Луч света в царстве атлантического лосося

Карельские биологи ведут изучение молоди атлантического лосося Salmo salar и выясняют, как эффект варьирования световых режимов воздействует на её рост и развитие в искусственных условиях выращивания и какие метаболические превращения сопровождают эти процессы. Разработка ученых направлена на поддержание естественных популяций этого вида лососевых в водоёмах Республики Карелия и Кольского полуострова, что, в свою очередь, способствует решению задач промыслового возврата рыбы на нерест в реки северо-запада России.

Одним из значимых факторов для жизнедеятельности большей части видов живых организмов является свет, который оказывает «стимулирующее» влияние на их вес, рост и метаболизм. Интенсивность и длительность освещения – это одни из важнейших характеристик света, которые необходимо учитывать при выращивании рыбы при искусственном разведении. Так, изменение светового режима (фотопериода) может влиять на рост атлантического лосося и его готовность к смолтификации (комплексной подготовке организма к обитанию в морской воде).

Ученые Института биологии ФГБУН ФИЦ "Карельский научный центр Российской академии наук" (г. Петрозаводск) с помощью биохимических и молекулярно-генетических методов исследований изучают характеристики скорости роста, включая показатели пластического и энергетического обмена у молоди атлантического лосося Salmo salar L., рост и развитие которого происходит в выростных бассейнах рыбоводного завода при разных световых режимах. Результаты проведенных исследований подтверждают, что режимы длительного и непрерывного воздействия света действительно оказывают влияние на рост и развитие молоди рыб и приводят к «включению» биохимических адаптаций, направленных на поддержание необходимого уровня пластического и энергетического обмена в организме.

Исследования ведутся второй год в рамках проекта по гранту РНФ № 19-14-00081 «Влияние физических факторов на эффективность искусственного (заводского) воспроизводства молоди атлантического лосося Salmo salar: физиолого-биохимическая и молекулярно-генетическая характеристика» (2019-2021 гг.)  и являются логическим продолжением исследований гранта РНФ № 14-24-00102 «Лососевые рыбы Северо-Запада России: эколого-биохимические механизмы раннего развития», связанных с изучением эколого-биохимических механизмов раннего развития лососевых  Salmonidae рыб Северо-Запада России из природных водоемов – 20 различных биотопов и микробиотопов лососевых рек бассейнов Белого моря, Онежского и Ладожского озер.

Как отмечает руководитель проекта Нина Немова, главное, что было показано на данный период в исследовании, что «разнокачественность особей исследуемых рыб по биохимическому статусу является одним из определяющих факторов стратегии их роста и развития, адаптационного потенциала и обеспечивает, в конечном счете, выживание вида. Стабильность регуляции жизненных функций в процессе роста молоди лососевых рыб Европейского Севера обеспечивается структурными перестройками метаболических систем организма.

 Результаты свидетельствуют о фундаментальной роли биохимического метаболизма в процессах роста и развития лососевых рыб, в том числе, в дифференциации эмбрионов, личинок и мальков одной генерации, приводящей к образованию фенотипических групп с различными сроками смолтификации. Были также выявлены биохимические критерии, характеризующие "готовность" молоди к смолтификации (жирнокислотный спектр, соотношение отдельных физиологически значимых жирных кислот, уровень энергетических липидов, профиль синтеза и деградации мышечных белков и регулирующих миогенез факторов и др.). Основываясь на анализе полученных данных для роста и развития молоди естественных популяций, мы поставили перед собой задачу изучить эти процессы при искусственном выращивании молоди лосося  в условиях рыбоводного завода, где есть возможность воздействовать варьированием физических факторов на процессы ее развития».

Нина Николаевна Немова – руководитель проекта по гранту РНФ, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор, руководитель научного направления "Биологические науки" ФГБУН ФИЦ "Карельский научный центр Российской академии наук" (г. Петрозаводск) и ответственные исполнители проекта – сотрудники лаборатории экологической биохимии Института биологии ФГБУН ФИЦ "Карельский научный центр Российской академии наук" (г. Петрозаводск)  – доктор биологических наук, заведующий лабораторией Светлана Александровна Мурзина и кандидат биологических наук, старший научный сотрудник  лаборатории Мария Викторовна Чурова  – рассказали, как их фундаментальные исследования в рамках проекта РНФ могут быть использованы для практических разработок в усовершенствовании существующей технологии искусственного выращивания молоди лососевых рыб, каково воздействие фотопериода на ее скорость роста и что показал биохимический анализ  липидного статуса, активности ферментов углеводного и энергетического обмена.

