Вирощені в неволі лососі епігенетично відрізняються від своїх диких родичів

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 59

Ріс. 1. Лососів, вирощених у неволі, мітять відрізанням жирового плавника (adipose fin). Зліва — пестрятки, стадія життя риб, на якій відбувається мрія; праворуч — виловлені з океану дорослі лососі з міткою і без неї. Зображення з сайтів captainquinn.com і wdfw.wa.gov

У XX столітті людство усвідомило шкоду, яку завдають природним популяціям лососеві через неконтрольований вилов. З’явилися програми для відновлення чисельності різних видів атлантичного лосося: ікринки і мальків вирощують в спеціальних умовах, а потім випускають на волю. Незважаючи на постійне вдосконалення програм з вирощування, виведений у неволі лосось залишається менш пристосованим до життя в океані, ніж дикий. У новому дослідженні показано, що одна з основних причин зниженої пристосованості вирощеного в неволі лосося — це епігенетичні зміни. Штучні умови на ранніх стадіях призводять до зниження активності генів, робота яких необхідна для адаптації до океанічної води, правильного функціонування мускулатури тощо.

Розведенням лососів людство займається вже не одну сотню років, а останнім часом на частку рибогосподарств припадає близько 70% від світового улову цієї риби. Ще 40 років тому таким способом видобували менше чверті лососевих, при тому, що за цей час загальний улов зріс майже в 4 рази (з 750 тис. до більш ніж 3 млн тонн). Виведеними в неволі рибами також поповнюють і природні популяції, які сильно постраждали в XX столітті від масового вилову.

Раніше життєвий цикл штучно розлучених лососів виглядав приблизно так. Ікру і молоки для розведення привозили з річок, де нерестяться природні популяції лосося. На заводі ікру запліднювали, змішуючи статеві продукти самок і самців. Потім ікру містили в прісноводних інкубаторах, при постійній невеликій течії. Приблизно через три місяці після запліднення вилуплюються мальки (вільні зародки), які ще кілька тижнів не харчуються і майже не плавають (рис. 2). Вони більшу частину часу лежать на дні і живуть за рахунок поживних речовин, збережених у жовточному мішку. Коли запас жовтка вичерпується, малюк починає активне життя, тримаючись ближче до дна і харчуючись планктоном. Досягнувши довжини 4-8 см, мальки переходять на стадію пестрятки. У рясніток характерний строкатий окрас, вони активно годуються в річці хробаками, молюсками, комахами і донними обростаннями. Через кілька місяців або навіть пару років, залежно від виду, смугастий забарвлення зникає, риби досягають 10-15 см і починають мігрувати до гирла річки. Ця стадія називається смолт і триває від декількох днів до декількох місяців. У гирлі риба адаптується до солоної морської води, у неї збільшується хвіст і лусочки, забарвлення стає яскраво-сріблястим. Цей процес називають смолтифікація, після неї лосось збивається в косяки і відправляється в морські води. В океані риби проводять 1-5 років (залежно від виду), годуючись іншими рибами, личинками крабів, молюсками тощо. Потім вони повертаються в гирло рідної річки.

Ріс. 2. Життєвий цикл атлантичного лосося і кижуч в шлюбному вбранні. Зображення з сайтів boomerangclub.ru і nativefishsociety.org

У всіх лососевих риб є вражаюча здатність за допомогою нюху точно знаходити ту саму річку, де вони вилупилися. Лосось, вирощений на рибоводному заводі, повертався на цей завод для нересту, де його і виловлювали. У природі лосось проти течії піднімається від гирла річки до місць нересту, демонструючи разючі спритність і завзятість. У цей час риби перестають харчуватися, а досягнувши пункту призначення, готуються до нересту: самці купують яскраве шлюбне забарвлення, а самки вибирають місце для гнізда, викопують за допомогою різких рухів хвоста ямку і відкладають в неї дозрілу до цього моменту ікру. Одночасно з цим самець, який сторожив споруджувану гніздо самицю, випускає молоки. Самка може зробити до трьох гнізд. Після нересту вона охороняє свої гнізда, а самець шукає інших споруджуючих гніздо самиць. У більшості видів розмноження відбувається лише один раз у житті: і самці і самки гинуть протягом тижня після нересту.

