Study of single nucleotide polymorphism DNA in populations of sockeye salmon at Kamchatka, northwestern coast of the Okhotsk Sea, and Chukotka

Population structure of Asian sockeye salmon is considered by variability of 45 loci of single nucleotide polymorphism DNA (SNP) in 17 samples from its 10 major spawning grounds at Chukotka, Kamchatka, and northwestern coast of the Okhotsk Sea. General pattern of genetic heterogeneity of sockeye salmon is well corresponded with spatial-geographic structure of the species. Five groups of populations are determined by cluster analysis and AMOVA: the so called nuclear populations at Kamchatka, as the population complexes of the Ozernaja River and Kamchatka River, the group of secondary stocks of the lake-river systems at Koryak coast, and two subperipheral populations of Chukotka and the Okhota and Palana Rivers. The groups split to the south and north complexes. Possible mechanisms of such differentiation with close similarity among populations of South-East Kamchatka and strongly separate population of the Palana and Okhota Rivers are discussed taking into account other markers (microsatellite loci, mtDNA). There is supposed that high differentiation of the Palana and Okhota River sockeye is caused by mutual impact of adaptive (local selection) and demographic (gene drift, effective number decrease) processes in this population.

нерка Oncorhynchus nerka, ОНП, SNP, дифференциация популяций, популяционная структура, адаптивная генетическая изменчивость, sockeye salmon, Oncorhynchus nerka, single nucleotide polymorphism, SNP, population differentiation, population structure, adaptive genetic variability

1. Бачевская Л.Т., Переверзева В.В., Иванова Г.Д. и др. Генетическое разнообразие нерки (Oncorhynchus nerka) из некоторых рек восточной Камчатки и материкового побережья Охотского моря по данным полиморфизма гена цитохрома b митохондриальной ДНК // Исслед. водн. биол. ресурсов Камчатки и сев.-зап. части Тихого океана : сб. науч. тр. КамчатНИРО. - 2015. - Вып. 38. - С. 49-56. DOI: 10.15853/2072-8212.2015.38.49-56.

2. Брайцева О.А., Евтеева И.С. Климатические колебания и плейстоценовые оледенения Камчатки // Геология и геофизика. - 1968. - № 5. - С. 16-22.

3. Брыков Вл.А., Полякова Н.Е., Подлесных А.В. Дивергенция митохондриальной ДНК в популяциях нерки (Oncorhynchus nerka Walbaum) озера Азабачьего (Камчатка) // Генетика. - 2003. - Т. 39, № 12. - С. 1687-1692.

4. Брыков Вл.А., Полякова Н.Е., Подлесных А.В. и др. Влияние биотопов размножения на генетическую дифференциацию популяций нерки (Oncorhynchus nerka) // Генетика. - 2005. - Т. 41, № 5. - С. 635-645.

5. Бугаев В.Ф. Азиатская нерка (пресноводный период жизни, структура локальных стад, динамика численности) : моногр. - М. : Колос, 1995. - 464 с.

6. Бугаев В.Ф., Бугаев А.В., Дубынин В.А. Биологические показатели стад нерки Oncorhynchus nerka Восточной Камчатки, Корякского нагорья и некоторых других территорий // Сохранение биоразнообразия Камчатки и прилегающих морей : докл. 7-й междунар. науч. конф., посвящ. 25-летию организации Камчатского отдела Института биологии моря. - Петропавловск-Камчатский : Камчатпресс, 2007. - С. 15-40.

7. Бугаев В.Ф., Кириченко В.Е. Нагульно-нерестовые озера азиатской нерки (включая некоторые другие водоемы ареала) : моногр. - Петропавловск-Камчатский : КамчатНИРО, 2008. - 280 с.

8. Бугаев В.Ф., Миловская Л.В., Лепская Е.В. и др. Исследования нерки Oncorhynchus nerka оз. Паланского в 1990-2001 гг. (северо-западная Камчатка) // Изв. ТНИРО. - 2002. - Т. 130. - С. 777-791.

9. Варнавская Н.В. Генетическая дифференциация популяций тихоокеанских лососей : моногр. - Петропавловск-Камчатский : КамчатНИРО, 2006. - 488 с.

10. Глубоковский М.К. Эволюционная биология лососевых рыб : моногр. - М. : Наука, 1995. - 343 с.

11. Гордеева Н.В. Высокие оценки дифференциации популяций горбуши Oncorhynchus gorbuscha по локусу главного комплекса гистосовместимости MHC-I A1 поддерживают гипотезу «локальных стад» // Вопр. ихтиол. - 2012. - Т. 52, № 1. - С. 72-81.

12. Коновалов С.М. Популяционная биология тихоокеанских лососей : моногр. - Л. : Наука, 1980. - 237 с.

13. Никулин О.А. Воспроизводство красной Oncorhynchus nerka (Walb.) в бассейне р. Охоты // Тр. ВНИРО. - 1975. - Т. 106. - С. 97-105.

