Genetic consequences of the dramatic decline in the north-west pre-caspian saiga (Saiga tatarica tatarica) population: a comparison of modern and museum samples on mtDNA and microsatellite loci

全文:

Существенное и длительное снижение численности популяций и связанные с этим процессы (известные, как “прохождение через бутылочное горлышко”), в ряде случаев могут приводить к значительной утрате генетического разнообразия животных (Avise, 2000; Неверова и др., 2020). В популяциях, прошедших через “бутылочное горлышко”, эффективная численность (Ne) может значительно снижаться, что, в свою очередь, может негативно отражаться на генетическом разнообразии и приводить к повышению вероятности возникновения инбридинга. В результате возникновения инбредной депрессии существует большой риск снижения репродуктивной способности, ухудшения сопротивляемости особей к заболеваниям, повышения смертности молодняка, что в дальнейшем может привести к неблагоприятным последствиям для существования той или иной популяции (Soule, 1987; Luikart et al.,1998; Приходько, 2003; Frankham, 2005; Willi et al., 2006; Pekkala et al., 2014; Bundgaard et al., 2021).

Сайгак (Saiga tatarica) на протяжении всего своего существования испытывал колебания численности (Банников и др., 1961; Кириков, 1966; Жирнов, 1998а; Жирнов и др., 1998а; Жирнов, Максимук, 1998). Его ареал еще в начале XVIII в. простирался от причерноморских степей на западе до аридных территорий Китая на востоке (Кириков, 1966). К началу XX в. под воздействием различных антропогенных и природных факторов сайгак сохранился только в нетронутых человеком самых глухих уголках Северо-Западного Прикаспия и Туранской низменности, а общая его численность сократилась предположительно до 1000 особей (Банников и др., 1961). К середине ХХ в. в результате принятия жестких охранных мер сайгак восстановил свое распространение на территории Евразии, и заселил пригодные для постоянного обитания участки аридных регионов, сформировав пять популяций: четыре трансграничные номинативного подвида (S. t. tatarica) – Бетпакдалинскую, Уральскую, Устюртскую (на территории Казахстана) и Северо-Западного Прикаспия (на территории России); и одну монгольского подвида – S. t. mongolica (=S. borealis), населяющую Западную Монголию (Банников и др., 1961, Жирнов и др., 1998а; Каримова и др., 2021).

Последнее критическое снижение численности сайгака произошло в конце 1990-х гг. в результате распада Советского Союза, и последовавшим за этим многолетним экономическим кризисом и ростом браконьерства по всему ареалу. В 1995 г. было принято решение о включении вида в Приложение II СИТЕС, а в 2002 г. – в Красный список МСОП (IUCN) как “критически угрожаемый вид”, и в Приложение II Конвенции по сохранению мигрирующих видов диких животных (CMS). Низкий уровень численности сайгака на территории России послужил основанием для включения вида в 2021 г. в Красную книгу Российской Федерации (Красная книга..., 2021). В нашей стране в целях повышения эффективности охраны редких и находящихся под угрозой исчезновения видов, в 2014 г. утверждена Стратегия сохранения таких видов (Стратегия..., 2014), в которой особое место отведено генетическому мониторингу, и которому также уделяется большое внимание в ряде программ по сохранению отдельных редких видов (Стратегия..., 2010, 2021а; Рожнов и др., 2010, 2018 и др.). Исследования генетического разнообразия вида также являются неотъемлемой частью Стратегии по сохранению сайгака (Saiga tatarica Linnaeus, 1766) в Российской Федерации (Стратегия..., 2021б).

Популяция сайгака Северо-Западного Прикаспия, обитающая в России, населяет юго-западные районы Астраханской области (Лиманский район) и восточные районы Республики Калмыкия (Яшкульский и Черноземельский районы). Считается, что эта популяция в настоящее время изолирована от других (Каримова и др., 2021). Ее численность, несмотря на все предпринимаемые меры охраны и отмечающуюся тенденцию увеличения количества животных (Богун, 2019), остается на стабильно невысоком уровне. В конце 1950-х гг. численность сайгака этой популяции насчитывала около 800 тыс. особей (Банников и др., 1961), но уже к концу 1980-х гг. из-за промысла и интенсивного освоения степных территорий ее численность сократилась до 150–160 тыс. (Жирнов, Максимук, 1998). К 2015 г. по экспертным оценкам в популяции насчитывалось всего 4–5 тыс. особей (Каримова, Лущекина, 2018). Таким образом, с 1998 г. по 2016 г. общая численность сайгака в популяции Северо-Западного Прикаспия сократилась в 40 раз (Каримова, Лущекина, 2018), а эффективная численность популяции уменьшилась практически в 80 раз (Kashinina et al., 2023).

