Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. ПОЛЕВЫЕ РАБОТЫ. В 2019 г проведено две экспедиции для сбора материалов к изучению эволюции и видообразования у карповых рыб - в Эфиопии и Таджикистане. В Эфиопии собраны комплексные материалы к изучению адаптивной радиации крупных африканских усачей рода Labeobarbus, которые включают морфологические серии, пробы на стабильные изотопы азота и углерода (для оценки пищевых спектров), а также ДНК- и РНК-пробы для геномики и траскриптомики. Установлены пространственные пределы морфо-экологической диверсификации усачей в пределах бассейна р. Генале, которые составляют на данный момент ок. 80 км в верхне-среднем течении данной реки. Причем данная диверсификация географически располагается в речном сегменте, ограниченном высокими водопадами, непреодолимыми для рыб. В Таджикистане проведены сборы материалов к изучению морфо-экологической диверсификации лжеосманов рода Schizopygopsis в высокогорном озере Яшилькуль (высота >3700 м над у.м.). В частности собраны пробы на морфологию, определение пищевых спектров (содержимое кишечников и пробы мышц на стабильные изотопы азота и углерода, а также ДНК-пробы). Для филогеографических целей были собраны также ДНК-пробы от лжеосманов, обитающих в других водоемах бассейна Амударьи, к которому относится оз. Яшилькуль. 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ. Лабораторные работы также проведены по трем направлениям: 1) генетика и геномика (анализ единичных маркеров мтДНК и геномный анализ - ddRAD-секвенирование), 2) морфологический анализ (морфометрия, остеометрия, сравнительный анализ качественных признаков) и 3) анализ пищевых спектров (анализ содержимого кишечников и анализ соотношения стабильных изотопов углерода 13C и азота 15N). 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. А) Усачи рода Labeobarbus - очень полиморфная группа, широко распространенная на африканском континенте и включающая до 125 видов. В некоторых участках ареала, например, в водоемах Эфиопского нагорья усачи Labeobarbus дают вспышки формо- и видообразования. В четырех реках Эфиопского нагорья нами ранее обнаружены морфо-экологические диверсификации. Подробное исследование матрилинеальных (мтДНК) отношений на широкой выборке, включающей ок. 800 особей, показал независимое, параллельное происхождение всех четырех диверсификаций. Причем две из них были монофилетичными (species flock), а две других были сборными, состоящими из нескольких малых species flocks, возникших в разных местах или в разное время. Для таких сборных сообществ нами предложен термин мультифлок (multiflock), отражающий их генезис. Примечательным является сходный экологический функционал сообществ усачей независимо от типа формирования. Каждая диверсификаций включает генерализованную, скребущую, губастую и рыбоядную форму. В некоторых реках отдельные пищевые стратегии подразделяются далее (напр., две скребущих формы). Впервые для изучения симпатрического формо- и видообразования у усачей Labeobarbus применен геномный подход - ddRAD-секвенирование. Нужно отметить, что данная филетическая линия рыб - эволюционные гексаплоиды (2n=150), что несколько затрудняет анализ геномов. Данным методом нами изучено две из четырех адаптивных радиации этих усачей, являющихся монофилетичными согласно данным мтДНК и находящихся на разных стадиях развития - из р. Годжеб (5 форм, хорошо различающихся по фенотипу) и из р. Сор (4 формы, границы между некоторыми расплывчаты). В результате чтений ДНК-библиотек на приборах серии Illumina HiSeq получены порядка 152 млн. 150 п.