Генетический полиморфизм и экологическая пластичность как основа эволюционного благосостояния и прогрессивного расселения озерных лягушек комплекса Pelophylax ridibundus в Казахстане

Руководитель проекта: Дуйсебаева Татьяна Николаевна

Срок реализации: 2020 – 2022 гг.

Актуальность:

Озёрные лягушки – хорошо известные крикливые и очень активные амфибии, которые прежде принимались за один вид – Rana ridibunda. Впервые их описал великий российский исследователь Петр Симон Паллас ещё в 1771 г. Основной ареал озёрных лягушек охватывает огромную территорию от Северной Африки и Европы до Западной и Центральной Азии и включает несколько ландшафтных зон – от лесов умеренного пояса до южных пустынь.

Эти амфибии обладают удивительными адаптационными способностями, населяя не только естественные, но и серьезно изменённые человеком водоёмы, обладают хищническими повадками (крупная особь может спокойно проглотить даже мелкую воробьиную птицу) и выраженной наклонностью к экспансии. В последние несколько десятилетий благодаря молекулярно-генетическим исследованиям удалось выяснить, что озёрные лягушки – это не один вид, а целый комплекс генетических форм и эволюционных линий с неясным таксономическим статусом (комплекс Pelophylax ridibundus). Их ареал неуклонно расширяется и, например, в некоторых странах Европы одна из форм – анатолийская «bedriagae» стала настоящим бедствием. Изучение комплекса P. ridibundus проводится в настоящее время очень активно для европейской части ареала и уже удалось немного открыть завесу тайны экологической пластичности этих амфибий. Восточная же часть ареала, 2/3 которой приходится на Казахстан, остаётся для исследователей «непаханым полем», тогда как сама амфибия продолжает здесь расселяться, успешно осваивая всё новые территории. Известны достоверные факты конкуренции озёрных лягушек с аборигенными видами амфибий.; предполагают, что они создают и определённые трудности при разведении рыб в рыбоводных хозяйствах.

Цель проекта:

Выяснить причины успешной экспансии озерных лягушек (комплекс Pelophylax ridibundus) в Казахстане и оценить риск ее негативного воздействия на аборигенную фауну амфибий и рыбоводные хозяйства.

Задачи проекта

Провести мониторинг современного распространения озерной лягушки и определить границы ареала комплекса в Казахстане по совокупности наземных данных и результатам ГИС-моделирования; выявить районы и направления наиболее активной экспансии;
Определить генетическое разнообразие комплекса P.ridibundus по данным анализа митохондриальной и ядерной ДНК с уточнением природы составляющих его форм (аборигенные или инвазивные) и определением их таксономического статуса;
Оценить экологическое разнообразие комплекса P. ridibundus и выявить ключевые экологические факторы, определяющие эволюционное благосостояние и успех экспансии аборигенных и/или инвазивных форм озерной лягушки;
Установить роль целенаправленных и случайных интродукций в формировании современной генетической и таксономической структуры комплекса P.ridibundus в Казахстане;
Дать прогноз экспансии разных форм комплекса P. ridibundus с учетом климатического тренда и человеческого фактора и оценить ее последствия и/или потенциальную опасность для аборигенной фауны амфибий и региональных хозяйств по рыборазведению, существующих или планируемых к созданию в районах риска;
Разработать рекомендации и мероприятия по предотвращению риска экспансии инвазивных форм P. ridibundus для аборигенной фауны амфибий и региональных рыбоводных хозяйств.

