Число хромосом в кариотипах некоторых видов рыб представлены ниже:

Карповые:

- Серебряный карась 2n = 100

- Карп обыкновенный 2n = 100

- Карасекарп 2n = 100

- Возвратные гибриды 3n = 150

Осетровые:

- Осетр русский (многохромосомный вид – тетраплоиды) 2n = 247 ± 6

- Сибирский осетр (многохромосомный вид – тетраплоид) 2n = 238 ± 7, NF = (308 ±4) ±8

- Стерлядь (малохромосомный вид) 2n = 118 ± 3, NF = (176 ± 4)± 3

- Белуга (малохромосомный вид) 2n = 116±3 NF = (180 ±4) ±3

Гибриды:

- Бестер Бурцевский 2n = 117±3 NF = (174 ±7) ±3

(бестер товарный- 5-8 кг, 58 - метацентрических,

производство икры) 6 – акроцентрических, 54 ± 3 микрохромосомы

Кариотип бестера Бурцевского – базовая

цитогенетическая характеристика родительских видов: белуги и стерляди

- Бестер Аксайский 2n = 117±7 NF = 174 -175

(бестер стерляжий – 2-5 кг)

- Бестер Внировский 2n = 117±1 NF = 176 -177

(бестер белужий – 15-30 кг)

Как уже отмечалось, диплоидное число хромосом у рыб сильно варьирует, но характер распределения по этому признаку показывает, что около 70 % видов имеют 42-50 хромосом (рис. 14).

Рис. 14. Распределение рыб по числу хромосом (Кирпичникова, 1987)

Считается, что именно такие значения диплоидных чисел были характерны для предков современных рыб. В процессе эволюции наблюдались существенные преобразования кариотипов, которые приводили или к уменьшению, или к значительному увеличению числа хромосом. Наблюдаемую в настоящее время большую изменчивость по кариотипам объясняют тем, что рыбы представляют собой древнюю, очень гетерогенную группу животных, эволюция которой длится несколько сотен миллионов лет.

Рассмотрим более подробно механизмы мутаций, ведущих к изменению кариотипа у рыб.

У рыб, как и у других организмов, возможны различные типы мутаций. Генные, или точечные, му­тации изменяют строение гена. Это может быть замена на опреде­ленном участке гена одного из нуклеотидов другим (например, гуанинового на тиминовый) в результате ошибки в момент реплика­ции, выпадение одного или нескольких нуклеотидов из длинной цепочки ДНК или, наоборот, вставка нуклеотидов (и то и другое возможно при случайных разрывах цепи). Если при одном из таких изменений в середине гена образуется триплет (три нуклеотида) из числа бессмысленных кодонов, то на этом месте обрывается синтез белка и синтезируемая белковая молекула окажется укороченной, неспособной к нормальному функционированию. В остальных слу­чаях меняется только порядок аминокислот в белке. Замена всего одной или двух аминокислот может оказаться по своим послед­ствиям не очень существенной для жизнедеятельности особи, и му­тация может сохраниться в популяции или даже может быть под­хвачена отбором.

Данных о спонтанной частоте генных мутаций у рыб изучены не достаточно. Очевидно, она невелика: так, у карпа при просмотре 260 000 особей не удалось найти ни одной мутации генов чешуйного покрова (Цой и др., 1974б). Даже если принять, что в этом стаде возникла одна (незамеченная) мутация, частота мутирования составила бы всего 4 х 10^-6. Мы можем судить о наличии мутационного процесса у рыб в природе только по косвенным наблюдениям. Об этом говорит наличие большой генетической изменчивости по морфологическим и физиологическим признакам в природных популяциях рыб.

Хромосомные перестройки составляют вторую большую группу мутаций. Как уже отмечалось, к их числу относятся транслокации, инверсии, дупликации и нехватки.

