張燕萍+賀剛+王生+吳斌+周輝明+傅培峰+方春林
摘要:以線粒體DNA D-loop 全序列為分子標(biāo)記,研究4個(gè)刀鱭群體(長(zhǎng)江口刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖區(qū)刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭幼魚)及鄱陽(yáng)湖短頜鱭群體的遺傳多樣性。結(jié)果顯示:刀鱭的D-loop 序列長(zhǎng)1 212~1 293 bp,短頜鱭的序列長(zhǎng) 1 210~1 252 bp;在5個(gè)群體的 55尾個(gè)體中,共檢測(cè)到變異位點(diǎn)72 個(gè),其中單一多態(tài)位點(diǎn)50個(gè),簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)22個(gè);共檢測(cè)到 45 個(gè)不同的單倍型,單倍型多態(tài)性為 0.989,核苷酸多樣性為 0.009 1,平均核苷酸差異數(shù)(K)為10.079。5個(gè)群體的遺傳多樣性豐富程度排序?yàn)檑蛾?yáng)湖刀鱭幼魚>鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭>鄱陽(yáng)湖短頜鱭>鄱陽(yáng)湖刀鱭>長(zhǎng)江口刀鱭;不同單倍型間的遺傳距離為 0.014~0.728,平均遺傳距離為0.188。此外,系統(tǒng)發(fā)育樹也表明,刀鱭、短頜鱭共同構(gòu)成1個(gè)單系群,為2種生態(tài)型種群,尚未達(dá)到種或亞種的分化。
關(guān)鍵詞:刀鱭;短頜鱭;線粒體DNA;D-loop 序列;遺傳多樣性;遺傳結(jié)構(gòu)差異
中圖分類號(hào): S917 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2017)20-0059-05
鱭屬(Coilia)隸屬于鯡形目(Cluperiformes)鳀科(Engraulidae),是分布于印度洋-太平洋地區(qū)、具有極高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的中小型魚類。世界上的鱭屬魚類有13種,其中中國(guó)分布有4種:七絲鱭(Coiiia.grayi)、鳳鱭(Coiiia.mystus)、刀鱭(Coiiia. nasus)和短頜鱭(Coiiia.brachynathus),它們主要分布于中國(guó)沿海及長(zhǎng)江中下游地區(qū)。刀鱭肉質(zhì)細(xì)嫩鮮美,被列為“長(zhǎng)江三鮮”之一,深受廣大群眾的喜愛(ài),具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,也是主要的捕撈對(duì)象之一[1]。短頜鱭屬華中區(qū)特有種,是德國(guó)人Kreyenberg、Pappenheim于1908年依據(jù)洞庭湖的標(biāo)本確立的一個(gè)物種。長(zhǎng)期以來(lái),由于其上頜骨較短與長(zhǎng)江中下游及其附屬大型湖泊等淡水性分布的特征,短頜鱭一直被視為有別于刀鱭的有效物種。但是隨著人們?cè)诔埠?、太湖等通江湖泊發(fā)現(xiàn)刀鱭淡水定居性種群,短頜鱭與刀鱭在生態(tài)學(xué)上的差異變得模糊,兩者的鑒別主要依據(jù)上頜骨長(zhǎng)度等界限不甚清晰的形態(tài)特征,從而引發(fā)對(duì)短頜鱭物種有效性問(wèn)題的討論。鱭屬魚類外形十分相似,該屬刀鱭和短頜鱭的分類問(wèn)題一直存在較大爭(zhēng)議。
短頜鱭在20世紀(jì)70年代也是鄱陽(yáng)湖的主要捕撈對(duì)象。近些年來(lái),由于過(guò)度捕撈和生態(tài)環(huán)境破壞等因素,自20世紀(jì)90年代起,其種群數(shù)量逐年下降。鄱陽(yáng)湖鱭屬魚類在1983年產(chǎn)量約為1 100 t,1995年產(chǎn)量為1 385 t,1998年下降至550 t[2]。從鄱陽(yáng)湖漁獲物種群(組成)分析看,1974年鱭屬魚類占鄱陽(yáng)湖漁獲物質(zhì)量的10%~15%[3],1984年占09%,2001年占1.5%。江西省水產(chǎn)科學(xué)研究所近10年對(duì)鄱陽(yáng)湖調(diào)查表明,鱭屬魚類占鄱陽(yáng)湖漁獲物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足10%。目前在鄱陽(yáng)湖鱭屬魚類魚汛比20世紀(jì)70年代晚1~2個(gè)月,汛期也由20 d左右縮減為3~5 d,其資源狀況不容樂(lè)觀。由于每年鄱陽(yáng)湖野生鱭屬魚類的資源量都有明顯下降,其種群結(jié)構(gòu)是否也在發(fā)生變化有待研究,因此對(duì)鱭屬幼體的遺傳多樣性和物種判別研究十分必要。