14. Павлов С.Д., Пономарева Е.В., Холодова М.В. и др. Генетическое разнообразие нерки Оncorhynchus nerka Walbaum Камчатки и Командорских островов на основании анализа вариабельности микросателлитной ДНК // Изв. РАН. Сер. биол. - 2016. - № 1. - С. 17-26. DOI: 10.7868/S0002332916010136.

15. Пильганчук О.А., Шпигальская Н.Ю. Популяционно-генетическая дифференциация нерки Oncorhynchus nerka (Walbaum, 1792) восточного побережья Камчатки // Биол. моря. - 2013. - Т. 39, № 5. - С. 371-379.

16. Салменкова Е.А. Молекулярно-генетические основы процессов адаптации и подходы к их анализу // Генетика. - 2013. - Т. 49, № 1. - С. 94-102. DOI: 10.7868/S0016675813010116.

17. Хрусталева А.М. Комплексный метод дифференциации нерки (Oncorhynchus nerka) азиатских стад : моногр. - М. : ВНИРО, 2007. - 165 с.

18. Хрусталева А.М. Филогеография азиатской нерки Oncorhynchus nerka по данным изменчивости митохондриальных локусов ОНП: анализ сценариев послеледникового расселения вида на азиатском побережье Тихого океана // Изв. ТИНРО. - 2016. - Т. 186. - С. 93-106.

19. Хрусталева А.М., Гриценко О.Ф., Кловач Н.В. Полиморфизм по однонуклеотидным заменам (SNP) в популяциях нерки Oncorhynchus nerka п-ва Камчатка // Генетика. - 2013. - Т. 49, № 11. - С. 1322-1336. DOI: 10.7868/S001667581311009X.

20. Хрусталева А.М., Кловач Н.В., Ведищева Е.В., Сиб Дж.Е. Генетическая дифференциация нерки Oncorhynchus nerka бассейна р. Камчатка и озерно-речных систем западного побережья Берингова моря по данным анализа локусов однонуклеотидного полиморфизма // Генетика. - 2015. - Т. 51, № 10. - С. 1141-1153. DOI: 10.7868/S0016675815090052.

21. Хрусталева А.М., Кловач Н.В., Гриценко О.Ф., Сиб Дж.Е. Внутри- и межпопуляционная изменчивость нерки Оncorhynchus nerka юго-западного побережья Камчатки по данным однонуклеотидного полиморфизма // Генетика. - 2014. - Т. 50, № 7. - С. 840-852. DOI: 10.7868/S0016675814070091.

22. Шпигальская Н.Ю., Шапорев Р.А., Збоева Е.Н., Варнавская Н.В. Генетическая дифференциация по аллозимным локусам локальных популяций нерки Оncorhynchus nerka (Walbaum) в бассейне р. Камчатка (п-ов Камчатка) // Популяционная биология, генетика и систематика гидробионтов : сб. науч. тр. - Петропавловск-Камчатский : КамчатНИРО, 2005. - Т. 1. - С. 104-119.

23. Ackerman M.W., Habicht C., Seeb L.W. Single-nucleotide polymorphisms (SNPs) under diversifying selection provide increased accuracy and precision in mixed-stock analyses of sockeye salmon from the Copper River, Alaska // Trans. Amer. Fish. Soc. - 2011. - Vol. 140, Iss. 3. - P. 865-881.

24. Beacham T.D., McIntosh B., MacConnachie C. et al. Pacific Rim population structure of sockeye salmon as determined from microsatellite analysis // Trans. Amer. Fish. Soc. - 2006a. - Vol. 135, Iss. 1. - P. 174-187.

25. Beacham T.D., Varnavskaya N.V., McIntosh B., MacConnachie C. Population structure of sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) from Russia determined with microsatellite DNA variation // Trans. Amer. Fish. Soc. - 2006b. - Vol. 135, Iss. 1. - P. 97-109.

26. Bickham J.W., Wood C.C., Patton J.C. Biogeographic implications of cytochrome b sequences and allozymes in sockeye (Oncorhynchus nerka) // J. Hered. - 1995. - Vol. 86, Iss. 2. - P. 140-144.

27. Cornuet J.M., Luikart G. Description and power analysis of two tests for detecting recent population bottlenecks from allele frequency data // Genetics. - 1996. - Vol. 144, № 4. - P. 2001-2014.

28. Earl D.A., von Holdt B.M. STRUCTURE HARVESTER: a website and program for visualizing STRUCTURE output and implementing the Evanno method // Conservation Genet. Resour. - 2012. - Vol. 4, Iss. 2. - P. 359-361. DOI: 10.1007/s12686-011-9548-7.

29. Elfstrom C.M., Smith C.T., Seeb J.E. Thirty-two single nucleotide polymorphism markers for high-throughput genotyping of sockeye salmon // Mol. Ecol. Notes. - 2006. - Vol. 6, Iss. 4. - P. 1255-1259. DOI: 10.1111/j.1471-8286.2006.01507x.

30. Excoffier L., Laval G., Schneider S. Arlequin (version 3.0): An integrated software package for population genetics data analysis // Evol. Bioinform. Online. - 2005. - Vol. 1. - P. 47-50.

