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駱馬湖大銀魚、太湖新銀魚線粒體Cytb和CO Ⅰ基因序列多態(tài)性分析

2020-08-04 12:30李大命唐晟凱劉燕山
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年11期
關(guān)鍵詞:駱馬湖遺傳多樣性基因

李大命 唐晟凱 劉燕山

摘要:為了解江蘇省駱馬湖大銀魚(Protosalanx hyalocranius)和太湖新銀魚(Neosalanx taihuensis)遺傳多樣性水平,科學(xué)管理保護大銀魚和太湖新銀魚種質(zhì)資源,利用線粒體DNA Cytb和CO Ⅰ基因序列作為分子標記,研究了駱馬湖大銀魚和太湖新銀魚的遺傳多樣性。采用PCR擴增和序列測定獲得長度為1 141 bp和630 bp的Cytb和CO Ⅰ基因序列。64條大銀魚Cytb基因序列檢出10個多態(tài)性位點,定義9個單倍型,單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0824±0.025和0.001 49±0.000 13,堿基平均差異數(shù)為1.696;64條大銀魚CO Ⅰ基因序列檢出5個多態(tài)性位點,定義6個單倍型,單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.753±0.025和0.001 98 ±0.000 13,堿基平均差異數(shù)為1247。大銀魚遺傳多樣性具有高單倍型多樣性和低核苷酸多樣性特征。35條太湖新銀魚Cytb基因序列檢出11個多態(tài)性位點,定義8個單倍型,單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.449±0.103和0.000 92 ±0.000 30,堿基平均差異數(shù)為1.045;35條太湖新銀魚CO Ⅰ基因序列檢出5個多態(tài)性位點,定義6個單倍型,單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.361±0.103和0.000 62±0.000 20,堿基平均差異數(shù)為0.393。太湖新銀魚遺傳多樣性具有低單倍型多樣性和低核苷酸多樣性特征。大銀魚及太湖新銀魚的Cytb和CO Ⅰ基因單倍型間的遺傳距離較小,分子系統(tǒng)進化樹聚為一支,說明大銀魚和太湖新銀魚單倍型未出現(xiàn)遺傳分化。大銀魚和太湖新銀魚的Tajimas D和Fus Fs中性檢測結(jié)果為負值,且核苷酸錯配分布圖呈現(xiàn)單峰型,表明駱馬湖大銀魚和太湖新銀魚進化歷史上經(jīng)歷過種群擴張,研究結(jié)果為駱馬湖銀魚資源可持續(xù)發(fā)展和利用提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:遺傳多樣性;細胞色素b基因;細胞色素c氧化酶亞基Ⅰ基因;大銀魚;太湖新銀魚;駱馬湖

中圖分類號: S917.4 ?文獻標志碼: A ?文章編號:1002-1302(2020)11-0047-06

收稿日期:2019-05-15

基金項目:江蘇省水生生物資源重大專項(編號:ZYHB16-3);江蘇省內(nèi)陸省管漁業(yè)水域漁業(yè)資源監(jiān)測項目。

作者簡介:李大命(1981—),男,江蘇南京人,博士,副研究員,主要從事漁業(yè)生態(tài)環(huán)境及漁業(yè)資源研究。E-mail:ldm8212@126.com。