Транслокации, по-видимому, происходят достаточно часто, так даже близкие виды рыб отличаются по структуре кариотипа и эти отличия во многих случаях являются результатом эволюционного закрепления транслокаций. Вполне жизнеспособны индивиды с реципрокными транслокациями - взаимным обменом участками хромосом без потери или добавления генетического материала (рис. 15, а-в). Взаимные хромосомные транслокации имеют большое эволюционное значение и могут сопровождаться (хотя и не всегда) уменьшением или увеличением числа плеч. Иногда выживают и особи с добавочными участками хромосом.

Рис. 15. Хромосомные перестройки (транслокации и инверсии) у рыб (схема): а - межхромосомная транслокация без изменения числа плеч; б - то же с уменьшением числа плеч; в - то же с увеличением числа плеч; г - центрическое слияние (fusion) робертсоновского типа с уменьшением числа хромосом; д - центрическое разделение (fission) с увеличением числа хромосом; е - неразличимая парацентрическая инверсия; ж - перицентрическая инверсия с уменьшением числа плеч; з - то же с увеличением числа плеч; и - неразличимая перицентрическая инверсия.

Еще более важны и, очевидно, довольно часты так называемые робертсоновские транслокации, или центрические слияния. Разрыв одной акроцентрической хромосомы происходит около центромеры, к месту разрыва присоединяется целая (или почти целая) другая хромосома, также акроцентрическая. Один или два незначительных околоцентромерных участка хромосом (с одной из центромер) теряются, и в результате две акроцентрические хромосомы превращаются в одну метацентрическую. Число плеч при этом остается неизменным (рис. 15, г). Реже происходит обратный процесс - центрическое разделение (рис. 15, д), для его осуществления нужна лишняя центромера. По недавним сообщениям, возможно и прямое деление центромеры на две дочерние (Imai, 1978).

Инверсии (рис. 15, е-и) могут быть отнесены к двум основным типам. Парацентрические инверсии, не захватывающие центральный участок, обнаружить трудно. Они возникают, вероятно, у рыб достаточно часто, но установить их наличие можно только при анализе наследования сцепленных генов. Перицентрические инверсии, включающие центромеру, широко распространены. Если два разрыва произошли в хромосомных плечах на равном расстоянии от центромеры, инверсию (без анализа маркерных генов) найти невозможно. При асимметричном расположении разрывов соотношение или даже число плеч в хромосомах изменяется.

Дупликации хромосомных участков у рыб безусловно происходят, хотя, вероятно, не часто. Наличие дуплицированных генов установлено чисто генетическими методами: под микроскопом дупликации заметить невозможно. Наиболее вероятным механиз­мом дупликации является неравный кроссинговер - обмен час­тями неточно конъюгировавших хромосом. Многие исследователи придают дупликациям особенно большое значение в эволюции рыб.

Нехватки, несомненно, также наблю­даются - и, вероятно, чаще, чем дупликации, - но подавляющее большинство нехваток резко снижает жизнеспособность их носи­телей и благодаря этому особи, несущие такие нехватки, быстро выбрасываются из популяций.

Спонтанная частота возникновения хромосомных перестроек у рыб неизвестна.

Третью группу мутаций составляют изменения плоидности - появление у нормально диплоидных видов рыб (2n) особей с уменьшенным вдвое (гаплоидным) кариотипом (n) или, наоборот, с увеличенными наборами - триплоидным (3n), тетраплоидным (4n) и другими, а также с увеличенным или уменьшенным числом отдельных хромосом (анэуплоидия).

Гаплоиды у рыб нежизнеспособны. При стимуляции развития яйцеклеток спермиями с предварительно разрушенным ядром почти все начавшие развиваться зародыши оказываются гаплоид­ными, развитие сопровождается уродствами и заканчивается гибелью эмбрионов в конце эмбриогенеза.

Чаще всего появляются триплоиды. По-видимому, у всех рыб с довольно большой частотой образуются диплоидные гаметы. Основной причиной их появления у самок служит слияние ядер яйцеклетки и второго направительного тельца; редукции числа материнских хромосом в этом случае не происходит. Слияние такой яйцеклетки с нормальным спермием (а также проникновение в нормальную яйцеклетку диплоидного спермия или двух спермиев одновременно - полиспермия) приводит к возникновению триплоидов. Они могут быть вполне жизнеспособными; так, триплоидами являются некоторые разновидности серебряного карася Carassius auratus gibelio (рис. 16) и отдельные расы живородящих рыбок Poeciliopsis и Poecilia.

