский Л.В. 1991. Генетика и феногенетика поведения животных. Эволюционно-генетические аспекты поведения. М.: Наука. С. 259.
  11. Крушинский Л.В. 1960. Формирование поведения в зависимости от основных свойств нервной системы // Формирование поведения животных в норме и патологии. М.: Изд-во Москов. ун-та. C. 60.
  12. Лобашев М.Е. 1955. Изучение приспособления животных методом условных рефлексов // Журн. общ. биологии. Т. 16. Вып. 2. С. 96.
  13. Лобашев М.Е. 1960. О параллельных аналогичных и гомологичных рядах развития основных свойств высшей нервной деятельности в филогенезе животных // Сб. эвол. физиол. функц., М.–Л. С. 16.
  14. Лобашев М.Е., Лопатина Н.Г., Никитина И.А., Чеснокова Е.Г. 1962. О физиологическом механизме ориентации медоносной пчелы в пространстве // Успeхи соврем. биол. Т. 53(2). С. 152.
  15. Луданный Р.И. 2008. Генетическая идентификация и дифференциация представителей семейства Карповых (Cyprinidae): Дис. … канд. биол. наук. М.: Ин-т биол. гена РАН.
  16. Мещерякова О.В., Чурова М.В., Немова Н.Н. 2013. Межвидовые, возрастные и половые различия в активности цитохром с-оксидазы белых мышц у рыб из водоемов Северо-Запада России // Тр. Карельск. науч. центра РАН. № 3. С. 136.
  17. Москалев А.А. 2008. Старение и гены. СПб.: Наука.
  18. Москалев А.А. 2013. Генетика и эпигенетика старения и долголетия // Экологическая генетика. Т. 11. № 1. С. 3. https://doi.org/10.1134/S0042875219050163
  19. Никольский Г.В. 1963. Экология рыб. М.: Высш. шк.
  20. Озернюк Н.Д. 1985. Энергетический обмен в раннем онтогенезе рыб. М.: Наука.
  21. Павлов Е.Д., Звездин А.О., Павлов Д.С. 2019. Воздействие тиомочевины на миграционную активность анабаса Anabas testudineus и потребление им корма // Вопр. ихтиологии. Т. 59(5). С. 606.
  22. Поздняков А.А. 2022. Что такое Ламаркизм? // Lethaea rossica. Т. 25. C. 48. https://doi.org/10.34756/GEOS.2023.17.38594
  23. Пономаренко В.В., Маршин В.Г., Лобашев М.Е. 1964. Изучение наследования свойств высшей нервной деятельности при межпородных и межвидовых реципрокных скрещиваниях // Исследования по генетике. Изд-во ЛГУ. № 2. С. 8.
  24. Правдин И.Ф. 1966. Руководство по изучению рыб (преимущественно пресноводных). М.: Пищ. пром-сть.
  25. Проскурнина Е.В., Владимиров Ю.А. 2015. Свободные радикалы как участники регуляторных и патологических процессов // Биофизические медицинские технологии. Publisher: МАКС Пресс. С. 38.
  26. Рапаева Э.А., Кузьмина С.Н., Збарский И.Б. 1973. Окислительное фосфорилирование и АТРазная активность изолированных ядер и ядерных оболочек нейронов и глии головного мозга крыс // Биохимия. Т. 3(2). С. 298. https://doi.org/10.31857/S0042132421010233
  27. Рагим заде М.С. 1969. Изучение характера наследования свойств нервных процессов у реципрокных гибридов двух рас медоносных пчел в связи с наследованием пищедобывательной активности // Генетика поведения. Л.: Наука. С. 50.
  28. Решетников Ю.С., Паранюшкина Л.П., Кияшко В.И. 1970. Сезонные изменения белкового состава сыворотки крови и жирности сигов // Вопр. ихтиологии. Т. 10. Вып. 6. С. 1065.
  29. Смирнова Е.С., Герасимов Ю.В. 2010. Влияние условий среды в период раннего онтогенеза на формирование оборонительного поведения у молоди плотвы Rutilus rutilus (Cyprinidae) // Вопр. ихтиологии. Т. 50(1). С. 130.
  30. Столбунова В.В., Кодухова Ю.В. 2021. Наследование ITS1 рДНК у реципрокных гибридов плотвы Rutilus rutilus (L.) и леща Abramis brama (L.) в раннем онтогенезе // Успехи соврем. биол. Т. 141. № 1. С. 66.