31. Fraser D.J., Weir L.K., Bernatchez L. et al. Extent and scale of local adaptation in salmonid fishes: review and meta-analysis // Heredity. - 2011. - Vol. 106(3). - P. 404-420. DOI: 10.1038/hdy.2010.167.

32. Giger T., Excoffier L., Amstutz U. et al. Population transcriptomics of life-history variation in the genus Salmo // Mol. Ecol. - 2008. - Vol. 17, Iss. 13. - P. 3095-3108. DOI: 10.1111/j.1365-294X.2008.03820.x.

33. Gomez-Uchida D., Seeb J.E., Smith M.J. et al. Single nucleotide polymorphisms unravel hierarchical divergence and signatures of selection among Alaskan sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) populations // BMC Evolutionary Biology. - 2011. - Vol. 11. DOI: 10.1186/1471-2148-11-48.

34. Goudet J. FSTAT (version 1.2): a computer program to calculate F-statistics // J. Hered. - 1995. - Vol. 86, Iss. 6. - Р. 485-486.

35. Habicht C., Seeb L.W., Myers K.W. et al. Summer-fall distribution of stocks of immature sockeye salmon in the Bering Sea as revealed by single-nucleotide polymorphisms // Trans. Amer. Fish. Soc. - 2010. - Vol. 139, Iss. 4. - P. 1171-1191.

36. Larson W.A., Seeb J.E., Dann T.H. et al. Signals of heterogeneous selection at an MHC locus in geographically proximate ecotypes of sockeye salmon // Mol. Ecol. - 2014. - Vol. 23, Iss. 22. - P. 5448-5461. DOI: 10.1111/mec.12949.

37. McClelland E.K., Ming T.J., Tabata A. et al. Patterns of selection and allele diversity of class I and class II major histocompatibility loci across the species range of sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) // Mol. Ecol. - 2013. - Vol. 22, Iss. 18. - P. 4783-4800. DOI: 10.1111/mec.12424.

38. McGlauflin M.T., Schindler D., Habicht C. et al. Spawning Habitat and Geography Influence Population Structure and Juvenile Migration Timing of Sockeye Salmon in the Wood River Lakes, Alaska // Trans. Amer. Fish. Soc. - 2011. - Vol. 140, Iss. 3. - P. 763-782.

39. Miller K.M., Li S., Kaukinen K.H. et al. Genomic signatures predict migration and spawning failure in wild Canadian salmon // Science. - 2011. - Vol. 331. - P. 214-217. DOI: 10.1126/science.1196901.

40. Nielsen E.E., Hemmer-Hansen J., Larsen P.F., Bekkevold D. Population genomics of marine fishes: identifying adaptive variation in space and time // Mol. Ecol. - 2009. - Vol. 18, Iss. 15. - P. 3128-3150. DOI: 10.1111/j.1365-294X.2009.04272.x.

41. Pavey S.A., Sutherland B.J.G., Leong J. et al. Ecological transcriptomics of lake-type and riverine sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) : BMC Ecology. - 2011. - Vol. 11. DOI: 10.1186/1472-6785-11-31.

42. Pritchard J.K., Stephens M., Donnelly P. Inference of population structure using multilocus genotype data // Genetics. - 2000. - Vol. 155, № 2. - Р. 945-959.

43. Raymond M., Rousset F. GENEPOP (version 1.2): population genetics software for exact tests and ecumenicism // J. Hered. - 1995. - Vol. 86, Iss. 3. - P. 248-249.

44. Seeb J.E., Pascal C.E., Ramakrishnan R., Seeb L.W. SNP genotyping by the 5’-nuclease reaction: advances in high-throughput genotyping with nonmodel organisms // Methods Mol. Biol. - 2009. - Vol. 578. - P. 277-292. DOI: 10.1007/978-1-60327-411-1_18.

45. Smith C.T., Elfstrom C.M., Seeb L.W., Seeb J.E. Use of sequence data from rainbow trout and Atlantic salmon for SNP detection in Pacific salmon // Mol. Ecol. - 2005. - Vol. 14, Iss. 13. - P. 4193-4203. DOI: 10.1111/j.1365-294X.2005.02731.x

46. Streelman J.T., Kocher T.D. Microsatellite variation associated with prolactin expression and growth of salt-challenged tilapia // Physiol. Genomics. - 2002. - Vol. 9(1). - P. 1-4.

47. Varnavskaya N.V., Wood C.C., Everett R.J. et al. Genetic differentiation of subpopulations of sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) within lakes of Alaska, British Columbia, and Kamchatka, Russia // Can. J. Fish Aquat. Sci. - 1994a. - Vol. 51 (Suppl.). - P. 147-157.

48. Varnavskaya N.V., Wood C.C., Everett R.J. Genetic variation in sockeye salmon (Oncorhynchus nerka) populations of Asia and North America // Can. J. Fish Aquat. Sci. - 1994b. - Vol. 51 (Suppl.). - P. 132-146.