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      基于COⅠ基因的DNA條形碼在鱉科動物鑒定上的應(yīng)用

      2017-05-11 14:46:35唐偉朱治任汪財生張明興錢國英
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年6期
      關(guān)鍵詞:堿基條形碼遺傳

      唐偉+朱治任+汪財生++張明興++錢國英

      摘要:為探討DNA條形碼在中華鱉不同地理群體鑒定上的可行性,以中華鱉COⅠ基因全長序列為對象設(shè)計通用引物,對中華鱉6個地理群體及鱉科不同屬間進(jìn)行了遺傳多樣性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同地理群體中華鱉的遺傳距離在0.020 3~0.041 7之間,群體內(nèi)平均遺傳距離在0.011 3~0.033 8之間,種間與種內(nèi)的遺傳距離沒有形成有效的條形碼間隙,在基于個體遺傳距離的NJ樹上,各群體間的個體并沒有形成有效的分支。在對鱉科不同屬進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)屬間及屬內(nèi)遺傳距離形成了明顯的差異間隙,在NJ樹上,不同鱉按照屬的特性分別進(jìn)行聚類,并具有較高的節(jié)點支持率,聚類分析可信度高。因此,COⅠ基因作為DNA條形碼,能夠有效地用于區(qū)分鱉科動物的不同屬,但不適用于中華鱉地理群體的分離鑒定。

      關(guān)鍵詞:DNA條形碼;COⅠ基因;中華鱉;地理群體;鱉科

      中圖分類號: S932.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號:1002-1302(2017)06-0030-06

      中華鱉(Pelodiscus sinensis)隸屬于動物界(Animalia)脊索動物門(Chordata)脊索動物亞門(Vertebrata)爬行綱(Repitlia)龜鱉目(Chelonia)曲頸龜亞目(Cryotodira)鱉總科(Trionychoidea)鱉科(Trionychidae)中華鱉屬(Pelodiscus),又稱甲魚、水魚、王八等,主要生活在淡水水域,為水陸兩棲型動物。中華鱉地理分布非常廣泛,在我國主要分布于長江及黃河流域等,國外主要分布于越南、日本和朝鮮等地[1]。一般認(rèn)為,中華鱉無明顯的亞種分化,但是存在很多地理變異,如黃河流域的黃河群體、浙江省寧波市姚江流域的姚江群體等。我國因地域遼闊,南北緯度差異大,各地域的生態(tài)條件不盡相同,所以,中華鱉在不同的地域所形成的基本形態(tài)也不盡相同,部分鱉經(jīng)過人工的定向選育甚至還形成了新的品系,如清溪烏鱉。為保證中華鱉養(yǎng)殖業(yè)的穩(wěn)定、健康和持續(xù)發(fā)展,進(jìn)行良種選育以改善中華鱉苗種的質(zhì)量極為重要,同時,通過有效的方法對不同地域中華鱉的種質(zhì)進(jìn)行鑒定和評價具有非常長遠(yuǎn)的意義。目前,DNA條形碼作為一種成熟的mtDNA分子標(biāo)記,已被廣泛應(yīng)用于物種的鑒定,在龜鱉類[2-6]、魚類[7-9]、鳥類[10-11]、昆蟲類[12]、及甲殼動物[13]等物種上均有相關(guān)報道,但在中華鱉不同地理群體的研究上,尚未見報道。

      DNA條形碼是Hebert等于2003年利用線粒體細(xì)胞色素C氧化酶I亞基(cytochrome C oxidase subunit I,CO I)構(gòu)建物種鑒別體系時首次提出的,利用一段短的基因序列作標(biāo)記對物種進(jìn)行快速鑒定,并以此建立生物物種的個體與DNA序列一一對應(yīng)的關(guān)系[14]。Hebert等比較分析了動物界9個門中13 320個同屬不同物種的COⅠ基因序列,發(fā)現(xiàn)種內(nèi)的差異基本上小于1%,種間的差異一般大于11.3%。因此,Hebert提出,應(yīng)用COⅠ基因作為條形碼進(jìn)行物種鑒定時,種間遺傳距離應(yīng)為種內(nèi)遺傳距離的10倍及以上,種間遺傳距離以2%為界[15]。