Руководитель проекта Нина Немова пояснила, почему возникла необходимость проведения биохимических и молекулярно-генетических исследований взаимосвязи роста и развития молоди атлантического лосося Salmo salar L в искусственных условиях северных рыбозаводов и фотопериода и какое значение  могут иметь результаты работы для  поддержания их популяции в водах России:

 «Актуальность и научная значимость проводимых исследований обусловлены необходимостью создания научно-обоснованного задела при решении задач, связанных с получением высококачественного "выростного" фонда молоди ценных хозяйственно-полезных рыб для пополнения численности их природных популяций в рамках компенсационных мероприятий. Известно, что популяционный фонд атлантического лосося (Salmo salar L., сем. Лососевые, отр. Лососевидные) России представляет существенную часть мировых запасов вида, а его пресноводная форма сосредоточена главным образом в Карелии. Истощение промысловых запасов лосося требует мер по поддержанию устойчивого воспроизводства естественных популяций, в том числе с помощью искусственного разведения молоди ценных рыб, выпускаемой в естественные водоемы. Эффективность северных рыбоводных заводов, оцениваемая по % возврата производителей на нерестилища, недостаточно высока в силу самых разных причин.

Известно, что на рыбоводных заводах северных регионов, в отличие от южных, подращенная в течение 2 лет молодь представляет собой смесь пестряток и смолтов и первые, не готовые к скату (несмолтифицированные), после выпуска в море обречены на гибель. Доращивание пестряток на заводе в течение еще одного года экономически очень затратно, в то время как высокий промысловый возврат лососевых может быть достигнут только при выпуске с рыбоводных заводов молоди, жизнестойкой, физиологически готовой к миграции на нагул. Ключевым фактором в готовности молоди к смене среды обитания является ее размер, увеличение которого приближает начало процесса смолтификации, а следовательно, и повышает адаптивный потенциал и выживаемость особей. Фотопериод, как известно, контролирует скорость роста рыб, локомоторную активность, скорость метаболизма, половое созревание и размножение посредством его влияния на эндогенные ритмы и уровень гормона роста. Дополнительное освещение может быть применено для ускорения роста и торможения их полового созревания, что будет способствовать появлению более крупных и жизнеспособных особей, способных к конкуренции в реке, а затем в море.

В рамках проекта мы изучаем, какие молекулярные механизмы (биохимические и генетические) лежат в основе этих процессов. Разносторонний анализ результатов фундаментальных исследований позволит научно обосновать практические предложения по введению дополнительного освещения в технологию искусственного выращивания молоди лосося Salmo salar L. на северных рыборазводных заводах. Результаты, которые планируется получить при  выполнении проекта, будут иметь значение не только для получения нового научного знания об адаптациях рыб, но и будут востребованы практикой с целью увеличения продуктивности рыбоводного хозяйства в условиях северо-западного региона (Республика Карелия), поскольку использование усовершенствованных технологий искусственного выращивания молоди лососевидных рыб может дать существенный экономический эффект».

Специалисты Института биологии ФГБУН ФИЦ "Карельский научный центр РАН" в рамках проекта определяли, каково воздействие разного режима освещения на скорость роста рыбы у молоди лосося разных возрастов: сеголеток, молодь текущего года, возраста 0+ и рыбы старших возрастов (в возрасте от 1 года и старше).

Нина Немова объясняет, каким образом разные режимы фотопериода влияют на физиологические и биохимические процессы, деятельность эндокринной системы и, в конечном счете, на рост молодого атлантического лосося: «Длина светового дня (фотопериод) является одним из важнейших факторов, определяющих рост и развитие многих видов живых организмов, в том числе и рыб. Не только рост, но и фактически все биохимические процессы, физиологические функции и поведение рыб носят ритмический характер и синхронизируются с 24-часовым циклом свет/темнота. Имеющиеся данные указывают на то, что рост рыб имеет сезонную динамику, которая варьирует в зависимости от изменения длины дня. Атлантический лосось проявляет высокую чувствительность к изменениям фотопериода, а длинный световой день стимулирует его рост и влияет на запуск процесса смолтификации (трансформации пестрятки в смолта).