Однак харчова цінність лосося після нересту дуже низька, і вона падає в міру його просування вгору по річці. Тому на рибоводних заводах лососю не давали дійти до статевої зрілості і тим більше віднереститися. А для продовження виробництва знову привозили ікру і молоки з природних місць нересту лосося. Таким чином, рибоводні заводи з їх впливу на природні популяції мало відрізнялися від звичайної ловлі. Є й інші проблеми, що викликаються штучним розведенням лосося; див., наприклад, Аквакультура лососів може призвести до зникнення природної популяції горбуші, «Елементи», 18.12.2007.

З часом стало ясно, що вилов риби зі світового океану людьми занадто великий і що природні популяції лососевих з роками все сильніше виснажуються. Для низки видів і регіонів рибний промисел заборонили, однак цього виявилося недостатньо для відновлення природних популяцій. Тому багато рибоводних заводів до кінця XX століття частково або повністю перейшли на вирощування риб, яким давали віднереститися після повернення. Завдяки контролю виживаності найбільш вразливих ранніх стадій розвитку лосося, на таких заводах до смолтифікації доживає набагато більше риби, ніж у природних умовах. Однак від смолтифікації і до повернення лосося на нерест ніякого додаткового контролю немає і виживання риби забезпечується її пристосованістю до життя в дикій природі.

Дослідження показують, що в океані штучно вирощені лососі менш успішні, ніж їхні дикі сородичі: вони швидше втомлюються і гірше рятуються від хижаків (C. M. Chittenden et al., 2010. Genetic versus rearing-environment effects on phenotype: hatchery and natural rearing effects on hatchery- and wild-born coho salmon). Знижена пристосованість вирощених у неволі риб — серйозна проблема для робіт з відновлення природних популяцій лосося.

Серед лосося, який кілька поколінь нереститься на рибоводних заводах, може відбуватися якийсь відбір. Як побічний ефект зростає відносна виживаність тих мальків, які краще пристосовані для умов, створених у штучних водоймах та інкубаторах. Крім того, генетичне розмаїття цих риб обмежено тими генами, які були у риб-виробників, що дали початок штучній популяції. Тому вживаються заходи з обміну генами між дикими лососями і вирощеними в неволі: риб почали розводити в безпосередній близькості від природних місць нересту, щоб риби, які повертаються на нерест, потрапляли в штучні водойми, а вирощені в неволі риби могли б залишати потомство на волі. Передбачалося, що такий обмін генами вирішить описані вище проблеми. Однак виявилося, що для значних змін в експресії генів у домашнього лосося порівняно з диким достатньо всього одного покоління (M. R. Christie, 2012. Genetic adaptation to captivity can occur in a single generation). А це означає, що вирощені в неволі лососі відразу відрізняються від диких за пристосованістю і справа тут не може бути в одній лише генетиці.