н. парно-концевых ридов (после тримминга). Биоинформационная обработка обнаружила 163512 однонуклеотидных полиморфизмов (SNPs), число которых после всех фильтраций снизилось до 961. Проведены филогеномный, PCA и популяционно-генетический анализы (STRUCTURE и анализ Fst). В частности, подтверждено независимое происхождение диверсификаций усачей в Годжебе и Соре. В Годжебе обнаружено четыре геномных кластера. Две специализированные формы из пяти являются генетически изолированными, а три формы представлены двумя геномными кластерами в разных соотношениях. В противоположность годжебовской ситуации, в Соре не обнаружено какой-либо генетической подразделенности. Это может указывать на то, что это полиморфная популяция, либо на совсем начальные этапы видообразования с очень недавней и вероятно несовершенной репродуктивной изоляцией между формами. Необходимы дальнейшие геномные исследования феномена адаптивных радиаций у усачей. Б) Адаптивная радиация гарр Garra. В 2012 г одним из участников проекта обнаружена речная диверсификация гарр в р. Сор (бас. Белого Нила), включающая 6 симпатрических форм, различающихся строением рта и формой тела. Формы не различались по мтДНК, но являлись монофилетичной линией (наши данные). В результате чтений ДНК-библиотек на приборах серии Illumina HiSeq получены порядка 211 млн. 150 п.н. парно-концевых ридов (после тримминга) для 96 особей. Биоинформационная обработка показала 258741 однонуклеотидных полиморфизмов (SNPs), число которых сократилось до 679 после жесткого отбора. Проведены филогеномный, PCA и популяционно-генетический анализы (STRUCTURE и анализ Fst). Обнаружено 6 геномных кластеров, соответствующих фенотипическим группам. При этом, в каждой группе была незначительная примесь от других геномных кластеров. Полученные результаты говорят о значительной “зрелости” стадии симпатрического видообразования у гарр в данном водоеме, когда формы являются репродуктивно изолированными (это же подтверждают высокие значения Fst). В) Памирские лжеосманы Schizopygopsis из высокогорного оз. Яшилькуль (высота >3700 м над у.м.). Согласно филогенетическому анализу мтДНК, яшилькульский лжеосман, традиционно относимый к виду S. stoliczkae должен быть отнесен к виду S. sewerzowi (синонимизированному ранее с S. stoliczkae). Таким образом вид S. sewerzowi должен быть восстановлен. Согласно предварительным данным филогеографического анализа, озерная диверсификация лжеосманов Яшилькуля возникла из одного источника - речной популяции р. Гунт, на котором образовалось озеро. В результате комплексного анализа сравнительно небольшой выборки четырех симпатрических форм лжеосмана показано, что некоторые формы разделяют трофические ресурсы, хотя содержимое кишечника говорит о широком спектре кормовых объектов. Г) Публикации и конференции. По результатам первого года опубликована одна статья в журнале из первого квартиля WoS (Freshwater Biology) и две статьи направлены в журналы. Результаты исследований докладывались на Европейском ихтиологическом конгрессе (сентябрь 2019 - Лозанна, Швейцария).

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В отчетный период получено новое знание об эволюции адаптивной радиации на примере карповых рыб. Геномные данные (ddRAD) не только подтвердили наличие независимых радиаций африканских усачей в разных речных бассейнах, но также позволили обнаружить таковые внутри одного речного бассейна (в бессточном бассейне Омо-Туркана в Эфиопии). Получен ряд новых принципиальных результатов по трофической экологии радиирующих африканских усачей Labeobarbus. В частности, получены результаты, указывающие на то, что степень разделения трофических ресурсов симпатрическими формами коррелирует с морфологической и генетической дифференциацией. Также установлено, что на первоначальных стадиях формообразования, фенотипическое разнообразие усачей по строению рта (ротовой полиморфизм) не является функциональным. То есть наличие морфологически различающихся форм не обязательно означает разделение пищевых ресурсов в водоеме. Сложный полиплоидный геном африканских усачей, содержащий анцестральные «генетические программы» для разных ротовых фенотипов, видимо, в достаточно автоматическом режиме генерирует базовый полиморфизм по строению рта. Однако, не во всех случаях он может вовлекаться в адаптивную радиацию. Впервые для карповых рыб на примере