Введение к работе
Актуальность исследования
Свободноживущие Copepoda играют важную роль в водных экосистемах: служат пищей для многих гидробионтов и являются главными консументами I порядка в морях и пресных водоемах. Исследования таксономии и систематики многочисленных представителей этого отряда нередко позволяют выявить присутствие критических видов в его составе [Frost, 1989; Ganz, Burton, 1995; Монченко, 2003 и др.].
Критические виды - это виды практически неразличимые по морфологическим признакам, но имеющие видовые различия на генетическом уровне. Неспособность идентифицировать биологически важные виды обуславливает неправильные оценки состояния биоресурсов и формирует ложные представления о механизмах образования и расселения видов. Проблемы ошибочного определения видов Copepoda в результате могут стать проблемами экологического мониторинга, биологического контроля, предупреждения и лечения заболеваний, переносимых данными ракообразными. Неверное определение биологически важных видов затрудняет их изучение, культивирование или использование [Knowlton, 1993].
Важный вопрос, неразрывно связанный с критическими видами - вселение чужеродных видов. Так называемые критические инвазии [Geller et al., 2009] (вселение видов - двойников), как и любые другие инвазии, могут вызвать изменения в функционировании экосистем и их продуктивности, а, в конечном счете, имеют важные последствия для биоразнообразия, биогеографии, природоохранной деятельности и рыбного хозяйства [Lee, 2000; Lee, Frost, 2002; Gelembiuk et al., 2006]. Примером такой «ползучей» (неидентифипированной) инвазии является вселение в Балтийское море Eurytemora carolleeae Alekseev et Souissi, 2011, североамериканского вида, ранее не отличаемого от нативной для Балтики Е. affinis [Sukhikh et al., 2013; Сухих и др., 2009].
Степень разработанности темы исследования
Для исследований в рамках трех основных подотрядов копепод были выбраны три надвидовых группировки, ранее известные как валидные виды: Eurytemora affinis (Рорре, 1880), Eucyclops serrulatus (Fischer, 1851) и Canthocamptus staphylinus (Jurine, 1820). Для всех этих видов отмечали широкое распространение (от голарктического до космополитного) и высокую морфологическую изменчивость, что могло указывать на присутствие в каждой группе критических видов или подвидов. Для Е. affinis на момент начала исследований это предположение подкреплялось еще и географической изменчивостью по
молекулярно-генетическим признакам (участки генов 16SrRNA и COl) [Lee, 2000]. Все эти факты определили выбор объектов для данного исследования.
Цель и задачи работы
Целью настоящей работы было изучение роли критических видов Copepoda в биологическом разнообразии континентальных водоемов России и сопредельных территорий.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
Оценить морфологическую изменчивость видов копепод Е. affinis, Е. serrulatus и С. staphylinus по принятым в систематике Copepoda признакам.
Выявить новые морфологические признаки и изучить возможность их использования при описании и разделении морфологически близких форм внутри исследуемых таксонов.
Оценить изменчивость у широко распространенных видов копепод Е. affinis, Е. serrulatus и С. staphylinus по молекулярно-генетическим признакам.
Выявить и описать критические виды внутри исследуемых таксонов для фауны России и сопредельных территорий.
Изучить исследуемые таксоны в связи с возможностью вселения родственных форм.
Научная новизна
Впервые проведены обширные исследования группы криптических видов копепод России и сопредельных территорий с использованием комплекса анализов (морфологического и генетического), описаны новые микроструктуры, выделены специфические для данных групп ранее не использованные морфологические признаки. Впервые получены данные по структуре участков генов цитохром оксидазы 1(С01) для исследуемых представителей подотрядов Calanoida, Cyclopoida и Harpacticoida, все последовательности депонированы в базах данных GenBank и BOLD. Выяснены филогенетические взаимоотношения внутри исследуемых групп. Основаны и переданы для хранения в федеральную коллекцию неотипы С. staphylinus и Е.affinis affinis, голотипы Eurytemora caspica Sukhikh et Alekseev, 2013, Eucyclops sp.n., E. affinis ssp.n. 1 иЕ. affinis ssp.n.2.
Теоретическая и практическая значимость работы
Полученные данные являются вкладом в развитие как фундаментальной, так и прикладной зоологии. Описаны новые для науки виды и подвиды копепод. Расширены видовые списки фауны копепод России, США, Тайваня и ряда Европейских стран. Предложены новые ключи для их определения.