Рога сайгака, имеющиеся только у самцов, издавна используются в традиционной китайской медицине. Поэтому браконьерская охота на взрослых самцов – до недавнего времени считалась главной причиной нарушения половой структуры популяций (Близнюк, 1995; 2009; Жирнов, 1998а, 1998б; Жирнов, Максимук, 1998; Каримова и др., 2020). Из-за целенаправленного отстрела доля половозрелых самцов в популяции сайгака Северо-Западного Прикаспия с середины 80-х гг. прошлого века до 2002 г. сократилась с 14.9–30.4% (Близнюк, 2009) до 1% (по экспертным оценкам), при пороговом значении в 2.5% (Milner-Gulland et al., 2003; Каримова, Лущекина, 2018). Из-за такого критически низкого процента самцов большинство самок в начале второго тысячелетия оставались яловыми (до 63.8% молодых и 28.3% взрослых), хотя обычно для этого вида при нормальном соотношении полов в размножении участвует более 90% всех самок (Близнюк, 2009).

Все эти неблагоприятные события в демографической истории популяции могли иметь негативные последствия для генетического разнообразия сайгака, обитающего на территории Северо-Западного Прикаспия.

В недавней работе (Kashinina et al., 2023) было описано генетическое разнообразие в популяции сайгака Северо-Западного Прикаспия, где сравнивались образцы двух временных промежутков: конец 1990-х гг., когда началось стремительное снижение численности этой популяции, и в период ее минимальной численности – 3–5 тыс. особей (2010, 2011 и 2016 гг.). Значимых различий в показателях разнообразия обнаружено не было, генетическая дистанция между этими выборками оказалась равна нулю, но показан высокий уровень разнообразия контрольного региона мтДНК (H = 0.91, π = 0.03), и довольно низкий уровень разнообразия микросателлитных локусов ядерной ДНК (яДНК) (Ho = 0.422, He = 0.514), а кроме того, повышенный коэффициент инбридинга (Fis = 0.181) (Kashinina et al., 2023).

Для более полного понимания существования каких-либо генетических последствий последнего резкого снижения численности сайгака в популяции Северо-Западного Прикаспия возникла необходимость определения генетического разнообразия животных более раннего исторического периода: именно в то время, когда их численность была особенно высокой, и последующего сравнения результатов, полученных для музейных и современных образцов.

Цель работы: Выявить возможные последствия резкого снижения численности сайгака в популяции Северо-Западного Прикаспия на полиморфизм контрольного региона мтДНК и микросателлитных локусов ядерной ДНК при сравнении музейных образцов, собранных на пике восстановления численности популяции в середине ХХ в., и на современном этапе продолжающейся ее депрессии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Образцы для молекулярно-генетического анализа были получены из Зоологического музея МГУ, где было отобрано 30 (16 самок и 14 самцов) проб стружки из нижней челюсти сайгаков. Все образцы были собраны в 1957 и 1958 гг. на территории Республики Калмыкия в период, когда в популяции Северо-Западного Прикаспия в период размножения насчитывалось 540 тыс. особей. Характеристика образцов представлена в табл. 1. В связи с сильной деградацией ДНК из анализа мтДНК было исключено 7 образцов (n = 23), а из анализа микросателлитных локусов – 1 образец (n = 29).