африканских усачей обнаружена высоко достоверная отрицательная корреляция значений стабильного изотопа азота d15N c длиной тела (n=282). Это крайне интересный феномен, обнаруженный у не-рыбоядных форм и указывающий на постоянное смещение пищевого спектра по мере роста рыб (вплоть до максимальных размеров > 500 мм длины тела) в сторону детритофагии. Мы полагаем таким образом, что таким образом роль пищевой специализации, по-видимому, играет все меньшую роль по мере линейного роста рыб. Это может быть объяснено двумя факторами: 1) увеличение линейных размеров у рыб сопровождается удлинением кишечников, что способствует длительному транспорту пищи, а значит возможно потребление легко доступной, но трудноусвояемой пищи (детрита); 2) в условиях нестабильност уровня воды и других параметров гидрологического и гидрохимического режимов в реках Эфиопского нагорья, вероятно, детрит остается единственным более или менее постоянным источником пищи для нерыбоядных крупноразмерных рыб. Характерно, что в результате подобного онтогенетического сдвига в сторону детритофагии, может снижаться внутривидовая конкуренция за пищевые ресурсы с более молодыми конспецифичными особями. Результаты геномного исследования (ddRAD) начальных стадий адаптивной радиации лжеосманов Schizopygopsis в молодом оз. Яшилькуль на Памире (возраст ок. 800 лет) подтвердили монофилию зарождающейся радиации в этом озере. В популяциях двух озерных форм лжеосмана обнаружен геномный кластер, не встречающийся у других озерных форм или в речных популяциях. Предположительно, это могут быть участки генома, ответственные за озерные адаптации. Между тем, какой-либо генетической дифференциации между озерными формами лжеосмана не обнаружено (значения Fst близки к нулю). Это достаточно интересные результаты, особенно в свете разделения трофических ресурсов симпатрическими формами в озере. Необходимы дополнительные исследования этой интересной ситуации. https://www.nature.com/articles/s41598-020-64350-4 https://link.springer.com/article/10.1007/s10228-020-00773-3 https://www.youtube.com/watch?v=l0lv9qGyo_8&t=23s

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
I. За отчетный период выполнен существенный объем морфологических (морфометрия, рентгенография, компьютерная томография - более 1100 особей), экологических (анализ питания и соотношения стабильных изотопов азота и углерода - более 500 особей) и генетических (мтДНК) и геномных (ddRAD-seq) (более 200 проб) работ на карповых рыбах африканских родов Garra, Labeobarbus и азиатского рода Schizopygopsis. Проведены работы по 3D-визуализации строения черепов и скелетов рыб (африканские усачи Labeobarbus) на основе данных компьютерной томографии. В частности, при помощи прибора VISCOM X8060 получены от 5000 до 6000 изображений на одну особь рыбы (всего отсканировано 6 особей разных симпатрических форм) с шагом нарезки 57,8-80 микрон. Проанализированы спектры питания у 182 гарр от 6 симпатрических форм в р. Сор, а для 80 особей получены данные по соотношению стабильных изотопов (результаты даны в файле-приложении). Проанализирован массив данных по соотношению стабильных изотопов азота 15N и углерода 13C африканских усачей (n=425). Выполнены экспериментальные работы по анализу стабильных изотопов из проб мышц рыб, фиксированных в формалине, а затем переведенных на постоянное хранение в 70 % спирт (стандарт фиксации для длительного хранения коллекционных сборов). Данный эксперимент показал, что для ряда видов рыб фиксированные ткани пригодны для анализа без специальной поправки - в том случае, когда значения C/N (mass/mass) были ниже 3.50, либо с поправкой согласно протоколу (Post et al., 2007). С использованием геномного подхода RAD-seq отсеквенировано 80 особей гексаплоидных африканских усачей Labeobarbus на приборе Illumina X-Ten (2 дорожки). Получено 668 млн. ридов (150 PE). Проведена биоинформационная обработка полученных данных. После жестких фильтраций удержано 26273 SNPs, обнаружено 