      本研究通過對中華鱉6個地理群體的111個個體線粒體COⅠ基因序列進(jìn)行比對分析,探討COⅠ基因在中華鱉各群體間及群體內(nèi)的序列變異,并構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹,進(jìn)而檢驗COⅠ基因作DNA條形碼在中華鱉群體鑒定上的有效性,以期為中華鱉地理群體的鑒定提供依據(jù)。同時,下載了鱉科不同屬的其他鱉類的COⅠ基因序列,進(jìn)行綜合比對,探討DNA條形碼在鱉科屬間鑒定的可行性。

      1材料與方法

      1.1試驗材料

      試驗采集了不同地理群體的中華鱉(其中,姚江群體編號為Y1~Y34,日本群體編號為R1~R21,太湖群體編號為T1~T17,黃河群體編號為HH1~HH6,清溪烏鱉編號為 W1~W4和W6~W19,清溪花鱉編號為h1~h15),并結(jié)合從NCBI上下載的相關(guān)鱉科動物COⅠ基因序列一起進(jìn)行分析(表1)。其中,印度鱉屬的恒河鱉(Nilssonia gangeticus)、印度孔雀鱉(Nilssonia hurum)及黑鱉(Nilssonia nigricans)的拉丁名與藍(lán)色動物學(xué)網(wǎng)(http://www.blueanimalbio.com/reptile/gui/bie.htm)的命名有異,此處不做更正,均以下載序列的命名為準(zhǔn)。

      1.2總DNA的提取

      中華鱉解剖前先置于0.05%的高錳酸鉀溶液中浸泡 10 min 殺菌后,頸部放血處死,按常規(guī)解剖步驟,迅速取前腿肌肉,用液氮研磨成粉末。稱取25~30 mg研磨后的粉末,裝于1.5 mL滅菌離心管中,按樣品信息編號,液氮速凍后于 -80 ℃ 保存。采用OMEGA公司的Tissue DNA Kit試劑盒提取中華鱉總DNA(詳見說明書)。用1.5%的瓊脂糖電泳檢測DNA提取的質(zhì)量,并用分光光度計檢測其吸光度及濃度后,將符合要求的DNA溶液稀釋成約30 ng/μL,待用。

      1.3PCR擴(kuò)增和測序

      采用Primer Premier 6.0結(jié)合Oligo 7軟件,以中華鱉線粒體COⅠ基因全長序列為對象,設(shè)計通用引物RC122-F(5′-CCAGTGACTTTAACCCGTTGAT-3′)和RC122-R(5′-GAGAAAGAAACATGAAGGTCATGTG-3′),均由華大基因合成。

      PCR反應(yīng)采用50 μL體系,包括25 μL康為PCR Mix,2 μL RC122-F(10 μmol/L),2 μL RC122-R(10 μmol/L),17 μL ddH2O,4 μL DNA模板。PCR反應(yīng)程序:95 ℃ 3 min;94 ℃ 30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 90 s,33個循環(huán);72 ℃ 7 min。擴(kuò)增完成后,將PCR產(chǎn)物全部吸入到1×TBE緩沖液配制的1.5%瓊脂糖凝膠點樣孔,用100 V恒壓電泳檢測,確認(rèn)為所需目的條帶,進(jìn)行割膠及目的條帶回收,低溫保存送至華大基因進(jìn)行雙向測序。測序所用引物與PCR引物相同。