線粒體DNA具有母系遺傳、分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、較快的進(jìn)化速率等特點(diǎn)[4],成為研究物種起源、系統(tǒng)進(jìn)化等的有效分子標(biāo)記。線粒體DNA控制區(qū)序列,由于不編碼蛋白質(zhì),比線粒體其他部分的基因具有更快的進(jìn)化速率,因此廣泛應(yīng)用于親緣關(guān)系近的物種或種群間的遺傳結(jié)構(gòu)多樣性及種群歷史等方面的研究。本研究通過(guò)對(duì)線粒體DNA控制區(qū)全序列進(jìn)行分析,研究長(zhǎng)江口、鄱陽(yáng)湖刀鱭群體和短頜鱭群體在遺傳結(jié)構(gòu)方面的差異,以期為長(zhǎng)江流域刀鱭和短頜鱭合理的保護(hù)、管理、利用提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 材料
本研究所用的刀鱭樣本于2014年4—11月采集于上海長(zhǎng)江口(13個(gè)樣本)、鄱陽(yáng)湖湖口(10個(gè)樣本)及鄱陽(yáng)湖湖區(qū)(14個(gè)樣本)3個(gè)不同的采樣點(diǎn)的4個(gè)群體;鄱陽(yáng)湖刀鱭幼魚9尾采自全湖;短頜鱭樣本來(lái)自鄱陽(yáng)湖湖區(qū)。每尾魚剪取少許肌肉分別放入Eppendorf管內(nèi),于95%乙醇中保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2 方法
1.2.1 DNA提取 取100 mg乙醇保存肌肉樣品剪碎,分別放入1.5 mL Eppendorf管內(nèi),加入400 L SET緩沖液,再依次加入40 μL 10%十二烷基硫酸鈉(SDS)、10 μL( 20 mg/mL)蛋白酶K,混合后在55℃水浴中消化過(guò)夜,再分別用平衡酚、三氯甲烷/異戊醇抽提除蛋白,最后用預(yù)冷的無(wú)水乙醇沉淀DNA,烘干后用TE溶解。所得基因組DNA樣品用紫外分光光度計(jì)測(cè)量DNA樣品的濃度、純度,同時(shí)用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)基因組DNA的完整性并估測(cè)分子量,將DNA原樣稀釋至 50 ng/μL,4℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 PCR擴(kuò)增及測(cè)序 使用2個(gè)通用引物DF1、DR2擴(kuò)增D-loop區(qū)段基因,引物序列DF1: 5′-CTAACTCCCAAA GCTAGAATTCT-3′,DR2: 5′-ATCTTAGCATCTTCAGTG-3′[5]。擴(kuò)增反應(yīng)混合物總體積 50 μL,包括2.0 μL DNA模板、5 μL 10×reaction buffer、2 μL 2.5 mmol/L dNTP、各2 μL引物(濃度 10 mmol/L)、0.25μL Taq酶(5 U),用無(wú)菌ddH2O補(bǔ)至50 μL。PCR擴(kuò)增程序:94 ℃ 4 min;94 ℃ 30 s,54 ℃ 45 s,72 ℃ 1 min,35個(gè)循環(huán);72 ℃10 min。PCR產(chǎn)物用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),并拍照記錄。目標(biāo)擴(kuò)增產(chǎn)物用試劑盒回收純化后,由上海博尚生物有限公司進(jìn)行雙向測(cè)序,在本研究中,除用引物 DF1、DR2由2端向中部測(cè)序外,還根據(jù)所得序列再設(shè)計(jì)1對(duì)引物(F: 5′-GCGGATTCTCCGTAGACAAC-3′,R: 5′-GTAAAATTGTCTGGGTCTCC-3′)由序列中部向2端進(jìn)行測(cè)序,以提高測(cè)序的準(zhǔn)確性。endprint
1.3 數(shù)據(jù)分析