5 геномных кластеров. II. Получены новые результаты по адаптивной радиации рыб в речных условиях. На основе совокупности морфологических, экологических и генетических данных, полученных одинаковыми методами, проведена реконструкция процесса формо/видообразования африканских усачей на примере ряда параллельных диверсификаций, находящихся на разной стадии развития. Подобные работы выполнены впервые в мире. В частности, обнаружен примат морфологического полиморфизма над экологическим в начальных стадиях дивергенции. Определены направления развития диверсификации - порядок появления форм и природа их генезиса. Установлено, что сложность комплекса форм обнаруженных речных сообществ усачей Labeobarbus формируется в разных вариантах - 1) как за счет собственного полиморфизма, развивающегося от особей-основателей (монофилия - сценарий species flock), так и 2) за счет включения в монофилетичные сообщества форм близкородственных, но произошедших от других предковых популяций (результат вторичного контакта). При этом все сложно устроенные сообщества (=> 5 форм) испытывали вторичный контакт(ы), благодаря которому и стали богаче по составу форм. Характерно, что несмотря на существенные различия в генезисе речных сообществ усачей (все анализируемые сообщества произошли от разных популяций-основателей), эти сообщества удивительно сходны по составу форм, то есть предъявляют паттерн параллельной (конвергентной) эволюции, напоминающий гомологические ряды изменчивости Н.И. Вавилова. Вместе с тем, мы полагаем, что это явление вряд ли можно объяснить исключительно генетическим фактором (анцестральный полиморфизм). Во-первых, полиморфизм, проявляется не во всех популяциях. Наиболее диверсифицированные сообщества, возникшие в результате адаптивной радиации, отмечены лишь в некоторых популяциях. Мы полагаем, что конвергентная природа адаптивных радиаций в речных сообществах может быть объяснена биотопическими ограничениями, формирующих определенный набор экологических ниш. Иначе трудно объяснить, почему в оз. Тана близкородственная линия усачей дала заметно более диверсифицированную адаптивную радиацию (до 15 форм/видов). III. Изучен феномен симпатрической диверсификации высокоспециализированных линий соскребывателей, которые смогли дать адаптивную радиацию, выходящую за пределы анцестральной специализации. В частности, одинаковыми методами (морфологическими, экологическими и генетическими) исследованы радиации эфиопских рыб рода Garra из бас. Белого Нила и памирских лжеосманов рода Schizopygopsis из высокогорного оз. Яшилькуль. Сравнивать между собой их можно лишь условно. Тем не менее, у этих диверсификаций, относящихся к филетически далеким линиям, обнаружены общие черты по сравнению с адаптивной радиацией африканских усачей Labeobarbus. Если у африканских усачей радиация начинается с полиморфизма генерализованной формы, что согласуется с теоретическим знанием об эволюции адаптивных радиаций, то соскребыватели-перифитонофаги характеризуются де-специализацией и ре-специализацией для освоения новых ниш. При этом отмечается существенный контраст в драйверах зарождающихся диверсификаций африканских усачей и памирских лжеосманов. Если в случае усачей (на примере самой молодой диверсификации в р. Сор) основным драйвером на начальных стадиях выступает морфология (фенотипическая диверсификация), то в случае специалистов (лжеосманы), первичным драйвером диверсификации является экологический фактор (разделение трофических ресурсов). Мы считаем данные сведения крайне важными для понимания возникновения и развития адаптивных радиаций в линиях генералистов и специалистов. IV. Ранее полагали, что полиплоидные линии медленнее эволюируют и зачастую представляют тупиковые эволюционные линии из-за вредоносного эффекта на фертильность и приспособленность по причине геномной нестабильности, митотических и мейотических нарушений и нарушений экспрессии генов и эпигенетических изменений. Однако в последние годы