李大命 張彤晴 唐晟凱 鐘立強 劉小維
(江蘇省淡水水產(chǎn)研究所 江蘇省內陸水域漁業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室 南京 210017)
河蜆(Corbicula fluminea),俗稱“黃蜆”,是一種棲息于淡水、咸淡水的常見雙殼貝類,廣泛分布于世界各地水域,并成為河流湖泊等淡水生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢種,對水生生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動有重要影響(Hakenkamp et al,1999;Perceval et al,2002)。同時河蜆具有很高的營養(yǎng)價值,國內外市場對河蜆的需求量越來越大,其經(jīng)濟價值亦不斷上漲,河蜆養(yǎng)殖業(yè)已成為淡水經(jīng)濟貝類養(yǎng)殖的熱點之一。湖泊富營養(yǎng)化、棲息環(huán)境破壞和捕撈過度等原因造成河蜆天然資源量減少,嚴重制約了河蜆產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。洪澤湖是中國第四大淡水湖泊,河蜆是其底棲動物群落中的常見優(yōu)勢種(韓愛民等,2002;張超文等,2012),也是洪澤湖重要的出口創(chuàng)匯水產(chǎn)品,2007年12月在洪澤湖臨淮水域建立了首個國家級河蜆自然保護區(qū)。調查研究結果(袁永滸等,1994;嚴維輝等,2007)表明,洪澤湖河蜆產(chǎn)量從20世紀80年代初期的32萬噸下降至90年代初的21.29萬噸。近幾年來洪澤湖河蜆資源量呈持續(xù)下降趨勢,引起了政府相關部門的高度重視,加強洪澤湖河蜆種質資源保護已成為當務之急。國內外有關河蜆的研究主要集中在基礎生物學、營養(yǎng)價值及環(huán)境毒理學等方面。有關洪澤湖河蜆遺傳多樣性的研究,僅見丁懷宇等(2011)采用微衛(wèi)星標記技術分析洪澤湖河蜆野生群體的遺傳結構。
種群遺傳多樣性是保護遺傳學重要的研究內容,也是制定保護策略的重要前提和基礎(Avise,1989;Waits et al,1989)。DNA分子標記是一種檢測物種遺傳多樣性和遺傳結構的常用方法。在眾多的DNA分子標記中,線粒體 DNA(mtDNA)是一種重要的分子標記,在水生動物進化生物學和群體遺傳學研究中被廣泛采用(劉云國等,2009)。COI基因序列是mtDNA中的一段,進化速率適中,是mtDNA最常用的分子標記之一(Martínez-Navarro et al,2005),其在雙殼貝類分子系統(tǒng)學研究中已有較多文獻報道(Giribet et al,2002;Lee et al,2005)。本研究首次采用COI基因作為分子標記,調查洪澤湖河蜆種質資源遺傳多樣性現(xiàn)狀及其種群遺傳結構,以期為洪澤湖河蜆資源保護和可持續(xù)開發(fā)利用提供科學依據(jù)。
2014年 5月中旬對洪澤湖河蜆資源量分布和水環(huán)境狀況進行了調查分析。根據(jù)研究結果,在洪澤湖的顧勒河、臨淮、蔣壩和高良澗水域各設置1個采樣點),隨機采集河蜆野生群體(分別用 GLH、LH、JB和GLJ表示 4個河蜆群體),采樣點位置和樣本量見表1和圖1。河蜆用無水乙醇固定后帶回實驗室,將外套膜肌肉組織從殼中取出裝入離心管中,加入無水乙醇,置于–20°C保存。
表1 采樣點位置和河蜆群體樣本數(shù)Tab.1 Sampling locations and the number of C.fluminea populations in Hongze Lake
圖1 洪澤湖河蜆采樣點分布Fig.1 The distribution of sampling locations in Hongze Lake
取河蜆外套膜肌肉組織作為提取DNA的材料。采用常規(guī)苯酚-氯仿法提取基因組 DNA,加入200μLTE溶液溶解。DNA完整性采用1%的瓊脂糖凝膠電泳鑒定,濃度采用紫外分光光度計測定。