      1.4數(shù)據(jù)分析

      采用Lasergene v5.0軟件[16]中的SeqMan工具及CExpress軟件,根據(jù)測序結(jié)果中的峰值,對測得的序列進(jìn)行人工拼接。利用Clustal X 1.85軟件[17]對測序所得序列進(jìn)行排列比對,并輔助以人工校正;用DNAsp 5.1軟件計算各群體的單倍型數(shù)、多態(tài)位點數(shù)、單倍型多樣性指數(shù)(Hd)、核苷酸多樣性指數(shù)(Pi)、平均核苷酸差異數(shù)(K)等參數(shù);運用DAMBE軟件[18],以TN93模型校正距離為橫坐標(biāo),轉(zhuǎn)換和顛換數(shù)為縱坐標(biāo),做散點分布圖,判斷其散點變化趨勢;將所有序列輸入到MEGA 6.0軟件中進(jìn)行比對[19],計算各群體的堿基含量比、堿基轉(zhuǎn)換及堿基顛換等參數(shù),采用Kimura 2-parameter(K2p)模型計算其遺傳距離,并采用Neighbour-Joining(NJ)法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。

      2結(jié)果與分析

      2.1中華鱉COⅠ基因的序列測定

      采用自主設(shè)計的通用引物RC122-F、RC122-R,分別對不同地理群體中華鱉的DNA樣品進(jìn)行擴(kuò)增后測序,所得序列確定為COⅠ基因片段后,采用Clustal X及MEGA軟件進(jìn)行排比核對,截取同源長度的序列為1 534 bp的片段(圖1)。由圖1可知,擴(kuò)增目的條帶清晰、整齊,無其他非特異性雜帶存在,并且測序時采用雙向測序程序,保證了測序結(jié)果的準(zhǔn)確性。

      2.2基于CO1基因?qū)χ腥A鱉不同地理群體的遺傳多樣性分析

      將截取排比后同源長度相同的序列輸入到MEGA 6.0軟件中,以中華鱉COⅠ基因全長序列作參考,比對后發(fā)現(xiàn),中華鱉COⅠ基因分為2個變異區(qū)間,靠近5′端400~700 bp區(qū)域為主要的變異區(qū)間,大部分變異位點都集中于此,此區(qū)域內(nèi)的保守位點相對較少;靠近3′端850~1 250 bp區(qū)域范圍內(nèi),依稀存在部分變異位點,同時也包含大量保守位點區(qū)域。從 1 534 bp 的序列中,共檢測到928個保守位點(conserved sites,C)、337個簡約信息位點(parsimony-in formative sites,Pi)、606個變異位點(variable sites,V)、269個自裔位點(singleton site,S),分別占整個序列的60.50%、39.50%、21.97%、17.54%。統(tǒng)計堿基的組成發(fā)現(xiàn),各堿基平均含量為A=30.10%、T=30.27%、C=23.41%、G=16.22%,其中 A+T的含量(60.37%)明顯高于C+G的含量(39.63%),表現(xiàn)出明顯的線粒體基因A+T堿基偏好性。各群體間的堿基平均含量差異不大,其中堿基A、T的含量相當(dāng),G的含量最少。A+T的含量在3個密碼子位點中的含量均高于G+C的含量,其中以密碼子第3位點的含量最高,達(dá)70.2%。

      運用DNAsp 5.1軟件分析不同群體中華鱉遺傳多樣性參數(shù),結(jié)果(表2)顯示,112個不同地理群體的中華鱉個體中,共檢出了133個單倍型,其中姚江群體的最多,達(dá)41個,黃河群體僅8個。視6個地理群體中華鱉為一個總?cè)后w,則總?cè)后w的單倍型多樣性指數(shù)(Hd)為0.973,堿基多樣性指數(shù)(Pi)為0.017 1,平均核苷酸差異數(shù)(K)為26.314。姚江群體的單倍型多樣性顯示出最高水平,太湖群體和日本群體在單倍型多樣性(Hd)、堿基多樣性指數(shù)(Pi)及平均核苷酸差異數(shù)(K)上總體顯示出較為突出的遺傳多樣性,而黃河群體和清溪烏鱉則顯示出較為貧乏的核苷酸多樣性。