появляется все больше данных, указывающих на корреляцию полилоидизации с изменениями среды или стрессом и что она обладает заметным краткосрочным (по глобальным эволюционным меркам) адаптивным потенциалом. Наши результаты, в целом, согласуются с представлениями о существенном адаптационном потенциале полиплоидных линий, который, в определенных условиях, может быстро конвертироваться в эволюционно значимые единицы (evolutionary significant units). По всей видимости, для более корректной оценки темпов эволюции и диверсификации полиплоидных и диплоидных линий лучше использовать близкородственные линии, которые развиваются в одних и тех же экосистемах или в сходных. Вместе с тем, мы должны отметить, что более обстоятельно ответить на вопрос о связи полиплоидизации с темпом адаптивных радиаций у рыб возможно будет лишь после масштабных геномных работ, которые на полиплоидах еще не проводились. V. Проведен сравнительный анализ адаптивных радиаций в речных условиях (о которых мало что было известно) с таковыми в озерных условиях (хорошо описаны в мировой литературе). В настоящем проекте изучены пять речных адаптивных радиаций в четырех географически изолированных речных бассейнах и одна озерная. Наше исследование показывает, что сформировавшееся представление об исключительности озерных экосистем для возникновения адаптивных радиаций неверно. Несмотря на то, что озерные экосистемы характеризуются более диверсифицированными радиациями, из этого правила есть исключения, которые, по всей видимости, будут расширены и дополнены в дальнейшем по мере изучения речных систем. Эти исключения касаются, прежде всего, реофильных рыб. Обнаруженная и изученная нами адаптивная радиация гарр (Garra) из р. Сор в бас. Белого Нила, включающая в себя 7-8 форм заметно более диверсифицирована по сравнению с озерной радиацией гарр в оз. Тана, представленной тремя формами. Надо отметить, что в обоих сравниваемых водоемах - р. Сор и оз. Тана - отмечены и диверсификации усачей Labeobarbus, которые, скорее, являются реофильно-лимнофильными рыбами, то есть несколько более приспособленными к озерным условиям, чем гарры. В этой связи, интересно отметить, что в озере Тана по числу форм существенно доминирует сообщество усачей (15 форм), а в реке - доминирует сообщество гарр. Отметим, что возраст сравниваемых адаптивных радиаций более-менее одинаков (поздний плейстоцен - между формами нет различий по мтДНК). При добавлении к нашему результату опубликованных данных по симпатрическим формам маринок Schizothorax из высокогорных областей Памира и Тибета, предположение о бОльшем потенциале рек (до 6-7 форм) для адаптивной радиации у реофильных рыб по сравнению с озерами (3 формы), получает дополнительный вес. Если же сравнивать радиации только усачей Labeobarbus в озерных и речных условиях Эфиопского нагорья, то адаптивная радиация танских усачей в оз. Тана с 15 формами вне конкуренции. Однако, данная радиация тоже является своего рода исключением, поскольку подобного масштаба радиации не обнаружено на всем обширном ареале Labeobarbus (распространен по всей “под-Сахарной” Африкой), несмотря на обитание усачей в озерах, в том числе озерах Эфиопской Рифтовой долины (Авасса, Лангано, Зваи, Чамо, Абайя). В этих озерах обнаружены мономорфные либо диморфные популяции усача. В то же время в реках Эфиопского нагорья отмечена множественная пролиферация формообразования и по совокупности форм (> 20) речные диверсификации вполне сопоставимы с танской диверсификацией и даже превосходят ее. Наше исследование четко показывает, что более разнообразные адаптивные радиации отягощены вторичными контактами. В этом отношении более древние и широко разветвленные (дендритического характера) речные системы (изученные нами случаи рек Генале и Годжеба) могут предъявлять паттерны более диверсифицированные, чем большинство озер. По итогам 2021 г. опубликованы три статьи в журналах из первого квартиля Q1 Wos/Scopus - Molecular Ecology, Plos One, Water.