ASSESSMENT OF THE OCCURRENCE OF MORPHOLOGICAL ANOMALIES IN EMBRYOS OF SMALL MAMMALS IN URBANIZED TERRITORIES OF YEKATERINBURG

全文:

В последние десятилетия отмечается ухудшение экологической обстановки, которое связано с экстенсивным развитием урбанизированных ландшафтов, сочетающееся с ростом индустриального производства, транспортной нагрузки, в первую очередь на территориях крупных мегаполисов, одним из которых является г. Екатеринбург. Один из важнейших вопросов, связанных с негативным влиянием урбанизации на биоту, - проблема нормального воспроизводства популяций в антропогенно-трансформированной среде [3]. Репродуктивная биология позвоночных, населяющих урбоценозы, представляет несомненный интерес с точки зрения анализа адаптивного потенциала популяций в новых условиях среды, оценки жизнеспособности потомства и фертильности самок. Мелкие млекопитающие - распространенный объект экологического мониторинга, который играет огромную роль в экосистемах, обладает высокой чувствительностью и быстрым ответом к воздействиям окружающей среды [5, 7, 8, 10-12, 15-17]. Увеличение доли урбанизированных территорий в настоящее время становится одним из ключевых факторов, ведущих к нарушениям репродуктивной функции самок и эмбриогенеза [15, 16]. Целью исследования был анализ анатомо-морфологических особенностей репродуктивной системы самок, а также эмбриональных отклонений потомства, несинантропных мелких млекопитающих (Rodentia, Insectivora), обитающих в одном из лесопарков городской агломерации г. Екатеринбурга. В настоящей публикации представлены данные, собранные в один полевой сезон и только для части видов, населяющих исследуемый регион. Материал и методы. Мелкие млекопитающие отловлены в летний период 2016 г. в лесопарках г. Екатеринбурга с использованием стандартного зоологического метода ловушка-линий [19]. Видовая принадлежность животных определена по ключевым фенотипическим признакам [6]. Захоронение трупного материала произведено в соответствии с Федеральным законом от 12.01.1996 г. № 8-ФЗ «О погребении и похоронном деле» [18]. Манипуляции с животными и биологическим материалом, полученным от животных, проходили согласно международным нормам биоэтики (протокол БЭК СО РАН № 35 от 26.10.2016 г., г. Новосибирск). Исследование выполнено на беременных самках мелких млекопитающих 5 родов 7 видов: Sorex araneus Linnaeus, 1758; Apodemus agrarius Pallas, 1771; Sylvaemus uralensis Pallas 1811; Microtus sp. Schrank, 1798; Myodes glareolus Schreber, 1780; Myodes rutilus Pallas, 1779; Mus musculus Linnaeus, 1758; Sicicta betulina Gray, 1827. Всего изучено 526 эмбрионов от 83 беременных самок (6 особей A. agrarius, 20 особей M. glareolus, 30 особей Microtus sp., 2 особи Mus musculus, 15 особей S. uralensis, 4 особи S. araneus и 11 особей M. rutilus). Кроме того, обследованы репродуктивные тракты от 11 небеременных S. betulinа, так как вид является редким для исследуемой территории. Примененный в данном исследовании морфологический анализ неоднократно использовался для оценки влияния антропогенных факторов на репродуктивную систему [8-10, 12, 13]. У самок полностью извлекали и исследовали репродуктивный тракт (яичники, яйцеводы, матку, часть влагалища) с последующей фиксацией в 7 % растворе формалина. Камеральную обработку и документацию производили на базе ЦКП МАБО ИЦиГ СО РАН http://www.bionet.nsc.ru/microscopy/index.html. Состояние репродуктивного тракта оценивали на основании ряда морфологических особенностей: по числу желтых и белых тел в каждом из яичников, числу прошлых и настоящих мест имплантации, числу эмбрионов в правом и левом рогах матки. Степень асимметрии рассчитывали путем деления меньшего числа эмбрионов - b в одном из рогов матки на большее - a, различие в числе эмбрионов - i определяли как разность между 1 и частным от деления, умноженным на 100 % [i=(1-b/a)×100] [2]. При описании эмбрионов учитывали стадию развития и наличие девиантных форм [1, 20]. Значимые различия по доле аномальных эмбрионов рассчитывали при помощи χ2 с поправкой Йетса. Дистанцированность спектров аномалий оценивали с помощью кластерного анализа (эвклидовы расстояния, метод полной связи). Перекрывание спектров рассчитывали на основе модифицированного индекса Мориситы [21]: См=2Σ xi yi / Σ xi2+Σ yi2, где xi, yi - часть i-го варианта аномалий в спектрах выборок х и у. Средняя плодовитость приведена по результатам дисперсионного анализа (Post Hoc-тест). Статистическая обработка результатов выполнена с использованием пакетов MS Excel, StatSoft inc. Statistica 8.0. Результаты исследования. Наибольшее количество эмбрионов в матке отмечено у A. agrarius и S. araneus (8 и 7,5 соответственно). Причем A. agrarius по плодовитости значимо отличается от M. glareolus, M. rutilus, Microtus sp. и S. uralensis (p=0,02-0,002; Post Hoc-тест), в то время как S. araneus значимо отличается по данному показателю от M. glareolus и Microtus sp. (p=0,03 и 0,002 соответственно). Наименьшее количество эмбрионов - у Microtus sp. и M. glareolus. У остальных видов количество эмбрионов в 1-й матке флуктуирует около 6-6,5 (табл. 1, 2). Число эмбрионов в правом и левом рогах матки в большинстве случаев совпадало или было близким. Если наблюдался дисбаланс, его выраженность обычно была небольшой 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4. Однако в ряде случаев он выражен достаточно отчетливо: у Microtus sp. - 1 и 6, у M. glareolus - 0 и 6, у A. agrarius - 2 и 7 (см. табл. 1; рис. 1, а, б). Среди репродуктивных трактов небеременных S. betulina 4 принадлежали ювенильным самкам, у одной из которых обнаружена бифуркация правого рога матки (см. рис. 1, в). Резорбция встречается у Microtus sp. и M. glareolus (около 15 %). У A. agrarius и S. araneus резорбция соответствует показателям у самок с аномальными эмбрионами, у остальных видов резорбция не обнаружена (см. табл. 1). Резорбция встречалась как в единичных случаях, среди развивающихся эмбрионов, так и массово, когда резорбированными оказывались все зародышевые камеры в матке или почти все (продолжали развиваться 1 или 2 эмбриона) (рис. 2). Анализ собранных эмбрионов показал, что из всех рассматриваемых видов наибольшее число аномальных эмбрионов встречается у представителей Microtus sp. (51,72 % самок с аномалиями эмбрионов, встречаемость аномальных эмбрионов - 45,33 % от общего количества эмбрионов), M. rutilus (45,45 % самок с аномальными эмбрионами, доля эмбрионов с отклонениями - 28,99 %) (см. табл. 1). В результате исследования выявлено 20 вариантов эмбриональных аномалий (табл. 3). Чаще встречаются сочетанные аномалии, когда