Рис. 16. Триплоидия у серебряного карася Carassius auratus gibelio (no: Kobayashi et al., 1970). A - диплоидный набор хромосом (2n=100); Б - триплоидный набор (2n = 156).

Триплоидные особи найдены у радужной форели, у калифорнийской карповой рыбы Hesperoleucus symmetricus и у щиповок Cobitis taenia. Пониженная плодовитость триплоидов у двуполых рыб (связанная с неправильным распределением хромосом в мейозе), а иногда и полное их бесплодие являются, очевидно, причиной их отсутствия в популяциях большинства видов. Триплоиды нередко появля­ются при отдаленной гибридизации рыб. Тетраплоиды, вероятно, изредка также появляются в результате слияния диплоидных гамет, но о частоте их возникновения в природе никаких сведений нет.

Возможность анэуплоидии у рыб еще недавно ставилась под сомнение. Обнаружение особи с 85 хромосомами у гольца (2n =84), в том числе с тремя хромосомами, несущими маркерный ген Ldh-В2, позволяет предположить, трисомики могут в отдельных случаях выживать, во всяком случае у рыб, прошедших в прошлом через полиплоидизацию генома (лососевые, чукучановые и др.).

Ключевые слова и понятия:

А- и В-хромосомы, аутосомы, гоносомы, тельца Барра, кариотип;

Диплоидное и гаплоидное число хромосом, хроматиды, хромонемы, центромера, спутничные хромосомы, плечо хромосомы, теломера;

Метацентрические, субметацентрические, акроцентрические, телоцентрические хромосомы;

Гомологичные хромосомы, гемилогичные хромосомы;

Полиплоидия, автополиплоидия, аллоплоидия, анеуплоидия, вторичная диплоидизация;

Политения, политенные хромосомы;

Хромосомы «типа ламповых щеток»;

Хромосомные перестройки или хромосомные мутации (делеции, дупликации, транслокации, инверсии, инсерции).

Лекция 3. Тема: Эволюция кариотипов рыбообразных и рыб

Число хромосом у рыбообразных и рыб изучали многие исследователи. К настоящему времени число хромосом определено для более чем 1700 видов. Хромосомные наборы оказались очень разнообразными, диплоидные числа варьируют в пределах от 12 до 250. Еще более изменчиво суммарное количество ДНК, содержа­лся в клеточном ядре; оно возрастает (при расчете на гаплоидный кариотип) от 0.4 пг (0.4 X 10^-12г) у одного из представителей семейства иглобрюхих (Tetraodontidae) до 163 пг у двоякодышащих, т. е. в 400 раз.

Такую необычайную изменчивость можно объяснить тем, что рыбы и круглоротые представляют собой древнюю, весьма гетерогенную группу животных, дивергировавшую за сотни миллионов лет в самых разнообразных направлениях.

Рассмотрим теперь закономерности эволюционных преобразо­ваний кариотипа в отдельных наиболее изученных таксонах.

Данных по круглоротым (Cyclostomata) недостаточно для ка­ких-либо обобщений. Можно лишь отметить, что две группы - миксины и миноги - сильно разошлись в ходе эволюции. У миксин (Myxinidae) найдено небольшое число хромосом при значи­тельном содержании ДНК, у миног (Petromyzoniformes), наоборот, хромосом много, особенно у обитателей северного полушария, но количество ДНК невелико.

Среди собственно рыб (Pisces) наиболее примитивные группы, и частности хрящевые (акулы, скаты, химеры), эволюционировали и сторону увеличения числа хромосом и параллельного увеличения количества ДНК. У некоторых скатов кариотип состоит почти из 100 хромосом; исключение представляет только электрический скат из сем. Torpedinidae - Narcinе brasiliensis с 28 хромосомами. У всех хрящевых рыб, за исключением химер, увеличено содержание ДНK в ядрах клеток - оно составляет от 2.8 до 16.2 пг на гаплоидный набор.