 

Таблица 1. Характеристика образцов S. tatarica из Зоологического музея МГУ, отобранных для генетического анализа

№ образца	Год сбора	Место сбора. Коллектор	Пол, возраст	Контрольный регион	Микро-саттелитные локусы	№ гаплотипа в ГенБанке
S61239	1957	Калмыцкие степи, Белозерный. А. Банников	m, ad		*
S61240	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	m, ad	*	*	OR227835
S61241	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	f, ad		*
S61242	1957	Калмыкия, Белозерный-Полынный. А. Банников	m, sub.ad		*
S61244	1957	Калмыкия, окр. Меклеты. А. Банников	m, sub.ad	*	*	OR227839
S61246	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	f, ad	*	*	OR227836
S61247	1957	Калмыкия, окр. Адыка. А. Банников	f, sub.ad	*	*	OR227837
S61248	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	f, ad	*	*	OR227837
S61249	1957	Калмыкия, с/з Полынный. А. Банников	f, ad	*	*	OR227838
S61250	1957	Калмыкия, окр. Адыка. А. Банников	F	*	*	OR227839
S61251	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	m, sub.ad	*	*	OR227840
S61252	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	m, sub.ad	*	*	OR227839
S61253	1957	Калмыкия, окр. Северного. А. Банников	m, sub.ad	*	*	OR227838
S61254	1957	Калмыкия, Черноземельск. А. Банников	M	*	*	OR227841
S61255	1957	Калмыкия. А. Банников	m, sub.ad	*	*	OR227842
S61256	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	m, sub.ad	*	*	OR227839
S61257	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	m, sub.ad	*	*	OR227843
S61258	1957	Калмыкия, окр. Сарпы. А. Банников	m, sub.ad		*
S61260	1957	Калмыкия. А. Банников	M	*	*	OR227839
S61261	1957	Калмыкия. А. Банников	M		*
S61262	1957	Калмыкия. А. Банников	F	*	*	OR227844
S61275	1958	Калмыкия. Фандеев	F	*	*	OR227839
S61276	1958	Калмыкия. Фандеев	F	*	*	OR227837
S61277	1958	Калмыкия. Фандеев	F	*	*	OR227837
S61278	1958	Калмыкия. Фандеев	F	*	*	OR227845
S61279	1958	Калмыкия. Фандеев	F	*	*	OR227845
S61280	1958	Калмыкия. Фандеев	F	*	*	OR227837
S61281	1958	Калмыкия. Фандеев	F
S61282	1958	Калмыкия. Фандеев	F	*	*	OR227846
S61283	1958	Калмыкия. Фандеев	F		*

Примечание. m – самцы; f – самки; ad – взрослое животное; sub.ad – молодое животное; знаком “*” обозначены получившиеся маркеры для каждого образца.

 

Первичная пробоподготовка проводилась на территории Зоологического музея МГУ. Перед началом выделения ДНК кости были протерты дистиллированной водой, а затем 70% спиртом от поверхностных загрязнений. Наиболее подходящий для взятия материала участок кости шлифовался с использованием ручной дрели Proxxon (Германия), затем кость повторно промывали водой для устранения поверхностной костяной крошки. На месте шлифованной области с помощью дрели и насадок стачивали кость до состояния костной муки. Около 100 мг костной муки от каждого образца собирали в отдельные пробирки и хранили в холодильнике.

Все дальнейшие лабораторные работы и статистические расчеты были выполнены в Кабинете методов молекулярной диагностики ИПЭЭ РАН, входящего в состав ЦКП “Инструментальные методы в экологии”.

Для предотвращения контаминации и кросс-контаминации выделение ДНК проводилось в отдельном ПЦР-боксе, предварительно обработанным раствором DNA-ExitusPlus (AppliChem, Германия), затем – дистиллированной водой, и прожженным ультрафиолетом в течение 15–20 мин. Образцы выделялись в 4 партии, после каждой из них проводилась такая же обработка.

ДНК из костной муки была выделена с помощью набора QIAamp DNA Investigator Kit (Qiagen, Германия) с использованием протокола “Isolation of Total DNA from Bones and Teeth” с некоторыми модификациями: увеличением времени лизиса до суток и повторным внесением протеиназы К через 12 ч. Для исключения возможности контаминации постоянно ставился отрицательный контроль выделения и ПЦР-амплификации.

Для сравнения полученных данных было использовано 86 образцов, взятых от сайгаков, собранных в 1999–2016 гг. на территории Северо-Западного Прикаспия, и проанализированных нами ранее. Номера этих гаплотипов в ГенБанке (GenBank, NCBI): MT150278-MT150328 (Kashinina et al., 2023).

В качестве молекулярных маркеров использовались: фрагмент контрольного региона мтДНК, а также восемь аутосомных микросателлитных локусов ядерной ДНК, разработанных ранее специально для сайгака (Nowak et al., 2013), и использованных для анализа современного генетического разнообразия сайгака (Kashinina et al., 2023).