одна особь несет более одного отклонения. По нашим данным, число вариантов сочетанных аномалий у большинства исследуемых животных гораздо больше количества разновидностей одиночных аномалий. Суммарное число одиночных и сочетанных аномалий одинаково у A. agrarius и S. araneus, одиночных аномалий больше, чем сочетанных у Microtus sp., а у остальных количество сочетанных аномалий, в целом, превалирует над одиночными. Наиболее частый вариант сочетанности - близнецовость, сопряженная с деформацией плаценты (15,4 % - M. rutilus), при котором один эмбрион из пары выживает и развивается без аномалий, а у второго диагностирована ретардация (рис. 3, а). Микрофтальмия сочетается с отклонениями в строении конечностей, чаще всего с гетеротопией и аномалиями их дистальных частей: клинодактилия, синдактилия, эктродактилия, в разных сочетаниях (30,8 % - M. rutilus, 15 % - Microtus sp. и 18,2 % - M. glareolus), нейробластома сочетается с клинодактилией (7,7 % - M. rutilus, 9,1 % - M. glareolus), гетеротопия сочетается с брахимелией, утолщением конечностей или с аномалиями их дистальных частей либо с теми и другими вариантами одновременно (25 % - Microtus sp., 51,1 % - S. uralensis, 15,4 % - M. rutilus) (см. рис. 3, б). У S. araneus в помете выявлен аномальный эмбрион с брахигнатией и ретардацией развития (рис. 4). В некоторых случаях аномалиям репродуктивной системы самок сопутствуют эмбриональные отклонения. Так, у Microtus sp. 50 % таких отклонений представлены удвоением яичника, сочетающимся с расщеплением глазного бокала, микрофтальмией и гиперморфозом шейного отдела. В других 50 % случаев лопастное удвоение яичника сочетается с ретардацией развития одного из эмбрионов. Среди одиночных аномалий наиболее часто встречается деформация плаценты. Оценка дистанцированности спектров аномалий с помощью кластерного анализа показала, что A. agrarius по вариантам отклонений и их встречаемости заметно отличается от всех остальных видов, распадающихся на два кластера (рис. 5). Расчет перекрывания рассматриваемых спектров отклонений эмбрионального развития мелких млекопитающих по индексу Мориситы (табл. 4) показал, что наибольшее сходство отмечено у представителей рода Myodes - M. rutilus и M. glareolus. Обсуждение полученных данных. Результатом высокой плотности расположения эмбрионов в рогах матки могут быть деформация плаценты, нарушение питания эмбрионов и, как следствие, формирование аномалий развития. Асимметрия положения эмбрионов, связанная с негативным влиянием окружающей среды на стабильность онтогенеза, одна из причин повышения их плотности [14]. Известно, что у ряда видов грызунов резорбция не отмечается [16]. Можно полагать, что между числом эмбрионов и уровнем резорбции существует взаимосвязь, которая проявляется в том, что: 1) большое количество мест имплантации в матке определяет высокие частоты резорбции аномально развивающихся эмбрионов; 2) среднее число мест имплантации в матке обусловливает низкий уровень резорбции или ее отсутствие; 3) низкая частота резорбции или ее отсутствие способствуют росту доли развивающихся аномально эмбрионов. Аномалии эмбрионов можно условно разделить на две группы. В первую включены отклонения, которые могут повлиять на жизнеспособность носителя, но не ведут напрямую к летальному исходу. Это - гетеротопии, укорочение, утолщение конечностей, эктродактилия, клинодактилия, мягкотканая синдактилия, деформация плаценты, близнецовость, микрофтальмия, ретардация развития на одну стадию. Во вторую группу включены потенциально летальные аномалии, которые представляют собой серьезные пороки развития, неизбежно ведущие к гибели плода в постнатальный период. Это - акромегалия, дисморфия черепа, расщепление глазного бокала, нейробластома, незаращение брюшины, несрастание нейропора или/и атриопора, расщепление пуповины, обвитие пуповиной. Сочетания некоторых аномалий могут свидетельствовать о наличии синдромности, равно как и быть результатом независимого единовременного проявления, и не позволяют судить о наличии взаимосвязи между отклонениями самки и ее потомством - данный вопрос требует дальнейших исследований. Среди одиночных аномалий наиболее часто отмечается деформация плаценты, что может быть связано с высокой плотностью расположения эмбрионов в рогах матки, в частности, при асимметричном расположении эмбрионов, укорочение конечностей (у M. rutilus и M. glareolus), клинодактилия (у Microtus sp., M. rutilus и M. glareolus) и ретардация развития части эмбрионов (у S. araneus, Microtus sp., M. rutilus и M. glareolus), распределяющихся мозаично. Отличие вариантов отклонений и их встречаемости у A. agrarius от остальных видов можно объяснять их видоспецифичностью. Однако этот вопрос требует дальнейшего изучения, поскольку численность данного вида на исследуемой территории невысока. В целом, отмечается сравнительно высокое сходство спектров аномалий, которые, судя по полученным на данный момент результатам, не имеют видоспецифического или таксоноспецифического характера. Представленные результаты являются первыми сведениями по эмбриональным аномалиям в природных популяциях мелких млекопитающих урбанизированных территорий, поэтому сравнить полученные частотные данные с другими регионами не представляется возможным. Таким образом, в ходе исследования было выявлено 20 вариантов аномалий эмбрионального развития, а также ряд вариантов их сочетанности у разных видов. В целом, частота эмбриональных аномалий колеблется в пределах 15-46 %. Наибольшая встречаемость эмбриональных отклонений зафиксирована у серых полевок. У всех изученных видов отмечена асимметрия расположения эмбрионов в рогах матки (различие в числе эмбрионов может достигать 60 %), что, как известно, может быть одним из показателей негативного влияния состояния окружающей среды на онтогенез [14]. Наблюдающаяся у части самок резорбция эмбрионов, вероятно, представляет собой основной механизм формирования жизнеспособной новой генерации в условиях урбанизации. Обнаруженная у некоторых видов высокая доля эмбриональных аномальных и нежизнеспособных эмбрионов может быть обусловлена незначительной эмбриональной резорбцией или ее отсутствием. Исследование поддержано программой 211 Правительства Российской Федерации, соглашение № 02.A03.21.0006. Вклад авторов: Концепция и дизайн исследования: Т. Р. Т., Е. А. К., В. Л. В. Сбор и обработка материала: Т. Р. Т., Е. А. К., О. В. Т., Н. Ф. Ч. Статистическая обработка данных: Т. Р. Т., В. Л. В. Анализ и интерпретация данных: Т. Р. Т., В. Л. В. Написание текста: Т. Р. Т. Авторы сообщают об отсутствии в статье конфликта интересов.