PCR擴增采用文獻報道 COI基因的通用引物(Folmer et al,1994)。上游引物為 LCO1490: 5′-GGTC AA-CAAATCATAAAGATATTGG-3′),下 游 引 物 為HCO2198: 5′-TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA-3′。引物均由上海生工生物工程股份有限公司合成。
PCR反應總體積為 50μL,其中2×PCR mix(包含Taq酶2.5μmol,dNTPs 10μmol,MgCl20.1mmol)25μL,上下游引物(10μmol)各 2μL,DNA 模板 2.0μL,ddH2O補足體積。PCR反應條件為: 94°C預變性4min,94°C變性40s,50°C退火50s,72°C延伸1min。30個循環(huán);72°C最后延伸10min。
取 PCR產(chǎn)物于 1.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,Goldview染色,對凝膠成像進行觀察和拍照。采用瓊脂糖凝膠純化試劑盒(Takara)將PCR產(chǎn)物純化后送至上海生工生物工程股份有限公司進行雙向測序。
測序獲得的COI序列通過Chromas1.45軟件獲得原始序列數(shù)據(jù);采用用ClustalX 1.83軟件對序列進行比對,并輔以人工校正。用DnaSP 5.0軟件計算單倍型數(shù)、單倍型多樣性(haplotype diversity,h)和核苷酸多樣性(nucleotide diversity,π)等;利用 Arlequin 3.1軟件中的分子變異分析(AMOVA)方法估算遺傳在群體間和群體內的分布,并計算群體間遺傳分化系數(shù)Fst及其顯著性。用 Mega4.0軟件統(tǒng)計COI基因序列堿基組成,并基于 Kimura 2-parameter遺傳距離,用臨接法(Neighbor-joining,NJ)構建單倍型系統(tǒng)進化樹。利用Tajima’s D和Fu’Fs中性檢驗和核苷酸不配對分布檢測河蜆群體的歷史動態(tài)。
本研究對洪澤湖河蜆的mtDNA COI基因片段進行PCR擴增、測序和比對,獲得614bp COI基因片段。經(jīng)過分析,所有序列中,A、T、G和C4種堿基平均含量分別為22.6%、42.4%、21.0%和14.0%。A+T的含量為65.0%,明顯高于G+C的含量35.0%(表2),表現(xiàn)出較為明顯的堿基組成偏倚性。但4個群體間的COI基因序列堿基組成無明顯差異。
表2 河蜆群體的mtDNA COI基因序列堿基組成Tab.2 The base composition of COI gene fragments of C.fluminea populations in Hongze Lake
COI序列共包含 73個核苷酸變異位點,占分析位點總數(shù)的11.9%,其中包括66個簡約信息位點和7個單一信息位點,沒有插入和缺失位點。4個群體77條COI序列中共定義了22個單倍型(表3),其中單倍型 H5和 H13出現(xiàn)的次數(shù)較多,單倍型 H5、H13和H14為4個河蜆群體共享單倍型,單倍型H1為顧勒河群體特有的單倍型,單倍型H2、H8、H9、H17和H18為蔣壩群體特有的單倍型,單倍型H3、H7、H11、H15和H22為臨淮群體特有的單倍型,單倍型H4、H19和H21為高良澗群體特有的單倍型。
表3 河蜆COI基因單倍型(H1—H22)在4個群體中的分布Tab.3 Distribution of COI gene haplotypes in the four C.fluminea populations
基于 COI基因所有序列得到的 4個河蜆群體的單倍型數(shù)及遺傳多樣性參數(shù)如表4所示。從表4可以得出,4個河蜆群體的單倍型多樣性指數(shù)為0.889±0.020,核苷酸多樣性指數(shù)為 0.04499±0.00127,平均核苷酸差異數(shù)為27.622,這表明洪澤湖河蜆種群具有較豐富的遺傳多樣性。另外,4個河蜆群體的遺傳多樣性高低存在差異,蔣壩群體的遺傳多樣性最 大,顧勒河群體的遺傳多樣性最小。
表4 洪澤湖河蜆群體的遺傳多樣性Tab.4 Genetic diversity of the four C.fluminea populations in Hongze Lake