Амплификацию контрольного региона мтДНК проводили в 20 мкл общей реакционной смеси, содержащей 4 мкл 5x Master Mix (Диалат, Россия) с добавлением 0.5 ед. полимеразы SmartTAQ (Диалат, Россия), прямого FDL (5'-CCACTATCAACACCCAAAGCTG-3') (Sorokin et al., 2011) и обратного gs1sr (5'-GAGATGGCCCTGAAGAAAGAA-3') праймеров. С помощью этой пары праймеров удалось амплифицировать часть контрольного региона мтДНК – левый гипервариабельный участкок длиной 448 п.н. Амплификация проводилась при следующих условиях: I – 94°C – 3 мин; II – 94°C – 30 с, 60°C – 30 с, 72°C – 1 мин 20 с (40 циклов); III – 72°C – 6 мин. Очистку ПЦР-продукта проводили методом осаждения в 96% этиловом спирте с ацетатом натрия. Визуализацию результатов ПЦР осуществляли при проведении электрофореза в 1.5% агарозном геле в TBE буфере, с добавлением бромистого этидия. Определение нуклеотидных последовательностей продукта амплификации выполняли на автоматическом генетическом анализаторе ABI 3130 (Thermo Fisher Scientific, США) с использованием набора реактивов Big Dye Terminator kit 3.1 (Thermo Fisher Scientific, США) с прямым и обратным праймерами, использованными при ПЦР-амплификации.

Амплификацию восьми микросателлитных локусов (STa14, STa20, STa26, STa30, STa39, STa41, STa43, STa47) осуществляли в мультиплексах, при режиме, описанном ранее (Kashinina et al., 2023). Фрагментный анализ продуктов амплификации выполняли на автоматическом генетическом анализаторе ABI 3130 (Thermo Fisher Scientific, США) с использованием маркера молекулярного веса СД-450 (Синтол, Россия). В качестве положительного контроля и для калибровки использовали 8 современных образцов, данные для которых также были получены ранее. Генотипы контрольных образцов из современной выборки полностью совпадали с данными, полученными ранее (Kashinina et al., 2023). Для уменьшения ошибок из-за выпадения аллелей и появления ложных аллелей амплификацию каждого локуса проводили от 4 до 6 раз (Taberlet et al., 1996; 1999). При получении гетерозиготы у образца при трех независимых амплификациях из четырех, особь принималась за гетерозиготную. Если при четырех амплификациях вероятность гетерозиготы составляла 50%, то проводили еще два. В этом случае гетерозигота принималась при четырех случаях из шести. Таким образом, только у одного музейного образца сайгака из 30 не удалось определить микросателлитный профиль.

Статистический анализ

Анализ контрольного региона мтДНК. Выравнивание нуклеотидных последовательностей осуществляли вручную с помощью программы Bioedit 7.1.9 (Hall, 1999). В программе Arlequin 3.5.1.2 (Excoffier, Lischer, 2010) были рассчитаны показатели внутрипопуляционной изменчивости – гаплотипическое (генное, H) и нуклеотидное (π) разнообразие, нуклеотидный состав, количество изменчивых сайтов, трансзиций/трансверсий, был проведен тест на нейтральность Таджимы (Tajima`s D) (Tajima, 1989а, 1989b), а также рассчитан индекс Харпендинга (raggedness index, r) для оценки типа экспансии. Для построения медианных сетей гаплотипов контрольного региона мтДНК использовали программу Network 10 (Bandelt et al., 1999). Последовательности контрольного региона мтДНК музейных образцов сравнивали с таковыми, полученными нами ранее для образцов современных сайгаков (Kashinina et al., 2023).