Ожидаемые результаты:

Получить карту современного распространения озёрных лягушек, оценить динамику их расселения за последние десятилетия и дать прогноз расселения на следующие десятилетия, в том числе, с учётом климатических изменений. Определить генетический состав комплекса с уточнением нативных (аборигенных) и инвазивных форм. Сравнить экологические преференции разных генетических форм как по наблюдениям в природе, так и путем ГИС-моделирования их экологических ниш. Выяснить пути интродукции озёрных лягушек в Казахстане (зарыбление водоёмов, поставка лягушек в качестве лабораторных животных, пр.). Отметить особо важные районы контакта с аборигенной батрахофауной и рыбными хозяйствами, где расселяющиеся лягушки могут сыграть роль опасных конкурентов. Разработать рекомендации и составить перечень мероприятий по предотвращению риска экспансии инвазивных форм P. ridibundus для аборигенной фауны амфибий и региональных рыбоводных хозяйств.

Промежуточные результаты

На сегодняшний день завершено обобщение и сверка литературных, музейных и архивных сведений по распространению озёрных лягушек комплекса P. ridibundus в Казахстане, а также получены новые данные в ходе выполнения полевых работ 2021 г. На основе собранного материала составлена база данных по всем известным на сегодня пунктам находок лягушек за период с конца XX столетия по настоящее время. База данных оформлена в таблицах Excel с дифференциацией на хронологические блоки по поступлению материала. Всего суммировано 477 пунктов, в том числе, известных до 2005 г. – 241; зарегистрированных за 2006–2020 гг. – 163 и за 2021 г. – 73. На основе составленных Excel таблиц начата работа над кадастровой картой распространения лягушек комплекса P. ridibundus в Казахстане. По собранному материалу построена демонстрационная карта встреч озёрных лягушек в Казахстане с учётом хронологии поступления материала. На карте для оценки успеха поисковых работ в 2021 г. приведены все обследованные пункты: где были найдены и где отсутствовали лягушки.

Для ГИС-моделирования ареала комплекса P. ridibundus подготовлены атрибутивные таблицы, включившие 16188 пунктов, отобранных по всем известным пунктам находок озёрных лягушек комплекса в Палеарктике (в том числе, данных из портала GBIF – 15502, из литературы – 314, по данным настоящего проекта – 372). Начата работа по моделированию ареала комплекса в программе ArcGIS.

Для молекулярно-генетического исследования подготовлены пробы тканей лягушек из фондов коллекций ИЗ РК и ПГУ и полевых сборов 2021 г. (всего 177 проб из 77 пунктов), охватывающих практически все географические регионы Казахстана. С помощью мультипраймерных ПЦР-систем для определения видоспецифичного типа мт- и яДНК проведено скрининговое молекулярно-генетическое типирование 64 проб из 33 пунктов Казахстана и одного пункта Кыргызстана (из них по ядерному гену – 13 проб из 10 локалитетов). За исключением нескольких проб с крайнего запада Казахстана весь остальной материал по комплексу P. ridibundus типирован впервые. По результатам скрининга, в Казахстане обитают три формы комплекса: инвазивная анатолийская форма «bedriagae» и две нативных формы – «Балхаш» и «Сырдария». Согласно первым данным секвенирования митохондриального маркера, различие нуклеотидного состава гена ND2 мтДНК между P. cf. bedriagae и формами «Балхаш» и «Сырдария» составляет 4,9 % и соответствует видовому уровню генетической дифференциации у амфибий. Секвенирование ядерного маркера (ген SA1 яДНК) подтвердило генетическое сходство форм «Балхаш» и «Сырдария» (дистанция около 0,5 %) и их значительную дифференциацию от P. cf. bedriagae (5,1%).

Для анализа роли преднамеренных и случайных интродукций в расселении озёрных лягушек в Казахстане проведено анкетирование восьми рыбных хозяйств, полевое обследование двух из них, подготовлена база по зарыблению водоёмов Казахстана.

По результатам НИР в 2021 г. опубликована статья в журнале «Russian Journal of Ecosystem Ecology» (РИНЦ, ВАК РФ) – https://doi.org/10.21685/2500-0578-2020-3-3

Итоговые результаты работы:

В результате проекта определены современные границы ареала комплекса P. ridibundus в Казахстане. Суммировано 613 пунктов встреч озёрных лягушек, известных за период с XVIII в. по 2022 г. Показано, что в настоящее время озёрные лягушки населяют территории всех крупных гидрографических бассейнов Казахстана: Урало-Эмбинского, Арало-Сырдарьинского, Нура-Тенгизского, Балхаш-Алакольского, Тобол-Ишимского и Иртышского. Построены кадастровая карта и ГИС-модель ареала комплекса P. ridibundus.