Созданы и помещены в федеральную коллекцию неотипы С. staphylinus и Е. affinis affinis, голотипы Е. caspica и Е. sp.n., Е. affinis ssp.n. 1 и Е. affinis ssp.n.2. Проведенное исследование внесло существенный вклад в понимание таксономической структуры сложных и давно изучаемых групп криптических видов Е. affinis, Е. serrulatus и С. staphylinus. Получены и помещены в международные базы данных GenBank и BOLD порядка 200 сиквенсов 14 видов копепод из разных мест обитания. Основные результаты настоящей работы являются базой для дальнейшего изучения видовых комплексов Copepoda. Разработаны новые морфологические признаки для выделения и диагностики криптических видов каждой из исследованных групп Copepoda. Результаты данной работы также могут быть использованы для моделирования последствий влияния видов-интродуцентов на водные экосистемы и в целом для исследования процессов интродукции видов. Полученные при работе над диссертацией материалы были использованы при выполнении российских и международных научных проектов: 2009, 2010 Грант правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов, 2010-2011 проект BIODISEINE Seine Aval (Франция), а также поддержаны грантами РФФИ: 2006-2008 двусторонний Российско-Тайваньский проект "Study on diapausing stage resistance for the elaboration of a new biotechnology to prevent the spreading of invasive species with ships' ballast waters and sediments", 2010-2011 Российско-Украинский проект "Study on biodiversity and cryptic speciation in aquatic organisms of Russia and Ukraine with barcode using". Материалы исследования были использованы при подготовке и чтении лекций для студентов-магистрантов на кафедре ихтиологии и гидробиологии СПбГУ по специальности гидробиология.
Методология и методы исследования
При проведении настоящей работы подбирались актуальные на данный момент методы, широко применяющиеся в таксономических исследованиях. К ним относятся: методы сбора материала и его первичной обработки (сбор, фиксация зоопланктона); определение материала; морфологические методы, связанные с приготовлением препаратов (ручное анатомирование под бинокуляром, анализ и измерение (при помощи окуляр-микрометра) принятых в ситематике данной группы таксономических признаков, а также поиск новых, ранее не использованных признаков); изготовление иллюстраций; проведение сравнительно-морфологического анализа организмов разных популяций исследуемых видовых комплексов; молекулярно-генетические методы, включающие выделение геномной ДНК, ПЦР, гель-электрофорез и секвенирование участков генов СОЇ и 18S rRNA; выравнивание полученных последовательностей и построение филогенетических деревьев.
Положения, выносимые на защиту
Виды Copepoda с широким ареалом часто представляют собой комплексы криптических видов, для выявления которых необходимо проведение внутривидовых и внутриродовых ревизий.
Выявление криптических видов Copepoda должно основываться на использовании нескольких методов исследования (морфологических, молекулярных, гибридологических и др.).
Степень достоверности и апробация результатов
Результаты работы были представлены на Международном симпозиуме «Эстуарные системы: структура, функции и управление» (Калининград, 2007), Международной школе-конференции молодых ученых (Борок, 2007), Молодежной научной конференции «Экологические проблемы севера» (Архангельск, 2008), Международной конференции «Поведение зоопланктона, экология и аквакультура» (Килунг, Тайвань, 2009), Международном совещании «Влияние изменения климата на прибрежные экосистемы» (Булонь-сюр-Мер, Франция, 2010), Международном рабочем совещании и научной конференции "Исследование биоразнообразия и криптического видообразования у организмов водных экосистем России и Украины с применением баркодинга" (Санкт-Петербург, 2011), 11-ой Международной конференцией по Копеподам (Мерида, Мексика, 2011), 8-ом Международном научном конгрессе по Балтийскому морю (Санкт-Петербург, 2011), Научной конференции СПбГУ «Наш общий Финский залив» (Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции «Актуальные проблемы планктологии» (Калининград, 2012), научном семинаре лаборатории пресноводной и экспериментальной гидробиологии (Зоологический институт РАН, Санкт-Петербург).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК, 2 - в сборниках статей, 1 - в определителе зоопланктона и зообентоса пресных вод России и 8 - в материалах конференции.
Структура и объем работы