利用MEGA4.0軟件中Kumara雙參數(shù)模型計算群體間的遺傳距離(表 5)。由表可知,顧勒河和臨淮群體之間的遺傳距離最遠為 0.04969,顧勒河與高良澗群體間的遺傳距離最近為 0.03729?;谌后w間的遺傳距離,構建4個群體之間的NJ系統(tǒng)樹(圖2),結果表明,顧勒河群體和高良澗群體聚為一支,蔣壩群體和臨淮群體聚為一支。
表5 洪澤湖河蜆群體間的遺傳分化系數(shù)(Fst)(對角線上)和遺傳距離(對角線下)Tab.5 Fixation index (above diagonal)and genetic distances(below diagonal)among C.fluminea populations in HongzeLake
圖2 四個河蜆群體的NJ聚類樹Fig.2 Dendrogram of the four C.fluminea populations by based on the genetic distance in NJ method
為進一步分析河蜆群體間的遺傳變異組成,采用 Arlequin軟件對 4個河蜆群體進行分子方差分析(AMOVA)。結果顯示,93.67%的遺傳變異出現(xiàn)在種群內,僅有 6.33%出現(xiàn)在種群間,群體間總的遺傳分化系數(shù)Fst=0.06325(P>0.05)(表6),說明4個群體間無顯著遺傳分化。兩兩群體間的遺傳分化系數(shù)如表5所示,可以得出,顧勒河群體與蔣壩和臨淮群體及高良澗群體與臨淮群體間的遺傳分化系數(shù)具有顯著性差異(P<0.05),而顧勒河與高良澗和蔣壩及蔣壩與臨淮群體間的遺傳分化系數(shù)為負值,表明這兩組群體間無遺傳分化。
表6 河蜆4個群體間遺傳差異的分子方差分析表(AMOVA)Tab.6 Analysis of molecular variance (AMOVA)in the four populations of C.fluminea
基于Kumara雙參數(shù)模型的單倍型間的遺傳距離在 0.002—0.100,平均遺傳距離為 0.051。利用MEGA4.0軟構建mtDNA COI基因單倍型NJ系統(tǒng)樹,并對所得的系統(tǒng)樹進行自展法檢驗(1000次重復)(圖3)。結果顯示,22個COI單倍型聚為2個明顯分支,且有很高的置信度支持,其中單倍型H1到H12聚為一支(I),單倍型H13到H22聚為一支(II)。分支內單倍型之間的遺傳距離較小,而分支間的單倍性遺傳距離較大。同時可以看出,4個河蜆群體的COI單倍型個體交錯在一起,不具有明顯的地理結構,說明群體間無明顯的遺傳分化。
利用Tajima’s D和Fu’s Fs中性檢驗和歧點分布分析洪澤湖河蜆是否經(jīng)歷種群擴張。中性檢驗結果如表7所示,中性檢驗中Tajima’s D值和Fu's Fs值均為正,除顧勒河群體外,Tajima’s D檢驗結果均為顯著或極顯著;所有群體的 Fu’s Fs檢驗結果均為顯著或極顯著。所有河蜆個體的堿基歧點分布(mismatch–distribution)分布圖譜呈現(xiàn)雙峰型(圖4),這些結果表明洪澤湖河蜆種群大小保持穩(wěn)定,未發(fā)生明顯的種群擴張。
圖3 河蜆COI序列22個單倍型的NJ分子系統(tǒng)樹Fig.3 NJ tree among 22 haplotypes of COI sequences of C.fluminea
表7 洪澤湖河蜆種群的中性檢驗結果Tab.7 Results of neutral test for natural selection on C.fluminea populations in Hongze Lake
mtDNA是生物系統(tǒng)進化和群體遺傳多樣性研究最常用的分子標記之一,4種核苷酸A、T、G和C在線粒體基因組中的分布呈不均勻性,是動物線粒體基因組的一個基本特征。本研究中洪澤湖河蜆mtDNA COI堿基序列中A+T含量為65.0%,明顯高于 G+C含量(35.0%),這與三角帆蚌(李家樂等,2008)、褶紋冠蚌(賈名靜等,2009)、厚殼貽貝(李詠梅等,2009)、紫貽貝(沈玉幫等,2011)、牡蠣(毛陽麗等,2014)等雙殼貝類的 mtDNA COI基因序列堿基組成具有相似特點,表明雙殼貝類中 mtDNA序列堿基組成中表現(xiàn)出很強的偏倚性。