  31. Столбунова В.В., Кодухова Ю.В. 2023. Ядерно-цитоплазматический конфликт у гибридов плотвы Rutilus rutilus и леща Abramis brama как следствие дивергенции видов по размерам тела и генома // Биология внутр. вод. № 1. С. 92. https://doi.org/10.31857/S0320965223010187
  32. Столбунова В.В., Боровикова Е.А. 2023. Влияние скорости замен в COXI на размер тела и половой отбор при гибридизации карповых рыб // Биология внутр. вод. № 6. С. 853. https://doi.org/10.31857/S0320965223060323
  33. Федорович Е.Ю. 2011. Развитие поведения животных в онтогенезе как результат их взаимодействия с окружением // Вопр. психологии. № 6. С. 56.
  34. Abramov A.Y., Smulders-Srinivasan T.K., Kirby D.M. et al. 2010. Mechanism of neurodegeneration of neurons with mitochondrial DNA mutations // Brain. V. 133(3). P. 797. https://doi.org/10.1093/brain/awq015
  35. Abrahams M.V., Healy M.C. 1993. A comparison of the willingness of four species of Pacific salmon to risk exposure to a predator // Oikos. V. 66(3). P. 439.
  36. Adriaenssens B., Johnsson J.I. 2011. Shy trout grow faster: Exploring links between personality and fitness-related traits in the wild // Behav. Ecol. V. 22. P. 135. https://doi.org/10.1093/beheco/ arq185
  37. Bolnick D.I., Near T.J., Wainwright P.C. 2006. Body size divergence promotes post-zygotic reproductive isolation in centrarchids // Evol. Ecol. Res. V. 8. P. 903. https://www.researchgate.net/publication/228718402
  38. Bucklin A., Steinke D., Blanco-Bercial L. 2011. DNA Barcoding of Marine Metazoa // Annu. Rev. Mar. Sci. V. 3. P. 471.
  39. Chandel N.S. 2014. Evolution of Mitochondria as Signaling Organelles // BMC Biol. V. 12. Р. 34. https://doi.org/10.1186/1741-7007-12-34
  40. Chapman B.B., Hulthén K., Blomqvist D.R. et al. 2011. To boldly go: Individual differences in boldness influence migratory tendency // Ecol. Letters. V. 14. P. 871. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2011.01648.x
  41. Cosmides L.M., Tooby J. 1981. Cytoplasmic inheritance and intragenomic conflict // J. Theor. Biol. V. 89(1). P. 83. https://doi.org/10.1016/0022-5193(81)90181-8
  42. Dien T.D., Ha V.T., Dang M. et al. 2023. Phenotypic divergences in growth and reproduction underpin the invasion of suckermouth armored catfish Pterygoplichthys disjunctivus (Loricariidae) into Lotic and Lentic Habitats in Vietnam // Water. V. 15. Р. 3616. https://doi.org/10.3390/w15203616
  43. Dos Santos Guimarães A., Maciel L.A.M., de Souza M.F.B., Rodrigues L.R.R. 2023. Karyotypic and Molecular Analysis of Pterygoplichthys pardalis (Castelnau, 1855) from the Lower Amazon River. V. 13. Р. 1533. https://doi.org/10.3390/ani13091533
  44. Duckworth R.A. 2009. Maternal effects and range expansion: a key factor in a dynamic process? // Phil. Trans. R. Soc. B. V. 364. P. 1075. https://doi.org/10.1098/rstb.2008.0294
  45. Fargallo J.A., Laaksonen T., Korpima¨ki E. et al. 2003 Size-mediated dominance and begging behaviour in Eurasian kestrel broods // Evol. Ecol. Res. V. 5. P. 549.
  46. Forseth T., Ugedal O., Jonsson B. 1994. The energy budget, niche shift, reproduction and growth in a population of Arctic charr, Salvelinus alpines // J. Anital. Ecol. V. 63. P. 116.
  47. Grummt I., Voit R. 2010. Linking rDNA transcription to the cellular energy supply // Cell cycle (Georgetown, Tex). V. 9(2). P. 225. https://doi.org/10.4161/cc.9.2.10614
  48. Hubbs C.L., Kuronuma K. 1942. Hybridization in nature between two genera of flounders in Japan // Papers of Michigan Acad. Sci., Arts and Letters. V. 27. P. 267.
  49. Hayakawa K., Esposito E., Wang X. et al. 2016. Transfer of mitochondria from astrocytes to neurons after stroke // Nature. V. 535. P. 551. https://doi.org/10.1038/nature18928
  50. Hill G.E., Johnson J.D. 2013. The mitonuclear compatibility hypothesis of sexual selection // Proc. Biol. Sci. Р. 2013280. https://doi.org/10.1098/rspb.2013.1314
  51. Jonsson B., Jonsson N. 1993. Partial migration: niche shift versus sexual maturation in fishes // Rev. in Fish Biol. and Fish. V. 3. P. 348.