По данным анализа митохондриальной и ядерной ДНК впервые определено генетическое разнообразие комплекса P. ridibundus в Казахстане. Разработана методика определения генетической принадлежности озёрных лягушек Казахстана посредством рестрикционного анализа (ПЦР-ПДРФ анализ) на основе последовательности 1-й субъединицы митохондриального гена НАДН-дегидрогеназы. По результатам митохондриальных маркеров, в стране обитают три формы: анатолийская P. cf. bedriagae, преимущественноинвазивнаядля Казахстана, и центральноазиатская линия озёрных лягушек P. sp. novum с двумя аборигенными сестринскими формами – «Балхаш» и «Сырдария». Определены средние генетические дистанции: для P. cf. bedriagae – 4.4%, клады Балхаш-Сырдарья – 4.9% (видовой уровень), между линиями «Балхаш» и «Сырдария» – 3.1% замен (подвидовой статус).

На основе ГИС-моделирования экологических ниш впервые оценено экологическое разнообразие комплекса P. ridibundus. Созданы ГИС-модели экологической ниши комплекса и отдельных его форм (P. ridibundus, P. cf. bedriagae и балхашской формы), показаны различия в их пространственном размещении, выявлены ключевые экологические факторы и диапазоны их значений. Показано, что анатолийская лягушка P. cf. bedriagae имеет самые широкие диапазоны параметров ЭН, что подтверждает ее высокие адаптивные способности и объясняет их эволюционное благосостояние и успех экспансии в Казахстане и в Евразии, в целом.

Установлена роль случайных интродукций в формировании современной генетической и таксономической структуры комплекса P. ridibundus в Казахстане. Случайные интродукции при зарыблении водоёмов некачественным посадочным материалом послужили основной причиной начала расселения лягушек комплекса P. ridibundus на территории Казахстана, где раньше этих амфибий не было ввиду наличия географических и климатических барьеров. Впервые для Казахстана определены районы происхождения и восстановлены пути расселения детерминированных генетически форм озёрных лягушек. Западные регионы Казахстана (р. Урал) и сопредельные районы России (р. Волга) определены как территории происхождения и первичный источник расселения озёрных лягушек, представленных анатолийской формой P. cf. bedriagae. В свою очередь, прудовые хозяйства и природные водоёмы юго-востока и юга Казахстана стали источниками вторичного расселения озёрных лягушек как уже обитаемой здесь P. cf. bedriagae, так иаборигенной формы «Балхаш». Вторичное расселение происходило преимущественно при зарыблении водоёмов Восточного и Центрального Казахстана, а также при развозе лягушек как лабораторных животных в научно-образовательные учреждения медико-биологического профиля (Караганда, Усть-Каменогорск, Семей).

С учетом анализа климатических изменений и человеческого фактора впервые дан прогноз экспансии представителей комплекса P. ridibundus. На фоне динамики ареала комплекса P. ridibundus за последние 150 лет построена карта прогноза его расширения в ближайшие десятилетия.

В связи с прогнозируемым смещением ареала анатолийской лягушки для аборигенных видов амфибий Северного и Восточного Казахстана риск с её стороны не будет особенно высоким ввиду их принадлежности к бореальной фауне. Ареалы этих видов будут смещаться в том же направлении. Для холодостойкой центральноазиатской лягушки, обитающей на крайнем юго-востоке Казахстана, в связи потеплением климата риск со стороны теплолюбивых озёрных лягушек сохранится. Получены достоверные факты по вреду озёрных лягушек для рыборазведения: поедание мальков, пищевая конкуренция молоди рыб и лягушек. На основе долгосрочной Программы развития рыбного хозяйства РК на 2021–2030 гг. составлены карты рисков для РХ на текущий момент и с перспективой до 2060 г. Выделены регионы, где лягушки могут наносить ощутимый вред и где их влияние будет незначительным.