У двоякодышащих (Dipnoi) эволюция кариотипа шла в направлении очень значительного увеличения количества ДНК в ядре – у современных видов оно составляет от 80 до 160 пг. Вместе с тем число хромосом у них невелико.

Изучение величины клеток у ископаемых предков современных двоякодышащих показало, что она возрастала постепенно, но неуклонно. Параллельно увеличивалось и содержание ДНК в ядрах. Вероятно, это связано с тем, что двоякодышащие имеют дополнительный орган дыхания, позволяющий переходить на дыхание атмосферным воздухом. Сосуществование двух механизмов дыхания требовало большой пластичности физиологических процессов и многократное увеличение количества ДНК обеспечивало организм необходимым количеством разнообразных ферментов. Усиливавшаяся специализация двоякодышащих и ограниченность пригодных для их жизни экологических ниш (неглубокие заиленные, хорошо прогреваемые пресноводные водоемы) способствовали уменьше­нию числа хромосом и созданию тем самым более устойчивых генных комплексов.

Хрящевые ганоиды (сем. Acipenseridae и Polyodontidae) имеют много хромосом и довольно значительное количество ДНК, в этом отношении они похожи на селяхий. Возможно, что такое развитие кариотипа связано с образом жизни и размерами рыб, в частности с их большой подвижностью и способностью к быстрому росту. Эти две группы рыб объединяет еще одна особенность - наличие у многих из них мелких точечных микрохромосом. Роль микрохромосом выяснена вообще недостаточно, хотя некоторые кариологи предполагают, что они содержат «избыточный» генети­ческий материал, используемый в случае необходимости усилен­ного синтеза белков. Число таких хромосом в наборе может варьировать; их наличие можно рассматривать как своеобразный механизм увеличения хромосомной изменчивости без нарушения целостности основного генома.

Семейство осетровых по числу хромосом и содержанию ДНК в ядре распадается на две группы. К одной принадлежат много­хромосомные осетры (Acipenser guldenstadti, A. baeri, А. nассаrii) к другой - белуга и калуга (род Huso), стерлядь, шип и севрюга (A. ruthenus, A. stellatus, A. nudiventris), лопатонос (Scaphirhynchus platorhynchus), а также за­падноевропейский осетр (A. sturio), имеющие вдвое меньшее число хромосом.

Надо отметить, что имеются разногласия относительно метода подсчета хромосом у осетровых рыб: одни кариологи учитывают все микрохромосомы, другие не принимают их в расчет. Несмотря на эти разногла­сия, наличие двух кариологических групп в семействе осетровых несомненно.

Различия между этими группами в количестве ДНК на геном и в величине эритроцитов свидетельствуют в пользу гипотезы о полиплоидном происхождении некоторых видов сем. Acipenseridae. Имеются доказательства полиплоидного происхождения и американского веслоноса Polyodoii spathula, Polyodontidae.

Интересны пути эволюции кариотипа в отрядах сельдеобразных (Clupeiformes) и лососеобразных (Salmoniformes).

Сельди, анчоусы и близкие к ним семейства в основном, сохранили числа хромосом (2n от 48 до 52), характерные для предков современных костистых рыб, однако некоторые виды представляют исключение. У рыбы из сем. Gonostomatidae - Гоностомовые (Gonostoma bathyphllum) - семейство глубоководных рыб из отряда стомиеобразных, или иглоротов (Stomiiformes),  обнаружено всего 12 крупных хромосом. Это пока самое малое число хромосом, найденное у рыб. В том же роде у другого вида, G. elongatum, набор состоит из 48 хромосом. Судя по наличию в мейозе шести кольцевых тетрад, большие хромосомы G. bathyphilum образовались в результате нескольких центрических слияний. Хромосомный комплекс этого вида напоминает хромосомный набор растения дурмана (Oenothera), характеризующийся постоянной структурной гетерозиготностью генома.