      采用MEGA 6.0軟件,基于Kimura-2-parameter(K2p)模型計算中華鱉不同地理群體間的遺傳距離,結(jié)果(表3)顯示,中華鱉不同地理群體間的遺傳距離在0.020 3~0.041 7之間,其中遺傳距離最大的為日本群體與清溪烏鱉,最小的為日本群體與黃河群體。姚江群體與其他群體間的遺傳距離均大于0.02。種內(nèi)遺傳距離在0.011 3~0.033 8之間,從大到小的順序依次為清溪花鱉>清溪烏鱉>太湖群體>日本群體>姚江群體>黃河群體。

      根據(jù)表3中中華鱉不同地理群體間的遺傳距離,用MEGA 6.0中的NJ程序,構(gòu)建基于群體間遺傳距離的系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖2),顯示黃河群體與日本群體最先聚為一支,然后再與姚江群體聚類,接著依次分別與清溪花鱉、太湖群體及清溪烏鱉聚類。姚江群體與黃河群體、日本群體有相對較近的親緣關(guān)系,各群體中,黃河群體與日本群體間的親緣關(guān)系最近。

      根據(jù)不同個體COⅠ基因序列信息,采用MEGA 6.0軟件基于Kimura-2-parameter(K2p)模型構(gòu)建分子進(jìn)化樹(圖3),由進(jìn)化樹可知,中華鱉各群體的個體散亂地聚于不同的分支,聚類不具有種的特性。

      2.3基于COⅠ基因?qū)M科動物不同屬間的遺傳多樣性分析

      本研究從NCBI上下載了與中華鱉同源性相近的其他鱉科動物的COⅠ基因序列(表1),用ClustalX1.85軟件進(jìn)行

      人工排比后,保留共有序列,最后所得片段長度為650 bp。應(yīng)用MEGA 6.0軟件進(jìn)行比對分析,結(jié)果顯示,整個鱉科動物COⅠ基因堿基A、T、C、G的平均含量分別為29.3%、293%、25.2%、16.3%,A+T含量(58.6%)高于C+G的含量(41.5%),所有鱉科動物中,核苷酸G的含量均較低,低于18%。統(tǒng)計各位點堿基使用情況,A-T堿基在第2位密碼子的使用量最高,為73.1%,而C-G堿基在第3位密碼子的使用量最高,為50.4%,甚至超過了A+T的含量,表現(xiàn)出明顯的堿基偏倚。

      用MEGA 6.0軟件,基于Kimura-2-parameter模型計算不同鱉科動物間的遺傳距離,發(fā)現(xiàn)鱉科動物各種間的遺傳距離在0.013 1~0.268 8之間,其中以黃河鱉與小鱉間的遺傳距離最小,為0.013 1,而努比亞緣板鱉(Cyclanorbis elegans)與清溪烏鱉間的遺傳距離最大,達(dá)0.268 8。中華鱉不同群體相互間的遺傳距離在0.013 1~0.048 3之間,均低于0.050。與中華鱉屬遺傳距離相對較近的為我國南方特有品種——砂鱉(Trionyx axenaria),其與中華鱉各地理群體的遺傳距離在0.048 7~0.066 9之間。