Анализ микросателлитных локусов ядерной ДНК. Результаты фрагментного анализа считывали с помощью программы Gene Mapper 4.1 (Thermo Fisher Scientific, США). Для оценки количества кластеров (K) использовалось программное обеспечение STRUCTURE 2.3.4 (Pritchard et al., 2000). Заданное число кластеров K было от 1 до 5, использованная модель – LOCPRIOR, количество повторностей MCMC (interaction) – 500 000. Продолжительность периода (burning period) составила 50 000, количество циклов – 4. Оптимальное число кластеров К было рассчитано согласно алгоритму, основанному на величине ΔК с помощью приложения STRUCTURE HARVESTER (Earl, von Holdt, 2012) по методу Эванно (Evanno et al., 2005). Для расчета общего числа аллелей (Na), числа эффективных аллелей (Ne), наблюдаемой (Ho) и ожидаемой гетерозиготности (He), коэффициента инбридинга (Fis) были использованы макросы GenAlEx 6.4. (Peakall, Smouse, 2006; 2012) для Microsoft Office Excel. С помощью этой же программы по каждому локусу мы оценили отклонения от равновесия Харди – Вайнберга (HWE) и значение коэффициента информативности (I) (Brown, Weir, 1983), являющегося показателем генетического разнообразия, эквивалентным индексу Шеннона-Уивера (Shannon-Weaver Index) в экологии. Вероятность наличия «нулевого аллеля» (Fnull) рассчитывали в программе CERVUS 3.0.7 (Kalinowski et al., 2007).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Контрольный регион мтДНК. Фрагмент последовательности контрольного региона мтДНК длиной 448 п.н. был получен для 23 музейных образцов. Нуклеотидный состав последовательностей контрольного региона был следующим: C – 21.68%, G – 14.78%, T – 30.10%, A – 33.44%, что соответствует митохондриальному геному. Из 46 полиморфных сайтов было выявлено 40 замен, из них 39 транзиций и одна трансверсия. Кроме того, в двух образцах было обнаружено две индели (длиной от 1 до 5 нуклеотидов).

По результатам выравнивания было описано 12 гаплотипов, четыре из них отмечены у 2–6 образцов, остальные были уникальными. Все гаплотипы были зарегестрированы в ГенБанке под номерами OR227835–OR227846. Для анализа филогенетических отношений была построена медианная сеть гаплотипов контрольного региона мтДНК музейных образцов сайгака (рис. 1).

 

Рис. 1. Медианная сеть гаплотипов по фрагменту контрольного региона мтДНК (448 п.н.) музейных образцов сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия. Мутационные позиции обозначены на ветвях вертикальными линиями, а диаметр кругов пропорционален числу образцов в гаплотипах.

 

Гаплотипическое (H) и нуклеотидное (π) разнообразие в выборке музейных образцов сайгака составило 0.893 ± 0.044 и 0.03 ± 0.016 соответственно.

Для того чтобы понять, повлияло ли последнее резкое снижение численности на генетическое разнообразие сайгака в популяции Северо-Западного Прикаспия, к выборке музейных образцов 1957–1958 гг. мы добавили современные (1999–2016 гг.) образцы сайгака (n=86), которые уже были проанализированы нами ранее (Kashinina et al., 2023). Для сравнительного анализа последовательности контрольного региона мтДНК современных образцов (длиной 920 п.н.) были обрезаны до 448 п.н.

Для установления филогенетических отношений между гаплотипами музейных и современных образцов была построена медианная сеть гаплотипов. Современных гаплотипов было 28. Суммарное количество гаплотипов – 31, девять из которых были общими для музейной и современной выборок, что составило около 29% от всех гаплотипов. Кроме того, для музейных образцов было описано три уникальных гаплотипа (рис. 2).

 

Рис. 2. Медианная сеть гаплотипов контрольного региона мтДНК сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия (448 п.н.). Черным цветом обозначены музейные образцы (1957–1958 гг.) Белым цветом обозначены современные образцы (1999–2016 гг.). Мутационные позиции обозначены на ветвях вертикальными линиями, а диаметр кругов пропорционален числу образцов в гаплотипах.

 

Уровни полиморфизма контрольного региона мтДНК музейных образцов сайгака, собранных на пике численности популяции во время ее восстановления (1957–1958 гг.), и современных образцов, собранных в период глубокой депрессии численности (1999, 2000, 2010, 2011 и 2016 гг.) отличались незначительно (табл. 2). Это может говорить о том, что последнее снижение численности не было критическим для этой популяции и не оказало заметного влияния на генетическое разнообразие материнских линий сайгака, обитающего на территории Северо-Западного Прикаспия. Интересно, что индекс Таджимы (табл. 2) был слабо положительным и недостоверным в обеих выборках, в популяции 1999–2016 гг. он был несколько выше.