通信作者:張彤晴,碩士,研究員,主要從事漁業(yè)資源監(jiān)測及增養(yǎng)殖方面的研究。E-mail:zhtq3@126.com。 ?銀魚是銀魚科魚類簡稱,具有較高的經(jīng)濟價值和營養(yǎng)價值。我國是銀魚多樣性最為豐富的國家,擁有世界17種銀魚中的15種,其中6種為中國特有種[1-2]。大銀魚(Protosalanx hyalocranius Abbott,1901)和太湖新銀魚(Neosalanx taihuensis Chen,1956)分別隸屬于鮭形目(Salmoniformes)銀魚科(Salangidae)的大銀魚屬和新銀魚屬,主要分布在我國黃河、淮河和長江中下游及其附屬湖泊,是我國重要的經(jīng)濟魚類,成為重要的漁業(yè)捕撈對象[1]。2種銀魚均為1年生小型魚類,具有生長快且世代離散特征,對水環(huán)境變化敏感,種群年際間波動較為顯著。近幾十年來,由于過度捕撈、環(huán)境污染、水利工程建設(shè)及生境破碎化等不利因素影響,銀魚天然資源呈現(xiàn)大范圍、長時間持續(xù)衰退趨勢,種群數(shù)據(jù)急劇下降,逐漸失去捕撈價值[2]。因此,開展銀魚天然資源保護成為亟待解決的問題。

迄今,關(guān)于銀魚的研究主要集中在生殖發(fā)育、移植增殖和種群生態(tài)等方面[3-7],而有關(guān)銀魚分子方面的研究相對較少[8]。了解魚類的遺傳多樣性對于科學(xué)保護和合理利用漁業(yè)資源具有重要理論和應(yīng)用價值。脊椎動物線粒體DNA因具有自主復(fù)制、結(jié)構(gòu)緊密、編碼效率高、無重組現(xiàn)象、無組織特異性、進化速率快以及遵循嚴格的母系遺傳等特點,被廣泛地應(yīng)用于系統(tǒng)發(fā)育、物種分類和群體遺傳進化等領(lǐng)域中,成為最常用的分子標記之一[9]。線粒體細胞色素b (Cytb)和細胞色素c氧化酶亞基Ⅰ(CO Ⅰ)是線粒體DNA的蛋白質(zhì)編碼基因,具有良好的系統(tǒng)發(fā)育信息,且進化速率適中,被廣泛應(yīng)用于魚類種群遺傳多樣性及分子系統(tǒng)進化研究[10-12]。

駱馬湖(34°00′~34°14′N,118°06′~118°18′E)地處江蘇省北部,地跨宿遷、徐州2市,水位23.0 m時,平均水深約3.3 m,湖泊面積約260 km2,是江蘇省第4大淡水湖,屬于典型的人工控制型過水性湖泊,兼具漁業(yè)、供水、防洪等多重功能。近期的駱馬湖漁業(yè)資源調(diào)查共監(jiān)測到57種魚類,與歷史資料相比,駱馬湖魚類種類明顯減少,群落結(jié)構(gòu)組成趨于單一,且小型化、低齡化現(xiàn)象嚴重[13-14]。歷史上駱馬湖銀魚資源較為豐富,近年來銀魚天然資源急劇衰減并趨于枯竭[14-15]。到目前為止,尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)駱馬湖銀魚遺傳多樣性的資料。本研究采用線粒體DNA的Cytb和CO Ⅰ基因序列作為分子標記,首次探究駱馬湖大銀魚和太湖新銀魚的遺傳多樣性水平及遺傳結(jié)構(gòu)組成,研究結(jié)果不僅有利于豐富駱馬湖銀魚的遺傳學(xué)資料,同時可為科學(xué)保護和合理利用駱馬湖銀魚資源提供重要參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018年8—12月在駱馬湖采集大銀魚64尾和太湖新銀魚35尾。每尾樣本剪取肌肉組織,放入離心管中,加入無水乙醇固定,樣本保存于4 ℃冰箱中。

1.2 基因組DNA提取

采用廣譜性基因組 DNA 提取試劑盒 (TaKaRa,大連)提取大銀魚和太湖新銀魚基因組 DNA,將DNA 溶于100 μL超純水中,置于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 PCR擴增與測序