      利用MEGA 6.0軟件中的Tamura 3-parameter mode(T92)+Gamma Distributed(G)的組合模型進(jìn)行計算,采用NJ法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖4),以1 000次自展分支檢驗(Bootstraps test)可靠性。由圖4可知,不同鱉科動物按照其屬的特性相互聚類,其中,中華鱉屬(Pelodiscus)的7個地理群體(姚江群體、清溪烏鱉、清溪花鱉、太湖群體、日本群體、黃河群體及小鱉)相互聚為一個大支,節(jié)點支持率為97%;鱉屬(Trionyx)的砂鱉(Trionyx axenaria)獨自占有一支,并與中華鱉屬的分支聚在一起,節(jié)點支持率為99%;山瑞鱉屬(Palea)的山瑞鱉(Palea steindachneri)獨自占有一支;印度鱉屬(Aspideretes)印度孔雀鱉(Nilssonia hurum)及黑鱉(Nilssonia nigricans)相互聚類,節(jié)點支持率為96%,并與緬甸孔雀鱉屬 (Nilssonia)的緬甸孔雀鱉(Nilssonia formosa)匯聚,然后再與恒河鱉(Nilssonia gangeticus)聚類,節(jié)點支持率為95%,提示印度鱉屬可能與緬甸孔雀鱉屬同系。亞洲鱉屬(Amyda)的中南半島大鱉(Amyda cartilaginea)獨為一支;斑鱉屬(Rafetus)的幼河斑鱉(Rafetus euphraticus)和斑鱉(斯氏鱉)(Rafetus swinhoei)相互聚為一支,節(jié)點支持率為92%;緣板鱉屬(Lissemys)的印度箱鱉(Lissemys punctata)和緬甸箱鱉(Lissemys scutata)相互聚為一支,節(jié)點支持率為95%;盤鱉屬(Cyclanorbis)的努比亞盤鱉(Cyclanorbis elegans)和塞內(nèi)加爾盤鱉(Cyclanorbis senegalensis)相互聚類,并與圓鱉屬(Cycloderma)的贊比亞圓鱉(Cycloderma frenatum)聚為一個大支。緣板鱉屬、盤鱉屬及圓鱉屬3個屬共同聚為一個大支,節(jié)點支持率為99%,提示這3個屬間親緣關(guān)系較近。

      3討論

      3.1基于COⅠ基因?qū)Σ煌乩砣后w中華鱉的遺傳差異性分析

      6個中華鱉地理群體中COⅠ基因序列的A、T、C、G堿基平均含量為30.10%、30.27%、23.41%、16.22%,其中以堿基G的含量最低,這是線粒體DNA的一個顯著特點[20],A+T的含量(60.37%)明顯高于C+G的含量(39.63%),表現(xiàn)出明顯的線粒體堿基偏好性。密碼子各位點的A+T含量均高于G+C的含量,其中以第3位點的含量最高,達(dá)70.2%。Desalle等指出,DNA進(jìn)化過程中,近緣物種間DNA編碼區(qū)序列因較多發(fā)生同義突變,序列中轉(zhuǎn)換發(fā)生的頻率一般較顛換高[21]。本研究中的轉(zhuǎn)換/顛換比為1.4,表明COⅠ基因序列的突變沒有達(dá)到飽和,可以進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建分析。

      視6個地理群體中華鱉為一個總?cè)后w,則總?cè)后w的單倍型多樣性指數(shù)為0.973,堿基多樣性指數(shù)為0.017 1。Grant等認(rèn)為,當(dāng)單倍型多樣性>0.5,核苷酸多樣性>0.005時,則該物種具有相對較高的遺傳多樣性[22]。由此可以看出,本研究中的6個不同地理群體的中華鱉均具有較高的遺傳多樣性,這為我國中華鱉種質(zhì)資源的保護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

      在種群遺傳距離分析上,杜啟艷等認(rèn)為,物種在科、屬、種3個水平上遺傳距離的差別若小于2%,則可確定為同一物種[23]。本研究中,6個不同地理群體中華鱉間的遺傳距離在2.03%~4.17%之間,種間平均遺傳距離為2.58%,各群體間的遺傳距離均大于2%,其中黃河群體與日本群體間的遺傳距離(2.03%)最小。Anderson指出,物種在長期地理分隔以后,再發(fā)生雜交行為,可能會產(chǎn)生漸滲雜交的現(xiàn)象,從而降低物種的種間遺傳距離[24]。日本群體中華鱉是早年從我國引種過去,經(jīng)過長期的性狀改良,再從日本引入我國的一個地理群體,作為一個改良后的新品系,備受養(yǎng)殖戶及消費者的喜愛,其養(yǎng)殖面積及區(qū)域也日益擴(kuò)增,在養(yǎng)殖過程中難免存在與其他中華鱉群體雜交的情況,產(chǎn)生漸滲雜交的現(xiàn)象,從而造成其與黃河群體或其他群體間的遺傳距離相對較小。因此,按照杜啟艷等的標(biāo)準(zhǔn)[23],本研究中的6個地理群體中華鱉均達(dá)到了種的分化水平。