序列用Clustal W1.83軟件[6]分析比對(duì);利用DnaSP(version 4.0)軟件[7]統(tǒng)計(jì)單倍型及變異位點(diǎn)(S),計(jì)算單倍型多樣性(Hd)、核苷酸多樣性(π)及平均核苷酸差異數(shù)(K)。采用MEGA(version 4.0)軟件[8]中的Kimura 雙參數(shù)法計(jì)算各單倍型間的遺傳距離;采用鄰接(Neighbor-Joining,簡(jiǎn)稱NJ)法,Bootstrap置信值估算重復(fù)1 000次,構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。
利用Ariequin3.11軟件[9]計(jì)算兩兩群體間的分化指數(shù)(Fst),進(jìn)行分子變異分析(analysis of molecular variance,簡(jiǎn)稱AMOVA)。利用DnaSP5.10軟件[10]、Arlequin3.11軟件分別進(jìn)行核甘酸不配對(duì)分析和Fus Fs中性檢驗(yàn),來(lái)推斷4個(gè)刀鱭群體、1個(gè)短頜鱭群體在進(jìn)化過(guò)程中是否經(jīng)歷過(guò)種群擴(kuò)張。
2 結(jié)果與分析
2.1 PCR擴(kuò)增結(jié)果及序列特征分析
所有刀鱭、短頜鱭的D-loop片段均能被清晰穩(wěn)定地?cái)U(kuò)增,PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)顯示為1條清晰明亮的條帶,大小為1 300 bp左右。雙向測(cè)序后的序列經(jīng)過(guò)拼接,獲得1 210~1 293 bp的控制區(qū)全序列,其中長(zhǎng)度為1 252 bp的序列最多,有41條,占74.505%。刀鱭的D-loop序列長(zhǎng) 1 212~1 293 bp,短頜鱭的序列長(zhǎng)1 210~1 252 bp,在刀鱭和短頜鱭控制區(qū)序列中發(fā)現(xiàn)了3~7個(gè)拷貝不等的38 bp的重復(fù)片段,此外還存在1~3 bp小片段的插入或缺失。
序列分析結(jié)果(表1)表明,在4個(gè)刀鱭群體、1個(gè)短頜鱭群體 D-loop區(qū)段基因片段中,A、T、G、C堿基占比分別為332%、33.2%、19.3%、14.3%。其中,A+T堿基組成比例為664%,大于C+G的組成比例33.6%。從表1可以看出,D-loop表現(xiàn)出很強(qiáng)的堿基組成偏向性,即在 A、C、G、T這4種堿基中,C的組成比例明顯低于其他3種堿基。
2.2 群體遺傳多樣性和遺傳差異性的分析
通過(guò)序列比對(duì),在5個(gè)群體 55尾個(gè)體中,共檢測(cè)到變異位點(diǎn)(S)72個(gè)(圖1),其中單一多態(tài)位點(diǎn)50個(gè),簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)22個(gè)。本研究中共檢測(cè)到45種不同的單倍型,每種單倍型對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)為1~5個(gè)不等,長(zhǎng)江口刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭、鄱陽(yáng)湖刀鱭、鄱陽(yáng)湖刀鱭幼魚、鄱陽(yáng)湖短頜鱭群體中單倍型的分布數(shù)量分別為13、9、13、9、7種。
由表2可以看出,在所有45種單倍型中,僅有Hap9、Hap14、Hap22、Hap35、Hap37、Hap43在2個(gè)及2個(gè)以上的個(gè)體中存在,其他39種單倍型僅在1個(gè)個(gè)體中存在,Hap9含有最多的5個(gè)個(gè)體。Hap9在長(zhǎng)江口刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭、鄱陽(yáng)湖刀鱭群體中同時(shí)出現(xiàn),Hap14同時(shí)出現(xiàn)在長(zhǎng)江口刀鱭、鄱陽(yáng)湖刀鱭幼魚群體中,Hap22同時(shí)出現(xiàn)在鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭和鄱陽(yáng)湖刀鱭群體中,Hap35同時(shí)出現(xiàn)在長(zhǎng)江口刀鱭和鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭群體中,Hap37同時(shí)出現(xiàn)在鄱陽(yáng)湖刀鱭和鄱陽(yáng)湖刀鱭幼魚群體中。