擴增Cytb和CO Ⅰ基因序列的引物見表1,由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。PCR反應(yīng)總體積為50 μL,其中包括2×Premix 25 μL(1.25 U Taq聚合酶,0.4 mmol/L dNTP,3 mmol/L Mg2+),模板DNA 2 μL,正反向引物各 2 μL (10 μmol/L),其余超純水補足。PCR反應(yīng)程序為:94 ℃預(yù)變性 4 min;94 ℃變性40 s,55 ℃退火 50 s,72 ℃延伸 90 s (Cytb)或60 s(CO Ⅰ),共30個循環(huán);反應(yīng)結(jié)束后在72 ℃再延伸10 min,最后4 ℃保存。

PCR產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測,選擇帶有目的條帶且條帶清晰的產(chǎn)物送至生工生物工程(上海)股份有限公司純化并雙向測序,測序引物為擴增引物。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用BioEdit軟件[18]和Clustal X軟件[19]測序結(jié)果進行序列編輯、比對和排序。

使用DnaSP 5.0軟件[20]計算單倍型數(shù)目、多態(tài)位點數(shù)目、單倍型多樣性(haplotype diversity,Hd)、核苷酸多樣性(nucleotide diversity,Pi)、變異位點、單一突變位點、簡約信息位點等。使用Mega 7.0軟件[21]計算序列的堿基組成、種群內(nèi)遺傳距離,采用鄰接法(Neighbor-Joining,NJ),構(gòu)建單倍型系統(tǒng)發(fā)育樹。使用Arlequin 3.0軟件[22]進行Tajimas D和Fus Fs中性檢驗。采用Tajimas D和Fus Fs中性檢驗及核苷酸不配對分布(Mismatch distribution)分析來檢測種群歷史動態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大銀魚和太湖新銀魚Cytb和CO Ⅰ基因序列變異分析

經(jīng) PCR 擴增、測序和校對,獲得駱馬湖大銀魚線粒體Cytb基因全長序列,其長度為1 141 bp,堿基T、C、A和G的平均含量分別為29.3%、32.4%、217%和16.6%,堿基A+T的含量(51.0%)略大于堿基G+C的含量(49.0%)。64條Cytb基因序列檢出10個多態(tài)性位點,其中3個是單一信息位點(分別位于第210、438、 897位點),7個是簡約信息位點(分別位于第180、429、471、585、837、1 017、1020位點),未插入和缺失位點。經(jīng)分析獲得駱馬湖大銀魚CO Ⅰ基因序列片段,長度為630 bp,堿基T、C、A和G的平均含量分別為29.3%、32.4%、217%和16.6%,堿基A+T的含量(51.0%)略大于堿基G+C的含量(49.0%)。64條CO Ⅰ基因序列檢出5個多態(tài)性位點,其中1個是單一信息位點(位于第180位點),4個是簡約信息位點(分別位于第156、270、348、360位點),未插入和缺失位點。

經(jīng)PCR擴增、測序和校對,獲得駱馬湖太湖新銀魚線粒體Cytb基因全長序列,其長度為 1 141 bp,堿基T、C、A和G的平均含量分別為281%、33.5%、21.1%和17.3%,堿基A+T的含量(49.2%)略小于堿基G+C的含量(50.8%)。35條Cytb基因序列檢出11個多態(tài)性位點,其中6個是單一信息位點(分別位于第85、124、159、217、837、1138位點),5個是簡約信息位點(分別位于第27、28、126、352、1 102位點),未插入和缺失位點。經(jīng)分析獲得駱馬湖大銀魚CO Ⅰ基因序列片段,長度為630 bp,堿基T、C、A和G的平均含量分別為25.4%、34.3%、19.5%和20.8%,堿基A+T的含量(44.9%)略小于堿基G+C的含量(551%)。35條CO Ⅰ基因序列檢出5個多態(tài)性位點,其中3個是單一信息位點(分別位于第84、183、519位點),2個是簡約信息位點(分別位于第3、477位點),沒有插入和缺失位點。