      3.2COⅠ基因作為DNA條形碼在鱉類鑒定中的有效性分析

      COⅠ基因是線粒體基因組中常用的作為DNA條形碼的標(biāo)記基因[25],其5′端區(qū)域的一段序列既包含有大量的保守區(qū)以進(jìn)行通用引物的擴(kuò)增,又包含有效的變異區(qū)可進(jìn)行不同物種的區(qū)分,并且在大多數(shù)動物中,COⅠ基因都存在顯著的基因變異,因此,動物界中的物種鑒定通常選擇COⅠ基因來作為DNA條形碼[7,14,26]。Hebert等提出,利用線粒體COⅠ基因作DNA條形碼對不同物種進(jìn)行鑒定時,最關(guān)鍵的是種群的種間遺傳距離必須大于種內(nèi)遺傳距離,并且差距在10倍及以上,其中種間的遺傳距離以2%為界[15]。

      本研究對中華鱉不同地理群體進(jìn)行遺傳差異性分析時發(fā)現(xiàn),種間遺傳距離在0.020 3~0.041 7之間,均已達(dá)到2%以上種的分化水平,種內(nèi)平均遺傳距離在0.011 3~0.033 8之間,種間與種內(nèi)的遺傳距離并沒有形成10倍的有效差異,相反,個別群體中,種內(nèi)的平均遺傳距離甚至大于種間,如清溪花鱉及日本群體。在基于個體COⅠ基因差異的NJ進(jìn)化樹上,相同群體的不同個體并沒有按照種的特性進(jìn)行聚類,而是零散地聚于各個分支,個別個體甚至單獨成支。這可能與近緣物種的雜交有關(guān)。傳統(tǒng)分類法通過斑點、體色等外部特征將中華鱉的不同地理群體區(qū)分開來。而中華鱉因相似的生活環(huán)境,缺乏有效的隔離機制,特別是近些年來,大量的引種、倒種及種間雜交,以期培育出優(yōu)良性狀(生長性能及表型性能)的品種,致使中華鱉不同群體間雜交紊亂,使得群體間基因的滲透概率較高。mtDNA呈母系遺傳,雜交子代的mtDNA幾乎全都來自母本,而控制物種表型性狀的基因可能來源于核DNA。因此,基于COⅠ基因作DNA條形碼對近緣雜交地理群體的鑒定可能存在一定程度的缺陷,需要結(jié)合核DNA的相關(guān)鑒定才能得到比較真實可靠的結(jié)果。根據(jù)種間與種內(nèi)遺傳距離差異度及進(jìn)化樹分析,本研究認(rèn)為,COⅠ 基因不能將中華鱉的不同地理群體鑒定開來。

      在對鱉科不同屬間的遺傳差異性分析時發(fā)現(xiàn),屬間遺傳距離在0.063 9~0.244 6之間,屬內(nèi)平均遺傳距離在 0.038 5~0.136 7之間[27],屬間與屬內(nèi)之間形成了明顯的差異空隙,非常適用于DNA條形碼的鑒別。在鱉科不同屬的NJ進(jìn)化樹上,不同鱉按照屬的特性分別進(jìn)行聚類,并具有較高的節(jié)點支持率,聚類分析可信度高。因此,本研究認(rèn)為,COⅠ基因作為DNA條形碼,能夠有效地用于鱉科不同屬間的鑒定。

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      doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2017.06.007

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