Рыбы, как и другие позвоночные, воспринимают свет посредством фоторецепторов сетчатки глаз и шишковидной железы (эпифиза). Фоторецепторы эпифиза вырабатывают гормон мелатонин. Недавние исследования свидетельствуют о том, что мелатонин может влиять на секрецию гормона роста (соматотропин) у рыб либо непосредственно (на гипофиз), либо косвенно (через гипоталамус). Кроме того, мелатонин может влиять на метаболизм гормонов щитовидной железы, а также на потребление пищи, что сказывается на ростовых процессах рыб. Удлиненные фотопериоды могут оказывать положительное воздействие на пищевое поведение и рост рыб посредством стимуляции гипоталамо-гипофизарной оси в их мозге, что приводит к увеличению выработки и секреции гормона роста и инсулиноподобного фактора роста, вызывая тем самым анаболическое физиологическое состояние у рыб. Так же было показано, что искусственное воздействие длительных или продолжительных периодов освещения на атлантического лосося является определяющим для отсрочки времени полового созревания при достижении особями необходимого размера».

Мария Чурова, один из ответственных исполнителей проекта, подробно поясняет, как происходит восприятие рыб к изменениям фотопериода,  и сообщает, что ученым удалось определить:

«В результате ряда исследований, проведёнными нами в испытании разных режимов освещения 24С:0Т, 16С:8Т, а также и 12С:12Т (соотношение свет(С):темнота(Т)) на рост и развитие сеголеток (возраст 0+) лосося в сравнении с особями, выращиваемых без дополнительного освещения (контроль) в период август-октябрь, было установлено, что постоянное освещение способствовало более продолжительному периоду роста в осенний период и привело к тому, что по окончанию эксперимента сеголетки были больше по массе по сравнению с контролем. При режиме освещения 16С:8Т и 12:12 наоборот, наблюдалось снижения в темпах роста сеголеток. Результаты анализа активности ферментов энергетического обмена позволили сделать вывод, что постоянный свет оказывает стимулирующее рост воздействие на рыб посредством повышения уровней аэробного и анаэробного синтеза АТФ.

У двухлеток лосося (возраст 1+) реакция на введение дополнительного освещения отличалась от таковой у сеголеток. Выращивание молоди в условиях при режимах освещения 24С:0Т, 16С:8Т с июля по октябрь привело к снижению массы в первые два месяца по сравнению с контролем, а затем её увеличению в осенний период до таковой у рыб из контрольной группы. Наблюдаемое снижение темпов роста двухлеток в начале эксперимента можно объяснить реакцией на введение новых условий и необходимостью адаптации к ним. Следует обратить внимание, что сеголеткам (0+) не требовался такой адаптационный период к новым условиям освещения за тот же период исследования, то есть мальки оказались более пластичными в реакции на введение освещение, и более того, сразу сказался положительный эффект круглосуточного освещения на прирост их массы. В повторном эксперименте, при включении постоянного освещения ранее, начиная с мая, подобной реакции у двухлеток (1+) не наблюдалось, и их масса по сравнению с контролем была выше. В проведенном исследовании режим освещения 16С:8Т оказался менее благоприятным, как для сеголеток (0+), так и для двухлеток (1+)».

Какова разница в результатах молекулярно-генетического анализа у молоди рыб разного возраста, находившихся в разных условиях освещения (в двух экспериментальных режимах освещения и в обычном)?

«Фотопериод влияет на процессы регуляции роста, что вызывает изменение уровня экспрессии генов регуляторных и структурных белков, ферментов, обуславливающее скорость обмена веществ, синтеза структурных и запасных веществ, что в свою очередь определяет темпы и характер роста целого организма. Согласно данным литературы, на процессы миогенеза (мышечного роста) гормон роста действует синергетически с инсулиноподобным фактором роста, продуцируемым в печени и локально в скелетной мышце. В ответ на изменение продолжительности дня концентрация гормона и факторов роста меняется, что влияет на формирование мышечной ткани: интенсивность и соотношение процессов гиперплазии (увеличение мышечных клеток) и гипертрофии (за счёт роста имеющихся мышечных волокон), что происходит посредством регуляции экспрессии генов транскрипционных факторов роста», – отвечает Мария Чурова.

Кроме того, чтобы понять, как  режим освещения воздействует на изменения в экспрессии генов и каковы механизмы влияния искусственного увеличения дня на формирование мышечной ткани рыб карельские биологи исследовали, как уточняет Мария Чурова, «уровень экспрессии основного мышечного белка миозина (MyHC), транскрипционных факторов регуляции мышечного роста (миогенные регуляторные факторы (МРФ): MyoD, Myf5, MyoG) и негативного регулятора мышечного роста  миостатина (MSTN). Результаты анализа экспрессии генов мышечных белков позволили сделать вывод, что дополнительное освещение оказывает влияние на механизмы регуляции миогенеза, что характеризовалось различием во времени экспрессии и разном сочетании уровней экспрессии генов MyoD, Myf5, MyoG, MyHC. При этом у рыб, выращиваемых в условиях постоянного освещения уровень экспрессии гена тяжелой цепи миозина был выше как у сеголеток 0+, так и двухлеток 1+ (в  длительном эксперименте с мая по октябрь) по сравнению с контрольной группой, что согласовалось с их темпами роста».