В отряде лососеобразных (Salmoniformes) выделяются по своим кариотипам лососевые (Salmonidae) и хариусы (Thymallidae). Можно считать доказанным, что все рыбы этих семейств в конце третичного или в начале четвертичного периодов прошли через удвоение своего хромосомного набора. У исходного (вероятно, общего для всей группы) тетраплоида должно было быть около 96-100 хромосом. В дальнейшем, в процессе расселения лососей, сигов и хариусов, шла дивергенция кариотипов, сопровождавшаяся вторичной диплоидизацией генома. Число хромосом у всех видов, за исключением хариусов, уменьшилось в той или иной степени. О полиплоидности лососей и сигов говорят и генетические данные, а именно наличие в геноме большого числа дуплицированных локусов.

Дивергенция лососевых привела к очень большому разнообразию кариотипов даже в пределах одного рода. Так, у тихоокеанских лососей (Oncorhynchus) число хромосом меняется в пределах от 74 у кеты до 52 у горбуши; число плеч (N. F.- фундаментальное число) остается при этом почти неизменным. Считается, что почти все хромосомные перестройки, происходившие при дивергенции Oncorhynchus, относятся к типу центрических слияний (робертсоновских транслокаций). Кета рассматривается как вид, наиболее близкий к исходной форме, имевшей около 100 акроцентрических хромосом. Самым «продвинутым» (по кариотипу) видом следует считать горбушу, имеющую только метацентрические хромосомы.

Диплоидные числа у представителей рода Salmo варьируют и пределах от 80-82 до 54, число плеч, однако, уменьшено только у трех видов: S. trutta, S. ischchan и S. salar. Большой интерес представляет кариотип S.salar (лосось атлантический). У европейского атлантического лосося большинство исследователей находят 58 хромосом. В отношении лосося американского побережья имеются разногласия. Были обнаружены различия по числу хромосом между различными американскими популяциями от 54 до 56 хромосом. Вероятно, эти различия можно объяснить робертсоновскими транслокациями, так как число плеч остается почти постоянным (72). Отличия могут быть связаны также и с ошибками исследований. В целом, можно считать, что атлантический лосось претерпел больше всего хромосомных перестроек - не менее 37-40. Большая внутривидовая изменчивость по числу хромосом наблюдается и у американского пресноводного лосося S. Clarki ( 2n=64, 66, 68; N. F. = 104).

Род Salvelinus (гольцы) дивергировал в более слабой степени, предполагается, что эта дивергенция началась позднее (до или после первого ледникового периода) и еще не завершилась. Морфологическое изучение гольцов позволяет предполагать, что они произошли от сходной с Salmo trutta (кумжа) формы.

Среди современных гольцов (Salvelinus) выделяются большим разнообразием как по кариотипам, так и по своим морфобиологическим особенностям многочисленные североазиатские представители видов S. alpinus и S. malma, у многих из них диплоидное число хромосом сильно варьирует (табл. 1).

Среди сигов (род Coregonus) многие виды имеют 80 хромосом; у некоторых сигов число хромосом уменьшено до 78-74; только один вид, чир (С. nasus), характеризуется существенным уменьшением хромосомного набора. По-видимому, дивергенция геномов у Coregonus произошла срав­нительно недавно. Сиги американского рода Prosopium измени­лись сильнее, дивергенция, возможно, была ускорена разнообра­зием мало заселенных рыбами экологических ниш в их ареале.

Таблица 1 – Число хромосом и хромосомных плеч у лососевых (без сигов)