圖4 洪澤湖河蜆種群的歧點分布圖Fig.4 Mismatch distribution analysis of C.fluminea populations in Hongze Lake
遺傳多樣性是形成生物多樣性的基礎,與生物的適應能力、生存能力和進化潛力密切相關。單倍型多樣性指數(shù)(h)及核苷酸多樣性指數(shù)(π)是衡量一個種群遺傳變異的2個重要指標。本研究所分析的洪澤湖4個河蜆種群 77個體間的單倍型序列顯示,mtDNA COI基因單倍型序列種類比較豐富,總數(shù)達到22個,占全部序列的28.6%,平均單倍型多樣性和核苷酸多樣性分別為0.889±0.020和 0.04499±0.00127,表現(xiàn)出很高的遺傳多樣性,這為開展洪澤湖河蜆人工繁殖和選育提供了種質保障。有學者通過對線粒體 DNA序列的遺傳變異分析,將不同核苷酸多樣性和單倍型多樣性間的組合分成了四種類型: 低 h(h<0.5)和低π(π<0.005)、高h和低π、低h和高π和高h和高π(Grant et al,1998)。本研究結果顯示洪澤湖河蜆種群具有較高h和π,說明洪澤湖河蜆種質資源遺傳多樣性比較豐富。從歷史進化的角度看,這種高h和高π的遺傳多樣性模式通常是由一個較大而穩(wěn)定的有效種群經(jīng)過長時間進化所產(chǎn)生。從生物學和生態(tài)學的角度來講,大的有效群體、環(huán)境異質性以及適于種群快速增長的生活習性是維持自然種群較高的遺傳多樣性的基礎(Nei,1987)。河蜆是我國的土著種類,在淡水生態(tài)系統(tǒng)中分布廣泛。調查表明,河蜆是洪澤湖底棲動物群落中的第一優(yōu)勢種類,生物量比較大(張超文等,2012)。同時河蜆具有很強的環(huán)境適應能力和較快的繁殖速度,這些因素均有利于保持洪澤湖河蜆豐富的遺傳多樣性。
從遺傳多樣性參數(shù)得出(表4),4個河蜆群體間的遺傳多樣性存在差異,其遺傳多樣性大小順序是蔣壩群體>臨淮群體>高良澗群體>顧勒河群體。有研究者采用微衛(wèi)星技術對洪澤湖調查了洪澤湖 4個河蜆群體(臨淮、蔣壩、老子山和高良澗)的遺傳多樣性及其種群遺傳結構,結果表明: 蔣壩、臨淮群體遺傳多樣性高于老子山和高良澗群體(丁懷宇等,2011)。這與本研究利用 COI分子標記得到的結果一致。導致洪澤湖河蜆群體間遺傳多樣性差異的主要原因是 4個群體所處的地理位置及水域環(huán)境差異(丁懷宇等,2011)。研究者對洪澤湖水體富營養(yǎng)化水平和水環(huán)境狀況進行調查分析,發(fā)現(xiàn)不同湖區(qū)水環(huán)境質量存在差異,臨淮和蔣壩群體所在水域的水生態(tài)環(huán)境顯著好于高良澗和顧勒河群體所在水域(范亞民等,2008;吳延東等,2010)。另外臨淮和蔣壩群體分別位于洪澤湖上游入水口和下游出水口,河湖之間的水流交換較頻繁,湖區(qū)水體流動性好于高良澗群體和顧勒河群體所在水體。而河蜆喜歡生活在水流大且開放的水體中,這種環(huán)境有利于其生長和繁殖(嚴維輝等,2007)。因此,加強洪澤湖生態(tài)環(huán)境保護,降低水體富營養(yǎng)化水平,改善水環(huán)境質量,有利于保護洪澤湖河蜆種質資源遺傳多樣性。
遺傳分化系數(shù) Fst是衡量群體間遺傳分化大小的重要指標,其值在0到1之間,數(shù)值越大表明群體間的遺傳分化越顯著(Wright,1978)。AMOVA分析結果顯示,河蜆種群間總的遺傳分化指數(shù) Fst為0.06325(P>0.05),表明4個河蜆群體間遺傳分化程度較低,沒有形成顯著的遺傳結構。在4個河蜆種群中,顧勒河群體與臨淮和蔣壩群體、高良澗與臨淮群體間的遺傳分化顯著(P<0.05),而顧勒河與高良澗群體、蔣壩與高良澗和臨淮群體間的遺傳分化不顯著(P>0.05),這也與群體間的遺傳距離和 NJ系統(tǒng)樹聚類分析結果對應。顧勒河群體與高良澗群體間的遺傳距離最小為 0.03729,顧勒河群體與臨淮群體間的遺傳距離最大為 0.04969,都遠小于物種間遺傳距離的臨界值(Thorp,1982)。COI單倍型 NJ系統(tǒng)樹顯示不同群體間的單倍型呈交錯分布,沒有明顯的地理聚群和譜系結構。群體間的AMOVA分析結果、遺傳距離和COI單倍型系統(tǒng)進化樹均表明,洪澤湖4個河蜆種群是隨機交配的群體,群體間沒有明顯的遺傳分化,這與丁懷宇等(2011)的結論一致。