2.2 駱馬湖大銀魚和太湖新銀魚遺傳多樣性

由表2可知,64尾大銀魚定義9個Cytb基因單倍型,分別命名為PHB1~PHB9(GenBank登錄號:MK354248~MK354256),其數(shù)量分別為7、10、2、12、20、1、1、3、8個,其中PHB5為數(shù)量最多的單倍型,占比為31.3%。單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.824±0.025和0.001 49±0.000 13,平均核苷酸差異數(shù)為1.696;64尾大銀魚定義6個CO Ⅰ基因單倍型,分別命名為PHC1~PHC6(GenBank登錄號:MK354257~MK354262),其數(shù)量分別為22、8、1、2、19、12個,其中PHC1是數(shù)量最多的單倍型,占比為34.4%。單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.753±0.025和0.001 98 ±0.000 13,平均核苷酸差異數(shù)為1.247。

35尾太湖新銀魚定義8個Cytb基因單倍型,分別命名為NTB1~NTB8(GenBank登錄號:MK354263~MK354270),其數(shù)量分別為26、1、3、1、1、1、1和1個,其中NTB1是數(shù)量最多的單倍型,占比為74.3%。單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.449±0.103和0.000 92 ± 0.000 30,平均核苷酸差異數(shù)為1.045;35尾太湖新銀魚定義6個 CO Ⅰ 基因單倍型,分別命名為NTC1~NTC6(GenBank登錄號:MK361021~MK361026),其數(shù)量分別為28、1、1、2、1和2個,其中NTC1是數(shù)量最多的單倍型,占比為80.0%。單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.361± 0.103和0.00 062± 0.000 20,平均核苷酸差異數(shù)為0.393。

2.3 大銀魚和太湖新銀魚單倍型系統(tǒng)進化樹

駱馬湖大銀魚線粒體Cytb和CO Ⅰ基因單倍型之間的Kimura-2雙參數(shù)遺傳距離分別在0.001~0.004和0.002~0.005之間,相應(yīng)地,太湖新銀魚2個基因單倍型之間的遺傳距離分別在0.001~0005和0.002~0.003之間。大銀魚和太湖新銀魚Cytb單倍型之間的Kimura-2雙參數(shù)遺傳距離在0.117~0.123之間,相應(yīng)地,大銀魚和太湖新銀魚COⅠ 單倍型之間的遺傳距離在0.124~0.130之間。

采用鄰接法構(gòu)建大銀魚和太湖新銀魚Cytb和CO Ⅰ基因單倍型分子系統(tǒng)進化樹,由圖1和圖2可知,大銀魚和太湖新銀魚單倍型均聚為2個明顯分支。

2.4 大銀魚和太湖新銀魚種群歷史動態(tài)

對駱馬湖大銀魚和太湖新銀魚Cytb和CO Ⅰ基因序列進行 Tajimas D 和 Fus Fs 中性檢驗,由表 3

可知,大銀魚Cytb基因序列的2種中性檢驗結(jié)果均為負值, 但并未達到顯著性水平。 大銀魚 CO Ⅰ基

因序列的Tajimas D中性檢驗結(jié)果為正值,而Fus Fs中性檢驗結(jié)果為負值,且均未達到顯著性水平;太湖新銀魚的2種中性檢驗結(jié)果均為負值,且均達到顯著性水平。

對駱馬湖大銀魚和太湖新銀魚Cytb和CO Ⅰ基因序列進行核苷酸錯配分布分析,由圖3和圖4可知,大銀魚和太湖新銀魚Cytb和CO Ⅰ基因序列的核苷酸錯配分布圖均呈單峰型。結(jié)合中性檢測結(jié)果,可以推斷出駱馬湖2種銀魚近期歷史上經(jīng)歷過種群擴張。