在45種單倍型中,長(zhǎng)江口刀鱭群體獨(dú)有單倍型有10個(gè)(Hap1、Hap3、Hap10、Hap20、Hap21、Hap23、Hap26、Hap27、Hap28、Hap30),鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭群體獨(dú)有的有6個(gè)(Hap5、Hap6、Hap15、Hap16、Hap19、Hap 24),鄱陽(yáng)湖刀鱭群體獨(dú)有的有8個(gè)(Hap2、Hap4、Hap17、Hap18、Hap25、Hap29、Hap31、Hap33、Hap34),鄱陽(yáng)湖刀鱭幼魚獨(dú)有單倍型7個(gè)(Hap7、Hap8、Hap11、Hap12、Hap13、Hap32、Hap36),鄱陽(yáng)湖短頜鱭群體的單倍型均為獨(dú)有的(Hap38~Hap45)。由此看出,各群體間擁有非常少的共享單倍型,獨(dú)有的單倍型在群體內(nèi)占有量非常豐富,而豐富的獨(dú)有單倍型的存在說(shuō)明長(zhǎng)江口刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭、鄱陽(yáng)湖刀鱭、鄱陽(yáng)湖刀鱭幼魚及鄱陽(yáng)湖短頜鱭群體間存在一定程度的分化。
群體內(nèi)的遺傳多樣性可以通過(guò)單倍型多樣性、核苷酸多樣性和平均核苷酸差異數(shù)等數(shù)據(jù)來(lái)體現(xiàn)。由表3可見,55個(gè)個(gè)體的單倍型多態(tài)性(H)為 0.989±0.007;核苷酸多樣性(π)為0.009 1,平均核苷酸差異數(shù)(K)為10.079。根據(jù)單倍型多樣性、核苷酸多樣性和平均核苷酸差異數(shù)等數(shù)據(jù)的大小可以看出,在4個(gè)刀鱭群體和1個(gè)短頜鱭群體中,遺傳多樣性豐富程度排序?yàn)檑蛾?yáng)湖刀鱭幼魚>鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭>鄱陽(yáng)湖短頜鱭>鄱陽(yáng)湖刀鱭>長(zhǎng)江口刀鱭。
經(jīng)計(jì)算,各單倍型間的遺傳距離在 0.014~0728,平均遺傳距離為0.188。
2.3 群體間遺傳分化與分子系統(tǒng)樹
根據(jù)鄰接法構(gòu)建的單倍型間系統(tǒng)進(jìn)化樹顯示:來(lái)源于鄱陽(yáng)湖湖區(qū)短頜鱭樣本的7種單倍型明顯單獨(dú)成為1系。與其他群體單倍型具有顯著的分化(圖2)。另外,采集自長(zhǎng)江口刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖區(qū)刀鱭及鄱陽(yáng)湖湖區(qū)刀鱭幼魚樣本的38種單倍型聚為1支。
從表4可看出,刀鱭群體之間的遺傳分化指數(shù)較低,而短頜鱭群體(DH)與刀鱭群體之間存在相對(duì)較高的分化指數(shù)(0.039 9~0.052 34)。
對(duì)刀鱭、短頜鱭群體的AMOVA分析結(jié)果顯示,將4個(gè)刀鱭群體分為1組(group 1:CD、HD、RD、DY),短頜鱭群體分為1組(group 2:DH)。在組間變異、組內(nèi)群體間變異、群體內(nèi)變異3個(gè)水平上進(jìn)行分子變異方差分析,表5顯示,6561%變異發(fā)生在群體內(nèi)部。對(duì)不同種類分組上的AMOVA分析表明,群體間、組內(nèi)變異分別占總變異的6071%、39.53%(P<0.001)。
2.4 種群歷史動(dòng)態(tài)
利用Ailequin 3.11軟件對(duì)刀鱭、短頜鱭群體進(jìn)行Tajimas D、Fu and Lis中性檢驗(yàn)。表3結(jié)果表明:所有群體Tajimas D均為負(fù)值(-1.541 59~-0.317 70),但未達(dá)到顯著水平。Fu and Lis在所有種群中均為負(fù)值(-1.654 44~-0.021 03),未達(dá)到顯著水平。Tajimas D、Fu and Lis檢驗(yàn)結(jié)果均表明,歷史上刀鱭、短頜鱭未經(jīng)歷種群擴(kuò)張。endprint