Вид	2n	N. F.	Предполагаемое число хро­мосомных перестроек по от­ношению к гипотетическому предку (по: Викторовский, 1975).
			центриче­ские слияния	перицентрические инверсии	всего
Oncorhynchus keta	74	100—102	15	1	16
О. tschawytscha	68	100—104	18	1	19
О. masu (-rodurus)	66	100	19—20	0	19—20
О. kisutch	60	104—106	22—23	0	22—23
О. nerka	57—58	102—104	23—24	0	23—24
О. gorbusha	52—54	100—104	26	0	26
Salmo trutta	78—82	98—100	12	2	14
S. ischchan	80—82	98—100	12	4	16
S. letnica	80	104	12	0	12
S. carpio	80	98	—	—	—
S. salar	54—60	72—74	22—24	15	37—39
S. (Parasalmo) gairdneri (-irideus)	58—65	104	22	0	22
S. (P.) mykiss	58—62	104—108	—	—	—
S. (P.) clarki clarki	68	104	17	1	18
S. (P.) clarki hen shavi	64	104	20	1	21
S. (P.) clarki levisi	66	104	20	1	21
S. (P.) aguabonita	58	104	23	1	24
S. (P.) apache	56(58)	106	24	0	24
S. (P.) gilae	56	105—106	—	—	—
Salmothymus obtusirostris	82	94	10	5	15
Salvelinus fontinalis	84	100	10	2	12
S. namaycush	84	100	10	2	12
S. leucomaenis	84—86	100	9—10	2	11 — 12
S. alpinus	80—84	96—100	12	2	14
S. (alpinus) cronocius	78—82	100	11 — 13	2	13—15
S. malma malma	76—78	96	13—14	4	17—18
S. m. krascheninnikovi	82—84	98	10—11	3	13—14
S. m. curilus	84—86	100	9—10	2	11 — 12
Hucho taimen	84	102	10	1	11
H. perryi	62	100	—	—	—
Brachymystax lenok	90(92)	100(116)	6	1	7
Stenodus leucichthys	74	108	—	—	—

Хариусы сохранили, по-видимому, в наибольшей степени свой «предковый» кариотип (по числу хромосом), но у них в ходе эволюции увеличилось число плеч. Наиболее вероятным механиз­мом этого увеличения являются перицентрические инверсии.

Близкие к лососям и сигам семейства того же отряда - корюшки (Osmeridae), аргентины (Argentinidae), глубоководные батилаговые (Bathylagidae) - очевидно, остались на исходном диплоидном уровне. Об этом говорят данные о числе хромосом и содержании ДНК. У некото­рых обитателей больших глубин из семейства батилагид коли­чество ДНК увеличено, повышено у них и число хромосом. Вероятнее всего это связано не с полиплоидией, а с тандемными дупликациями хромосомного материала и перестройками генома в результате транслокаций.

Трудно судить о причинах уменьшения числа хромосом в ходе вторичной диплоидизации геномов лососевых рыб. Возможны три объяснения.

1.Уменьшение диплоидных наборов происходило автомати­чески, в результате большей вероятности слияния хромосом (с последующей фиксацией таких перестроек), чем их разделения. Полиплоидия способствовала соединению родственных по проис­хождению хромосом.

2.Уменьшение числа хромосом связано со специализацией видов, в ходе которой образование комплексов сцепленных генов давало несомненное приспособительное преимущество.

3. Центрическое слияние родственных хромосом было выгодно, так как способствовало ускорению диплоидизации у полиплои­дов.

Вероятность чисто случайной фиксации хромосомных пере­строек без участия отбора очень мала, особенно если учесть редкость таких перестроек. Более вероятно, что при эволюционных преобразованиях сохранялись те перестройки, которые имели адаптивную ценность. Эти соображения заставляют считать селек­тивные объяснения более обоснованными.

Отметим еще, что следы не очень древней полиплоидизации лососевых проявляются у многих видов лососей в образовании в ходе мейоза кольцевых хромосом, квадривалентов и других отклоняющихся от нормы хромосомных фигур.

Большой интерес представляют эволюционные преобразования отряде карпообразных (Cypriniformes). Удивительно устойчивым по числу хромосом оказалось семейство карповых; если не считать немногих полиплоидов, число хромосом здесь варьирует незначительно, только специализированные горчаки (Rhodeinaе) характеризуются небольшим снижением хромосомных чисел, преобладают наборы с 50 хромосомами (рис. 1). Слабая вариация хромосомных наборов у карповых рыб, вероятнее всего, связана с их биологическими особенностями - высокой плодови­тостью, многообразием экологических ниш, приспособляемостью. Все это требует большой генетической изменчивости, свободной перекомбинации генов.