 

Таблица 2. Показатели генетического разнообразия для музейных и современных образцов сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия

Выборка	Музейная	Современная
H ± S.E.	0.911 ± 0.02	0.893 ± 0.044
π ± S.E.	0.035 ± 0.017	0.032 ± 0.016
Tajima's D	0.703/0.81*	0.942/0.89*
Raggedness index (r) (гипотеза демографической экспансии)	0.06/0.036*	0.022/0.003*
Raggedness index (r) (гипотеза пространственной экспансии)	0.06/0.309*	0.022/0.566*

Примечание. H – гаплотипическое разнообразие; π – нуклеотидное разнообразие; S.E. – стандартная ошибка; Tajima's D – индекс Таджимы; Raggedness index (r) – индекс Харпендинга. * Значение показателя/уровень статистической значимости (p).

 

Для популяции сайгака Северо-Западного Прикаспия характерны широкие колебания численности. Например, значительное снижение численности сайгака было в начале прошлого столетия, о нем упоминают многие авторы (Банников и др., 1961; Жирнов, Максимук, 1998; Данилкин, 2005). При этом последующий рост численности популяции сайгака Северо-Западного Прикаспия имел взрывной характер и был слишком коротким для того, чтобы отразиться на значении показателей полиморфизма контрольного региона мтДНК. Необходимо отметить, что для сайгака характерна наиболее высокая среди диких жвачных скорость восстановления численности. Практически все самки при нормальном соотношении полов участвуют в размножении, начиная репродуктивный период уже на первом году жизни, и приносят одного детеныша в первый год, и по два – в последующие (Банников и др., 1961). Кроме того, стоит обратить внимание на неравновесность исследованных нами выборок (23 музейных образца и 86 современных) и относительно небольшое количество проанализированных музейных образцов.

Форма графиков распределения частот парных нуклеотидных различий между гаплотипами (Mismatch distribution), отражающая историю демографических изменений, происходивших в популяциях (Rogers, Harpending, 1992; Rogers, 1995, 1997), имеет неоднородную структуру, включающую несколько пиков (рис. 3). Для обеих выборок был рассчитан индекс Харпендинга (raggedness index, r) (табл. 2). Статистически незначимое значение индекса Харпендинга (Harpending, 1994) подтверждает наличие пространственной экспансии, как для музейных, так и для современных образцов. Признаков демографической экспансии не наблюдалось. Соотношение кривых, построенных по наблюдаемым и моделируемым частотам парных различий для демографической и пространственной экспансий обеих выборок образцов сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия, показано на рис. 3.

 

Рис. 3. Графики распределения частот (ось ординат) величин парных нуклеотидных различий (ось абсцисс) между гаплотипами фрагмента контрольного региона мтДНК (450 п.н.) сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия: а – для демографической и б – для пространственной экспансий.

 

Наличие пространственной экспансии для музейных образцов и современной выборки сайгаков Северо-Западного Прикаспия хорошо подтверждает отсутствие изоляции этой популяции в прошлом, поскольку скорость мутирования мтДНК не позволяет отследить события, произошедшие полвека назад. Пространственная экспансия случалась в годы высокой численности, отмечавшейся в популяции сайгака Северо-Западного Прикаспия. Так, в Европе в XVII–XVIII вв. сайгак заселял междуречье Дона и Волги, т. е. всю степную и пустынную зоны, достигая берегов Волги, а к середине ХХ в. на правобережье Волги он достиг возможных границ своего распространения. Будучи неплохими пловцами, сайгаки в состоянии преодолевать водные преграды, и известны случаи, когда они переплывали такие крупные реки, как Волга или Урал в их нижнем течении (Жирнов, 1982). В настоящее время ареалы популяций сайгака (в первую очередь это касается популяции Северо-Западного Прикаспия) пространственно разобщены, однако при росте численности может происходить обмен животными между популяциями (Стратегия..., 2021).

Микросателлиты. Микросателлитный анализ был проведен для 29 музейных образцов сайгака. Средняя ожидаемая гетерозиготность выборки была равна 0.47, наблюдаемая – 0.46, но показатели различались по разным локусам (табл. 3).