對(duì)刀鱭4個(gè)群體D-loop序列的錯(cuò)配分析發(fā)現(xiàn),堿基歧點(diǎn)分布的期望值呈典型的多峰分布,說(shuō)明長(zhǎng)江流域刀鱭種群歷史上未經(jīng)歷種群擴(kuò)張(圖3)。4個(gè)群體的Raggedness統(tǒng)計(jì)量(Rg)為0.45~0.80,均未達(dá)到顯著水平,進(jìn)一步支持刀鱭和短頜鱭種群未經(jīng)歷過(guò)種群擴(kuò)張,觀測(cè)分布和期望分布之間的偏離總方差(SSD)在4個(gè)刀鱭群體和1個(gè)短頜鱭群體中均未達(dá)到顯著水平(表6),提示刀鱭和短頜鱭種群未經(jīng)歷過(guò)擴(kuò)張時(shí)期。
3 討論
3.1 刀鱭和短頜鱭種群控制區(qū)序列的堿基組成
所測(cè)定的46尾刀鱭mtDNA D-loop區(qū)序列中,堿基A、T、G、C的平均含量分別為 33.2%、33.2%、19.3%、14.3%;9尾短頜鱭mtDNA D-loop區(qū)序列的堿基A、T、G、C的平均含量分別為33.1%、33.1%、19.5%、14.2%;從刀鱭、短頜鱭堿基組成可以看出,D-loop區(qū)段表現(xiàn)出很強(qiáng)的堿基組成偏向性,即在A、T、G、C4種堿基中,C的含量明顯低于其他3 種堿基的含量;此外,刀鱭和短頜鱭mtDNA D-loop區(qū)中A+T堿基的含量(66.4%、66.2%)高于G+C堿基含量(33.6%、338%),符合脊椎動(dòng)物mtDNA D-loop區(qū)堿基組成的特點(diǎn)[11]。
線粒體控制區(qū)(D-loop)為非編碼區(qū),受進(jìn)化壓力較小,在D-loop處可見較高的突變積累而形成多態(tài)性[12]。核苷酸替換和長(zhǎng)度變異在該處很常見[13-15]。在本研究中,發(fā)現(xiàn)刀鱭和短頜鱭控制區(qū)序列中存在38 bp的重復(fù)片段,拷貝數(shù)從 3~7個(gè)不等,此外還存在1~3 bp小片段的插入或缺失。
3.2 遺傳變異及遺傳多樣性
本試驗(yàn)中測(cè)定的刀鱭、短頜鱭5個(gè)群體的D-loop序列中共檢測(cè)出72個(gè)變異位點(diǎn),占全部序列的5.75%,共定義了45個(gè)單倍型,顯示出較為豐富的遺傳多樣性,與程起群等的研究結(jié)果一致[16-18]。從D-loop區(qū)序列變異得到的NJ系統(tǒng)進(jìn)化樹可以看出,來(lái)源于鄱陽(yáng)湖的短頜鱭形成1個(gè)單系,顯示與其他群體單倍型具有一定的分化,另外,采自長(zhǎng)江口,鄱陽(yáng)湖湖口和鄱陽(yáng)湖湖區(qū)樣本的38個(gè)單倍型聚為1支,刀鱭群體沒(méi)有明顯的地理分化格局。
群體間的遺傳分化指數(shù)用來(lái)表示群體間的遺傳分化程度,F(xiàn)st值越大,表明2個(gè)群體間的分化程度越高;反之,分化程度越低[19]。群體間的遺傳分化指數(shù)、K2-P遺傳距離以及AMOVA分子變異分析均表明,長(zhǎng)江流域4個(gè)刀鱭群體間存在著廣泛的基因交流,沒(méi)有形成明顯的遺傳分化,仍是個(gè)隨機(jī)交配的群體。鄱陽(yáng)湖為通江湖泊,每年4—6月,長(zhǎng)江流域刀鱭洄游至鄱陽(yáng)湖產(chǎn)卵,由于不同地理種群的刀鱭可能會(huì)進(jìn)入同一地點(diǎn)或相對(duì)較近的區(qū)域產(chǎn)卵和受精,因此增加了群體外
交配的可能性,同時(shí),這種繁殖方式增加了長(zhǎng)江流域刀鱭各群體之間的基因交流機(jī)會(huì), 由此導(dǎo)致長(zhǎng)江流域刀鱭群體之間的遺傳分化程度相對(duì)較低,而群體內(nèi)個(gè)體之間的遺傳變異較大。短頜鱭與刀鱭存在一定的遺傳分化,唐文喬等過(guò)對(duì)mtDNA的D-loop區(qū)進(jìn)行分析指出,短頜鱭和湖鱭是刀鱭的淡水生態(tài)型種群,并非有效種[5]。許志強(qiáng)等綜合分析刀鱭和短頜鱭的頜骨長(zhǎng)度和線粒體Cytb序列,得出短頜鱭屬于刀鱭的1個(gè)淡水生態(tài)型種群而并非獨(dú)立物種的結(jié)論[20]。本研究通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口刀鱭、鄱陽(yáng)湖湖口刀鱭、鄱陽(yáng)湖刀鱭、鄱陽(yáng)湖刀鱭幼魚以及鄱陽(yáng)湖短頜鱭5個(gè)群體的遺傳多樣性及系統(tǒng)發(fā)育樹研究也表明,鄱陽(yáng)湖的刀鱭和短頜鱭共同構(gòu)成1個(gè)單系群,為2種生態(tài)型種群,尚未達(dá)到種或亞種的分化。
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