作者简介

T. Tukhbatullina

Ural Federal University

Email: ttukhbatullina@gmail.com
Department of Biodiversity and Bioecology 19 Mira Str., Yekaterinburg 620002

Ye. Kizilova

RAS SB Institute of Cytology and Genetics; Novosibirsk State University

Email: pinus@bionet.nsc.ru
Laboratory of Genetics of Development; Department of Cytology and Genetics 10 Lavrentieva Str., Novosibirsk 630090; 2 Pirogova Str., Novosibirsk 630090

V. Vershinin

Ural Federal University; RAS Ural Branch Institute of Plant and Animal Ecology

Email: vol_de_mar@list.ru
Department of Biodiversity and Bioecology; Laboratory of Functional Ecology of Terrestrial Animals 19 Mira Str., Yekaterinburg 620002; 202 8 Marta Str., Yekaterinburg 620144

O. Tolkachyov

RAS Ural Branch Institute of Plant and Animal Ecology

Email: olt@mail.ru
Laboratory of Functional Ecology of Terrestrial Animals 202 8 Marta Str., Yekaterinburg 620144

N. Chernousova

RAS Ural Branch Institute of Plant and Animal Ecology

Email: nfcher@gmail.com
Laboratory of Functional Ecology of Terrestrial Animals 202 8 Marta Str., Yekaterinburg 620144

参考

补充文件