基因流能減少群體間的遺傳分化(Lenormand et al,1998)。當群體間的基因流大于1,能有效抑制群體間的遺傳分化(Wright,1931)。本研究發(fā)現(xiàn)4個河蜆群體間基因流 Nm為 3.42,單倍型間的基因流 Nm為21.00,表明河蜆群體間的基因交流比較頻繁。這與河蜆生活史有密切關系。河蜆受精卵發(fā)育過程中經(jīng)歷較長時間的浮游幼蟲階段,可以隨水體交換和湖流運動而隨機擴散,導致不同群體間產(chǎn)生基因交流。其次,洪澤湖是一個大型淺水性湖泊,4個群體同處洪澤湖湖區(qū)內,地理位置差異不大,群體間沒有能夠形成地理隔離的天然屏障。另外,頻繁的生產(chǎn)捕撈活動可以有利于河蜆在湖區(qū)間的運動和遷移,從而促進不同區(qū)域的河蜆間的基因流動。整體來看,洪澤湖河蜆群體進化并未形成明顯的種群遺傳結構。因此,可以將洪澤湖河蜆種質資源作為一個整體進行保護和管理。
通常借助于兩種方法檢測種群歷史動態(tài)。一是采用 Tajima’s D(Tajima,1989)和 Fu’s Fs(Fu,1997)中性檢驗來驗證,如果Tajima’s D和Fu’s Fs檢驗的統(tǒng)計值是負值并且顯著性差異,可能是群體擴張引起的偏離中性進化;二是根據(jù)岐點分布曲線圖來判別,如果種群呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),在岐點分布圖譜上會呈現(xiàn)多峰,反之則呈單峰 (Rogers et al,1992;Rogers,1995)。本研究結果顯示,將4個河蜆群體作為一個整體進行中性檢測的 Tajima’s D 值和 Fu’s Fs值均為正值(P<0.01)(表 7),且岐點分布圖呈現(xiàn)不規(guī)則的雙峰型,表明河蜆種群保持相對穩(wěn)定,未經(jīng)歷過近期的種群擴張;但河蜆種群進化過程偏離中性選擇,這可能是由于基因突變、自然選擇或非平衡選擇所造成,進而使河蜆種群具表現(xiàn)出較豐富的遺傳多樣性水平,導致了 COI單倍性出現(xiàn)明顯遺傳分化,NJ系統(tǒng)樹結果也表明COI單倍型分為2個明顯分支。
河蜆是洪澤湖底棲動物的優(yōu)勢種類,具有較高的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值。由于過度捕撈、環(huán)境污染和湖泊富營養(yǎng)化等多種因素導致河蜆野生資源量急劇下降,資源量減少會進一步導致群體遺傳多樣性降低,進而危及其自身的延續(xù)能力,嚴重制約洪澤湖河蜆產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此,必須加強對洪澤湖河蜆種質資源的保護。我們提出以下保護措施: (1)建立嚴格的休漁期制度,嚴禁繁殖季節(jié)捕撈河蜆,嚴格控制捕撈量,禁止使用帶有毀滅性的捕撈工具;(2)加強對河蜆繁殖生物學及早期生活史的研究,開展人工繁殖,進行人工增殖放流,努力恢復其資源量;(3)在遺傳多樣性水平較高的蔣壩和臨淮湖區(qū)建立河蜆種質資源保護區(qū),加強保護區(qū)水質監(jiān)測和環(huán)境保護,嚴禁在保護區(qū)內進行人類活動,降低洪澤湖富營養(yǎng)化水平,提高水環(huán)境質量。
本研究首次利用mtDNA COI分析洪澤湖河蜆群體的遺傳多樣性和群體遺傳結構,為其種質資源的遺傳多樣性評估、保護利用及良種選育中親本的選擇奠定了理論基礎。結果表明,洪澤湖河蜆種質資源具有較高的遺傳多樣性,湖區(qū)間河蜆種群的遺傳多樣性存在差異,湖區(qū)間河蜆種群的遺傳分化程度較低,沒有形成顯著的遺傳結構。針對洪澤湖資源現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢,提出了保護種質資源的措施。今后需要進一步調查分析洪澤湖河蜆資源量及其遺傳多樣性的時空變化,找出相關的主導環(huán)境因子,為合理開發(fā)和可持續(xù)利用河蜆資源、充分發(fā)揮其經(jīng)濟價值和生態(tài)價值提供參考。
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