У Канаді було проведено дослідження, в якому перевіряли гіпотезу про те, що вирощений у неволі лосось відрізняється від дикого не через різницю в наборі генів, а через різну їх регуляцію. Справа в тому, що гени самі по собі не визначають те, якою буде тварина. По-перше, на розвиток організму крім генів постійно впливають зовнішні умови (про співвідношення вкладів генів і середовища див. схильність до емоційного переїдання або недоїдання не успадковується, «Елементи», 13.09.2017). По-друге, з різних причин наявний у організму ген може бути «включений» або «вимкнений». Як правило, на різних стадіях розвитку, в різних органах і навіть в окремих клітинах набори працюючих генів різні. Експресія генів в організмі регулюється дуже складно. Крім різноманітних сигнальних речовин на експресію може впливати, наприклад, просторове розташування ДНК (різні ділянки можуть бути по-різному згорнуті, що заважає або навпаки сприяє роботі розташованих у цих ділянках генів) або розмітка метильними групами, які, зв’язуючись з регуляторними ділянками генів, вимикають їх — іноді тимчасово, а іноді і назавжди. Подібні модифікації відбуваються протягом усього життя, але особливо активно вони йдуть під час утворення гамет і раннього розвитку (див. рибки Danio rerio успадковують модифікації ДНК від батька, «Елементи», 21.06.2013). Вони змінюють роботу генів, але не саму ДНК, тому загалом їх називають епігенетичними, тобто такими, що відбуваються «над генами» (див. відео). Епігенетичні зміни можуть відбуватися як під дією продуктів інших генів, так і під дією зовнішнього оточення.

Дослідники перевірили рівень метильованості різних ділянок ДНК у диких і домашніх лососів з двох річок Британської Колумбії на стадії смолту. На обох річках — Капілано (Capilano River) і Квінсам (Quinsam River) відбувається природний нерест лосося-кижуча (Oncorhynchus kisutch). Обидві річки мають невеликі штучні відгалуження для розведення лосося. В обох випадках рибоводний завод розташований і оснащений таким чином, щоб риби, що нерестяться на заводі, і риби, що нерестяться в природі, являли собою єдину популяцію. Для початку вчені перевірили, чи дійсно це так. Аналіз генетичної мінливості показав, що вирощені в неволі і в природних умовах риби однієї річки є один одному родичами. А між річками вже спостерігаються деякі значущі генетичні відмінності.

Ступінь метильованості ДНК у вирощених у неволі риб виявилася значно вищою, ніж у диких. Це свідчить про те, що багато генів, які працюють у диких смолтів, не функціонують з тією ж інтенсивністю у домашніх.

Серед ділянок з підвищеним метилуванням виявилося багато пов’язаних з іонним гомеостазом і контролем рівня рідин у тілі. Знижена активність цих ділянок ДНК може пояснити зазначені раніше ускладнення під час смолтифікації, тобто пристосування до морської води, у домашнього лосося (J. M. Shrimpton et al., 1994. Differences in measurements of smolt development between wild and hatchery-reared juvenile coho salmon (Oncorhynchus Kisutch) before and after saltwater exposure).

Надлишкову кількість метильних груп було виявлено і в генах, що беруть участь у формуванні контактів між нервами і м’язами. Це в свою чергу погіршує координацію м’язових рухів і може бути причиною зазначених вище стомлюваності і поганого уникнення хижаків у вирощеного в неволі лосося порівняно з диким.

Крім того, значною мірою вимкненими виявилися деякі гени, пов’язані з імунною відповіддю та харчовою поведінкою, а також гени, продукти яких задіяні в регуляції експресії безлічі інших ділянок геному.

Один з найбільш цікавих результатів цієї роботи в тому, що зміни ступеня метильованості були однакові на двох рибоводних заводах, які брали участь у дослідженні. Надлишок метильних груп у домашніх смолтів порівняно з дикими з тієї ж річки спостерігався на одних і тих же ділянках ДНК. Виходить, що саме створені людиною умови, а не випадкові відмінності, призводять до спостережуваного негативного ефекту: зниженої пристосованості домашнього лосося в океані. Тепер залишається з’ясувати, які саме умови рибництва слід змінити, щоб це виправити і в результаті поліпшити роботу програм з відновлення лосося в природі.

Джерело: Jérémy Le Luyer, Martin Laporte, Terry D. Beacham, Karia H. Kaukinen, Ruth E. Withler, Jong S. Leong, Eric B. Rondeau, Ben F. Koop, and Louis Bernatchez. Parallel epigenetic modifications induced by hatchery rearing in a Pacific Salmon // PNAS. 2017. DOI: 10.1073/pnas.1711229114.

Олена Сухопутова