Учеными было обнаружено, что под воздействием повышенного освещения происходят количественные и качественные изменения в составе липидов и их жирнокислотных компонентов у молоди атлантического лосося.

Каким образом этот факт можно использовать в качестве биохимического индикатора для выращивания в инкубатории?

«Действительно, установленные нами изменения качественного и количественного состава отдельных жирных кислот, а также их соотношений, у молоди лосося в условиях различного фотопериода, что рассматривается как вариант совершенствования технологии искусственного выращивания, могут являться надежными биохимическими индикаторами в оценке состояний выращиваемой рыбы. Среди состояний, которые мы отслеживаем, одним из ключевых является подготовка и готовность к смолтификации. При этом, напомню, что липидам отводится знаковая роль в формировании жизнеспособной и резистентной к абиотическим и биотическим факторам среды молоди. Свет является одним из важных факторов внешней среды, который оказывает влияние на физиолого-биохимическое состояние любого организма, в том числе, на метаболизм липидов, которые являются одними из важнейших веществ для гидробионтов северных водотоков. Продолжительность светового дня и температура являются основными модифицирующими факторами, влияющими на процесс смолтификации атлантического лосося. Подбором температуры и фотопериода можно добиться лучшего роста рыб и повлиять на возраст смолтификации молоди, – другой ответственный исполнитель проекта Светлана Мурзина разъяснила, как наблюдения за ростом лосося важны при определении содержания уровня липидов. – Наблюдая и контролируя наиболее показательные биохимические индикаторы, в частности индикаторы липидного обмена, можно контролировать процессы роста, отслеживать физиологическое состояние мальков, в частности, регулировать поступление и расходование (оценивать их конвертацию) незаменимых жирных кислот в организм за счет кормления. Так, известно, что дисбаланс в соотношении именно незаменимых жирных кислот является одной из главных причин снижения скорости роста рыб, поскольку снижается эффективность усвоения пищи, ухудшается физиологическое состояние мальков, их адаптационные возможности и жизнестойкость. Данные биохимические индикаторы позволяют улучшать стартовые корма и совершенствовать их формулы. Формула корма и соотношение отдельных липидов и жирных кислот в нем для молоди, выращиваемой для возврата, как в нашем случае, должна удовлетворять как потребностям организма, так и соответствовать естественному корму, потребляемому в среде. Тем самым поддерживается жизнеспособность и увеличивается жизнестойкость молоди при ее выпуске и при адаптации к среде. Ожидаемо увеличение доли промыслового возврата соответствующего вида».

Световые режимы, которым в ходе исследования подвергались особи лосося, свидетельствуют о позитивном влиянии.

 Каков уровень смертности рыбы при повышенном освещении в экспериментальных группах и какова ее готовность к смолтификации?

 По замечанию Марии Чуровой, «введение дополнительного освещения на смертность рыб не повлияло». В рамках настоящего эксперимента, как поясняет Светлана Мурзина, показано что одним из основных признаков смолтификации «является достижение мальками определенных, модальных размеров, при этом происходит снижение запасных липидов, таких как триацилглицерины и эфиры холестерина. О физиологической сформированности к смолтификации могут также свидетельствовать: повышение типичных для морских рыб жирных кислот – докозагексаеновой - 22:6n-3 и эйкозапентаеновой 20:5n-3, также наблюдается рост коэффициента 16:0/18:1n-9, характеризующего интенсивность метаболизма липидов, происходит снижение мононенасыщенных жирных кислот (в основном олеиновой 18:1n-9 ЖК), которые активно используются  молодью при полной смолтификации, что было показано нами ранее при изучении смолтификации у дикой молоди. Эти биохимические изменения, сопровождающиеся увеличением массы рыбы, были более выражены в октябре у двухлеток (1+), подвергнутых непрерывному воздействию света (LD 24:0). У этих же рыб начинается «серебрение» покровов, которое полностью развивается весной. Таким образом, экспериментально выбирая и манипулируя световыми режимами, можно управлять вектором липидных обменных процессов у искусственно выращенных мальков в сторону трансформации «морского» типа и координировать сроки смолтификации и готовности молоди к запуску в естественную среду».