 

Таблица 3. Показатели генетического разнообразия для каждого микросателлитного локуса музейных и современных образцов сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия

Показатели	STa14	STa20	STa26	STa41	STa30	STa39	STa43	STa47
N	28/95	29/95	27/94	28/95	29/95	29/95	29/95	29/95
Na	2/2	2/4	3/6	8/9	2/2	6/7	7/8	3/3
Ne	1.88/1,96	1.11/1,21	2.09/2,41	4.83/5,15	1.49/1,47	3.11/3,38	4.31/4,03	1.15/1,40
I	0.66/0.68	0.20/0.35	0.84/1.03	1.75/1.79	0.51/0.50	1.43/1.43	1.62/1.63	0.29/0.56
Ho	0.54/0.41	0.10/0.19	0.70/0.49	0.75/0.76	0.21/0.13	0.48/0.67	0.76/0.48	0.14/0.24
He	0.47/0.49	0.1/0.17	0.52/0.59	0.79/0.81	0.33/0.32	0.68/0.70	0.77/0.75	0.13/0.29
Fis	–0.14/0.16	–0.06/–0.09	–0.35/0.16	0.05/0.06	0.37/0.61	0.29/0.04	0.01/0.36	–0.06/0.15
HWE	ns/ns	ns/ns	ns/***	ns/ns	*/***	***/ns	ns/***	ns/*
Fnull	–0.07/0.09	–0.02/−0.04	–0.16/0.1	0.03/0.03	0.23/0.43	0.15/0.03	0.01/0.22	–0.03/0.07

Примечание. N – количество образцов; Na – количество аллелей; Ne – количество эффективных аллелей; Ho – наблюдаемая гетерозиготность; He – ожидаемая гетерозиготность; I – коэффициент информативности Шеннона; Fis – индекс фиксации; HWE – значения вероятности, полученные с помощью теста Харди–Вайнберга (ns = not significant; * P <0.05; *** P < 0.001); Fnull – нуль-аллель. Жирным шрифтом выделены показатели для музейной выборки, без выделения – для современной, опубликованные ранее (Kashinina et al., 2023).

 

Для того чтобы проверить наличие генетических последствий снижения численности сайгака с конца ХХ в., мы объединили две разновременные выборки: к музейным образцам (n = 29) были добавлены современные (n = 86)

При обработке данных, полученных с помощью программы STRUCTURE, оказалось, что согласно алгоритму, основанному на величине ΔК, оптимальное число кластеров для объединенной выборки K = 2. При этом распределение по выделенным программой кластерам в обеих выборках было сходным (рис. 4).

 

Рис. 4. Кластеризация образцов сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия в программе STRUCTURE 2.3.4. (K = 2).

 

В результате анализа восьми микросателлитных локусов ядерной ДНК у музейных образцов сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия установлен невысокий уровень изменчивости, сопоставимый с современным уровнем. По частотам аллелей выборки образцов отличались мало. Значение наблюдаемой гетерозиготности (Ho) было несколько выше у музейных образцов, а ожидаемой (He), наоборот, ниже (табл. 4).

 

Таблица 4. Средние показатели генетического разнообразия микросателлитных локусов, полученные для музейных и современных образцов сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия

Показатели ± S.E.	Музейные (n = 29)	Современные (n = 86)
Na	4.13 ± 0.86	5.13 ± 0.97
Ne	2.5 ± 0.51	2.63 ± 0.50
I	0.91 ± 0.22	0.1 ± 0.2
Ho	0.46 ± 0.1	0.42 ± 0.08
He	0.47 ± 0.1	0.51 ± 0.08
Fis	0.02 ± 0.08	0.18 ± 0.08
AR	4.09	4.3

Примечание. Na – количество аллелей; Ne – количество эффективных аллелей; Ho – наблюдаемая гетерозиготность; He – ожидаемая гетерозиготность; I – коэффициент информативности Шеннона; Fis – коэффициент инбридинга; AR – аллельное разнообразие; S.E. – стандартная ошибка.

 

Интересно, что аллельное разнообразие (AR) оказалось несколько выше в образцах современных сайгаков. Отклонение от Харди-Вайнберга было выявлено по двум локусам в музейной выборке, и по 4 другим локусам – в современной (Kashinina et al., 2023). Основное отличие выборок музейных и современных образцов сайгака – существенная разница в средних значениях коэффициента инбридинга (Fis). У современного сайгака популяции Северо-Западного Прикаспия значение этого коэффициента оказалось на порядок выше, чем у сайгаков середины прошлого века в период высокой численности (0.18 и 0.02, соответственно).