3 討論

遺傳多樣性是指生物種內(nèi)和種間的遺傳變異度,是生物進化與適應(yīng)環(huán)境的基礎(chǔ)。物種遺傳多樣性高低與其適應(yīng)能力、生存能力和進化潛力密切相關(guān)。豐富的遺傳多樣性意味著較高的適應(yīng)生存潛力,蘊藏著較大的進化潛能、豐富的育種和遺傳改良潛力。物種遺傳變異減少可能導(dǎo)致嚴重的后果,如成活率、生長與繁殖效率變低,降低種群個體對環(huán)境變化的適應(yīng)能力。單倍型多樣性和核苷酸多樣性是衡量一個物種或群體遺傳多樣性的重要指標。駱馬湖大銀魚64尾樣本共定義9個Cytb基因單倍型,單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0824±0.025和0.001 49±0.000 13;定義6個 CO Ⅰ 基因單倍型,單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.753±0.025和0.001 98±0.000 13,顯示出較高的單倍型多樣性和較低核苷酸遺傳多樣性。太湖新銀魚35尾樣本共定義8個Cytb基因單倍型,單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.449±0.103和0.00 092±0.000 30;定義6個CO Ⅰ基因單倍型,單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0361±0.103和0.000 62±0.000 20,顯示出較低的單倍型多樣性和較低核苷酸遺傳多樣性。已有文獻報道我國不同水域、水體大銀魚遺傳多樣性,如,三峽庫區(qū)(Cytb,Hd:0.804±0.032,Pi:0.0014 6±0.000 09)[23]、太湖(Cytb,Hd:0.850±0.045,Pi:0002 96±0.000 17)[11]、微山湖(Cytb,Hd:0.684±0.120,Pi:0.000 9±0.000 2)、巢湖(Cytb,Hd:0.853±0.001,Pi:0.001 5±0.000 5)[24]、洪澤湖(Cytb,Hd:0.755±0.045,Pi:0.001 29±0.000 10;CO Ⅰ,Hd:0.700±0.047,Pi:0.002 07±0.000 16)[12]、黑龍江水域(Cytb,Hd:0.827±0.03,Pi:0.002 02±0.000 28)、松花江水域(Cytb,Hd:0876±0.038, Pi: 0.001 87± 0.000 23)、 興凱湖(Cytb,Hd:0.667±0.041,Pi:0.001 88±0.000 27)、蓮花湖(Cytb,Hd:0.823±0.026,Pi:0.001 41±0000 10)[25];已有文獻報道太湖新銀魚的遺傳多樣性,比如三峽庫區(qū)(Cytb,Hd:0.671±0.061,Pi:0002 28±0.000 24)[23]、長江中下游8個地理群體(CO Ⅰ,Hd:0.576±0.036,Pi:0.001 12±0.002 04)[26]及珠江流域(Hd:0.622±0.064,Pi:0001 1± 0.000 3)、長江流域(Hd:0.781±0.017,Pi:0.002 7±0.001)和淮河流域(Hd:0.464±0057,Pi:0.001 0±0.000 2)3大水系(Cytb,Hd:0713±0.022,Pi:0.022±0.000 1)[27]。通過比較可得出,駱馬湖大銀魚遺傳多樣性處于中等水平,而太湖新銀魚遺傳多樣性處于較低水平。反過來,較低的遺傳多樣性會降低銀魚種群對環(huán)境的適應(yīng)能力和進化潛能,導(dǎo)致種群數(shù)量持續(xù)下降。近年來,受過度捕撈、環(huán)境污染、富營養(yǎng)化和采沙等活動影響,導(dǎo)致棲息環(huán)境破壞等不利結(jié)果[28-30],駱馬湖銀魚資源量急劇減少,有效種群數(shù)量降低,進而導(dǎo)致銀魚遺傳多樣性水平較低。