Список опубликованных работ:

Dujsebayeva Т.N., Ivanov А.Yu., Kaptyonkinа А.G., Ualiyeva D.A., Krainyuk V.N., Cherednichenko А.V., Khromov V.А. The marsh frogs (Pelophylax ridibundus complex) in Central Kazakhstan: expansion and retreat // Russian Journal of Ecosystem Ecology. – 2022. – Vol. 6 (3). – P. 1-18. https://doi.org/10.21685/2500-0578-2021-3-3 (РИНЦ, ВАК РФ)
Ualiyeva D.А., Ivanov A.Yu., Ermakov О.А. A development of a PCR-RFLP test system for the identification of mitochondrial lines of the Pelophylax ridibundus lake frog in Kazakhstan // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. // Estestvennye nauki. [University proceedings. Volga region. Natural sciences]. – 2022. – Vol. 1. – P. 76-83. https://doi:10.21685/2307-9150-2022-1-7 (РИНЦ, ВАК РФ)
Каптёнкина А.Г., Дуйсебаева Т.Н., Ахмеденов К.М., Хромов В.А., Крайнюк В.Н., Саржанов Ф., Стариков С.В., Тарасовская Н.Е., Тимошенко А.Ю., Титов С.В. Ареал озёрных лягушек (комплекс Pelophylax ridibundus, Amphibia, Ranidae) в Казахстане: прогрессивное расселение или циклические колебания? // Труды Зоологического института РАН. – 2022. – Т. 326 (3). – С. 211–237. https://doi.org/10.31610/trudyzin/2022.326.3.211 (ядро РИНЦ, ВАК РФ, Scopus IF 0.6)
Ualiyeva D., Ermakov O.A., Ivanov A.Yu., Guo X., Litvinchuk S.N., Arifulova I.I., Dujsebayeva T.N., Kaptyonkina A.G., Khromov V.A., Krainyuk V.N., Sarzhanov F. 2022. Phylogeography of Marsh Frog Pelophylax ridibundus from Kazakhstan and adjacent Northwest China // Diversity (MDPI). – 2022. – Vol. 14. – P. 1-17. https://doi.org/10.3390/d14100869 (Scopus IF 3.029, Q2, процентиль 70)
Дуйсебаева Т.Н., Боркин Л.Я., Чирикова М.А. На перекрёстке Европы и Азии. История и перспективы изучения герпетофауны Актюбинской области (Казахстан) // III Междунар. конф., посвящ. памяти Н.А. Зарудного «Наземные позвоночные аридных и субаридных экосистем Арало-Каспийского бассейна». 3–7 октября 2022 г., Оренбург (в печ.).

Члены исследовательской группы:

Ведущий научный сотрудник Института зоологии МОН РК, канд. биол. наук Т. Н. Дуйсебаева. ORCID ID: 0000-0002-0127-3604, Scopus Author ID: 22634360000, Web of Science Researcher ID: T–7776-2019
Старший научный сотрудник Пензенского государственного университета (Российская Федерация), канд. биол. наук А. Ю. Иванов, ORCID ID: 0000-0001-9792-2201, Scopus Author ID: 57209348150
Научный сотрудник Института зоологии МОН РК, магистр И. Арифулова, ORCID ID: 0000-0002-5303-5640, Scopus Author ID: 18435997000, Web of Science Researcher ID: Q-1484-2017
Младший научный сотрудник Института зоологии МОН РК, магистр Д. Уалиева, ORCID ID: 0000-0002-0271-5523, Daniya Ualiyeva – Google Scholar
Младший научный сотрудник Института зоологии МОН РК, магистр А. Каптенкина, ORCID ID: 0000-0003-1492-8056