К СВЕДЕНИЮ:

Морские и пресноводные рыбы различаются потребностью и способностью к конвертации (n-6) и (n-3) ПНЖК. В синтезе ЖК этих семейств существует конкуренция. Для пресноводных рыб незаменимыми (поступающими с пищей) ЖК считаются ЛИНОЛЕВАЯ (ЛИН) И АЛЬФА-ЛИНОЛЕНОВАЯ (АЛА) ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ.

Для лососевых рыб показана способность к конвертации посредством последовательных реакций из ЛИН и АЛА не менее, а если не более значимых продуктов, - АРАХИДОНОВОЙ (АЛА), ЭЙКОЗАПЕНТАЕНОВОЙ (ЭПК) и ДОКОЗАГЕКСАЕНОВОЙ (ДГК) ЖИРНЫХ КИСЛОТ. Лимитирующим фактором этих превращений является качество и количество пищи, а также генетическая детерминированность метаболизма.

У морских рыб данные пути метаболических превращений не выражены или подавлены, в виду того, что ЭПК, ДГК и АРА они получают исключительно с пищей, т.е. для морских рыб эти ЖК незаменимые. И именно эти ЖК являются наиболее существенной и отличительной характеристикой для морских рыб северных широт.  

Исследования карельскими специалистами проводились как в полевых условиях на Выгском рыбоводном заводе, так и в условиях лаборатории, куда доставлялись пробы, собранные из контрольных и экспериментальных заводских выростных бассейнов.

В проекте по гранту РНФ задействованы сотрудники Института биологии КарНЦ РАН д.б.н., заведующий лабораторией экологии рыб и водных беспозвоночных и коллектив лаборатории экологической биохимии: Ильмаст Николай Викторович,  заведующая лабораторией д.б.н., Мурзина Светлана Александровна, к.б.н., старший научный сотрудник Чурова Мария Викторовна, к.б.н., научный сотрудник Пеккоева Светлана Николаевна, к.б.н., ведущий научный сотрудник Нефедова Зинаида Анатольевна, к.б.н., старший научный сотрудник Крупнова Марина Юрьевна, к.б.н., аспирант, стажер-исследователь Шульгина Наталья Сергеевна, аспирант, стажер-исследователь Воронин Виктор Петрович, стажер-исследователь Милянчук Николай Петрович.

На фото Выгский рыбоводный завод (пос. Сосновец, Беломорский район; 64°25' N 34°28' E), верхнее фото – экспериментальный бассейн с сеголетками лосося (7361 штук), режим освещения 16 часов освещения и 8 часов темнота; нижнее фото – серия экспериментальных бассейнов на заводе, вода в бассейны поступает с Маткожненского водохранилища (река Нижний Выг)

Научные разработки карельских ученых направлены на решение одного из практических вопросов проблемы сохранения и поддержания  популяции Salmo salar L., связанной с выпуском жизнеспособной, готовой к миграции и конкурентоспособной (с другими видами) в водной среде молоди.

Каков в будущем адаптационный потенциал рыбы в естественных условиях среды обитания (в море, океане), выращенных под воздействием дополнительной освещенности?

«Молодь атлантического лосося, рост и развитие которой искусственно стимулировались увеличением светового дня (фотопериода), как показывают результаты наших биохимических и молекулярно-генетических исследований, к моменту выпуска в естественную среду обладает повышенным адаптивным потенциалом, а следовательно, жизнестойкостью, лучшими размерно-весовыми характеристиками, что способствует формированию смолтов, готовых к миграции на нагул в море. Следовательно, можно ожидать и более высокого промыслового возврата на нерест в реки северо-запада России. Совместные усилия рыбоводов-практиков и ученых биологов (ихтиологов, биохимиков, физиологов) будут способствовать восстановлению естественных популяций ценных промысловых видов в водоемах Республики Карелия и Кольского полуострова», – убеждена профессор Нина Немова.

Таким образом, манипуляция световыми режимами позволяет «управлять» скоростью роста, а значит подготовить молодь атлантического лосося к выпуску в естественную среду обитания и восполнить его промысловые запасы.

 В настоящее время исследования по воздействию световых режимов на рост и развитие молоди продолжаются и начаты исследования по влиянию лазерного облучения на адаптивный потенциал сеголеток и годовиков лосося. Основные итоги в целом по проекту будут подведены к концу 2021 года.