根據(jù)單倍型多樣性和核苷酸多樣性的大小,可將魚類的進化模式分為4種類型。第一種類型(Hd≥0.5,Pi<0.005)是受瓶頸效應(yīng)后種群數(shù)量的迅速擴張導(dǎo)致;第二種類型(Hd≥0.5,Pi≥0.005)表示種群穩(wěn)定,具有比較悠久的進化歷史;第三種類型(Hd<0.5,Pi≥0.005)表示種群經(jīng)歷了輕微的瓶頸效應(yīng),但幾乎未影響到核苷酸變異;第四種類型(Hd<0.5,Pi<0.005)表明種群近期經(jīng)歷了瓶頸效應(yīng)[31]。本研究結(jié)果表明,駱馬湖大銀魚單倍型多樣性Hd>0.5,而核苷酸多樣性Pi<0.005,屬于第一種進化模式。由于核苷酸多樣性積累所需時間比積累單倍型時間漫長,提示駱馬湖大銀魚種群是從一個有效種群數(shù)量較小的種群經(jīng)快速擴張而來,但是仍然未達到積累核苷酸變異所需要的時間。太湖新銀魚單倍型多樣性Hd<0.5,核苷酸多樣性Pi<0.005,屬于第四種進化模式,反映出該種群受多種不利因素影響所導(dǎo)致的個體數(shù)量急劇減少,甚至面臨滅絕危險。另外,通過Tajimas D和Fus Fs中性檢測可以推斷種群進化歷史,當Tajimas D和Fus Fs呈負值,并且在統(tǒng)計學(xué)上有較顯著的標準,說明序列中含有比中性進化模型更多的核苷酸位點變化,預(yù)示著被研究種群經(jīng)歷過一個擴張的歷史[32-33]。本研究中駱馬湖大銀魚和太湖新銀魚的Tajimas D和Fus Fs值均為負值,但大銀魚沒有顯著偏離中性進化,太湖新銀魚與中性進化的差異顯著(表3)。同時,2種銀魚的核苷酸歧點分布曲線呈單峰型(圖3和4),說明駱馬湖大銀魚和太湖新銀魚種群在歷史上出現(xiàn)過擴張。

研究結(jié)果顯示,大銀魚Cytb和CO Ⅰ單倍型之間的遺傳距離分別在0.001~0.004和0.002~0005之間。太湖新銀魚2種基因單倍型之間的遺傳距離分別在0.001~0.005和0.002~0.003之間,表明大銀魚及太湖新銀魚種群內(nèi)沒有產(chǎn)生遺傳分化。這是因為不同單倍型個體間存在廣泛的基因交流,沒有地理隔離的限制。另外,銀魚自身具有較強的活動能力,加之生產(chǎn)捕撈、水流的影響能夠促進銀魚的運動,有利于銀魚個體間基因交流。已有研究表明,太湖大銀魚、太湖新銀魚和寡齒新銀魚6湖區(qū)群體的遺傳相似性指數(shù)和遺傳距離都十分接近,群體間的遺傳差異很小[34]。從單倍型數(shù)量組成來看,駱馬湖銀魚遺傳結(jié)構(gòu)不合理,尤其是太湖新銀魚,其Cytb和CO Ⅰ基因單倍型中優(yōu)勢單倍型的比例高達76.3%和80%,而其他單倍型所占的比例均較低。相比較而言,數(shù)量少的單倍型個體更容易喪失遺傳基因,從而導(dǎo)致銀魚遺傳多樣性丟失和遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

本研究借助于線粒體DNA Cytb和CO Ⅰ基因序列首次調(diào)查了駱馬湖遺傳多樣性水平,結(jié)果顯示,駱馬湖銀魚種質(zhì)資源遺傳多樣性較低,遺傳結(jié)構(gòu)組成不合理。為維持駱馬湖銀魚資源的可持續(xù)發(fā)展,需要采取措施恢復(fù)和保護駱馬湖銀魚資源,提高其遺傳多樣性水平。比如,加強銀魚資源量和遺傳多樣性動態(tài)監(jiān)測,開展針對性的銀魚增殖放流;控制捕撈強度、延長禁漁期,對銀魚資源采取定額捕撈、限額捕撈;控制環(huán)境污染和富營養(yǎng)化,禁止采沙活動,減少人類干擾。

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