В обеих выборках образцов в локусе STa30 был обнаружен существенный недостаток гетерозигот, что может быть результатом выпадения аллелей в музейном материале, или наличия нуль-аллелей (Fnull). Мы проверили наличие нуль-аллелей, их значения приведены в табл. 3. Оказалось, что Fnull для локуса STa30 составляет 0.23. Однако исключение этого локуса из анализа не привело к изменению значений показателей гетерозиготности и порядок значений Fis не изменился (для музейной выборки он составил –0.04, а для современной – 0.12). Известно, что высокий уровень инбридинга во многих случаях сопровождается инбредной депрессией (Soule, 1987; Luikart et al.,1998; Приходько, 2003; Frankham, 2005; Willi et al., 2006; Pekkala et al., 2014; Bundgaard et al., 2021). Скорость падения численности сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия в конце ХХ в. – начале ХХI в. настораживает. Как указывает в своей работе А. Куль с соавторами (Kuhl et al., 2009), это одно из самых быстрых сокращений численности, зарегистрированных когда-либо для млекопитающих в мире. Особенно сильное опасение вызывает снижение эффективной численности (Ne). Используя формулу Райта, измененную для гаремных животных (Wright, 1949; Nomura, 2002), мы рассчитали эффективную численность сайгака исследуемой популяции за 1958 г. Она составила 331125 особей, при учетной численности в 540000, соотношение самцов и самок при этом было около 1:2.8 (Банников, 1961; Жирнов и др., 1998б), а доля самцов в популяции – 26.3%. В современной популяции в период с 1998 по 2016 доля самцов составляла в среднем около 8% (минимальная 1.1%), при общей крайне небольшой численности животных. Вероятно, такое существенное снижение доли взрослых самцов и огромная разница в эффективной численности в разные исторические периоды популяции может объяснить полученное нами различие в коэффициентах инбридинга между двумя разновременными выборками, которое, в свою очередь, может быть самым первым сигналом о снижении генетического разнообразия сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате сравнительного анализа выборок музейных образцов сайгаков из популяции Северо-Западного Прикаспия, собранных на пике восстановления численности (середина ХХ в.), и современных, периода последней глубокой депрессии (конец ХХ – начало ХХI вв.), по полиморфизму контрольного региона мтДНК выраженных различий выявлено не было. Анализ мтДНК обеих выборок выявил в истории данной популяции признаки наличия пространственной экспансии, что позволяет предположить, что в разные исторические периоды популяция сайгака, обитающая на территории России, не была полностью изолированной от других популяций S. t. tatarica. Большинство показателей полиморфизма микросателлитных локусов, включая уровень наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготности, в обеих выборках были сходными. Наиболее существенным последствием резкого снижения численности в популяции является значительное увеличение уровня инбридинга (Fis), рассчитанного по микросателлитным локусам яДНК. Такая большая разница в коэффициентах инбридинга между двумя разновременными выборками может быть самым первым сигналом о снижении генетического разнообразия сайгака из популяции Северо-Западного Прикаспия. Однако некоторое влияние на результаты могло оказать различие в объеме выборок.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят сотрудников заповедника “Черные Земли” и заказника “Степной” за всестороннюю помощь в сборе образцов, а также Зоологический музей МГУ за возможность отобрать из коллекции материал для исследования.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что не имеют конфликта интересов.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ НОРМ

В исследовании использовались музейные образцы сайгаков, собранные в 1950-е года, и хранившиеся в коллекции Зоологического музея МГУ, поэтому заключение комиссии по биоэтике не требуется.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа была выполнена при поддержке РФФИ (грант №17-04-01351).

作者简介

N. Kashinina

Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: nadezda.kashinina@yandex.ru
俄罗斯联邦, 119071 Moscow, Leninsky Prospekt, 33

A. Lushchekina

Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences

Email: nadezda.kashinina@yandex.ru
俄罗斯联邦, 119071 Moscow, Leninsky Prospekt, 33

P. Sorokin

Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences

Email: nadezda.kashinina@yandex.ru
俄罗斯联邦, 119071 Moscow, Leninsky Prospekt, 33

M. Kholodova

Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences

Email: nadezda.kashinina@yandex.ru
俄罗斯联邦, 119071 Moscow, Leninsky Prospekt, 33

参考

补充文件