  52. Koonin E.V., Wolf Y.I. 2006. Evolutionary Systems Biology: Links Between Gene Evolution and Function // Curr. Opin. Biotechnol. V. 17. P. 481. http://genomebiology.com/2010/11/5/209
  53. Lane N., Martin W. 2010. The energetics of genome complexity // Nature. V. 467. P. 929. https://doi.org/10.1038/nature09486
  54. Lane N. 2011. Mitonuclear match: optimizing fitness and fertility over generations drives ageing within generations // Bioessays. V. 33. P. 860. https://doi.org/10.1002/bies.201100051
  55. Lee H.-Ch., Wei Y.-H. 2005. Mitochondrial biogenesis and mitochondrial DNA maintenance of mammalian cells under oxidative stress // Int. J. Biochem. Cell Biol. V. 37. P. 822. https://doi.org/10.1016/j.biocel.2004.09.010
  56. Lin J., Epel E. 2021. Stress and Telomere Shortening: Insights from Cellular Mechanisms // Ageing Res. Rev. V. 73(14). Р. 101507. https://doi.org/10.1016/j.arr.2021.101507
  57. Liu J., Liu C., Finkel T. 2011. Oxidants, Metabolism and Stem Cell Biology // Free Radic Biol. Med. V. 51(12). Р. 2158. https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2011.10.434
  58. Marckmann K. 1954. Is there any correlation between metabolism, and number of vertebrae (and other meristic characters) in the sea trout (Salmo trutta trutta L.) // Medd. Dan. fisk.-og havUnders. V. 1. № 3. P. 1.
  59. Nelson J.S., Grande T.C., Wilson M.V.H. 2016. Fishes of the world. N.Y.: John Wiley & Sons.
  60. Ocalewicz K., Jankun M., Boron A. 2004. Karyotypic characterization of bream, Abramis brama (Pisces, Cyprinidae) // Folia Zoologica. V. 53. P. 329.
  61. Pierce B.A., Mitton J.B. 1980. The relationship between genome size and genetic variation // Am. Nat. V. 116. P. 850.
  62. Rand D.M., Haney R.A., Fry A.J. 2004. Cytonuclear coevolution: the genomics of cooperation // Trends Ecol. Evol. V. 19. P. 645. https://doi.org/10.1016/j.tree.2004.10.003
  63. Richard G.F., Kerrest A., Dujon B. 2008. Comparative genomics and molecular dynamics of DNA repeats in eukaryotes // Microbiol. Mol. Biol. Rev. V. 72. № 4. P. 686. https://doi.org/10.1128/MMBR.00011-08
  64. Ryan M.T., Hoogenraad N.J. 2007. Mitochondrial-Nuclear Communications // Annu. Rev. Biochem. V. 76(1). P. 701. https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.76.052305.091720
  65. Schrader M., Fuller R.C., Travis J. 2013. Differences in offspring size predict the direction of isolation asymmetry between populations of a placental fish // Biol. Letters. V. 9. № 55. P. 20130327. https://doi.org/10.1098/rsbl.2013.0327
  66. Shipley J.R., Campbell P., Searle J.B., Pasch B. 2016. Asymmetric energetic costs in reciprocal-cross hybrids between carnivorous mice (Onychomys) // J. Exp. Biol.V. 219. P. 3803. https://doi.org/10.1242/jeb.148890
  67. Skov C., Baktoft H., Brodersen J. et al. 2011. Sizing up your enemy: individual predation vulnerability predicts migratory probability // Proc. R. Soc. Lond. B. V. 278. P. 1414. https://doi.org/10.1098/rspb.2010.2035
  68. Thorpe J.E. 1986. Age at first maturity in Atlantic salmon, Salmo salar: freshwater period influences and conflicts with smolting // Can. Spec. Publ. Fish Aquat. Sci. V. 89. P. 7.
  69. Villani G., Attardi G. 1997. In vivo control of respirationby cytochrome c oxidase in wild-type and mitochondrial DNA mutation-carrying human cells // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 94. P. 1166.
  70. Von Zglinicki T. 2002. Oxidative stress shortens telomeres // Trends. Biochem. Sci. V. 27(7). P. 339. https://doi.org/10.1016/s0968-0004(02)02110-2
  71. Wallace D.C. 2007. Why do we still have a maternally inherited mitochondrial DNA? Insights from evolutionary medicine // Annu. Rev. Biochem. V. 76. P. 781. https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.76.081205.150955
  72. Wallace D.C., Fan W. 2010. Energetics, epigenetics, mitochondrial genetics // Mitochondrion. V. 10(1). Р. 12. https://doi.org/10.1016/j.mito.2009.09.006

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».