楊立強(qiáng),劉彥斌,茍金明,王吉祥,劉 凱,肖 偉,王永杰,楊瑞蘭,柳 婷,劉 哲,連總強(qiáng)
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,蘭州 730070;2.寧夏回族自治區(qū)水產(chǎn)研究所,銀川 750001;3.寧夏漁業(yè)工程技術(shù)研究中心,銀川 750001;4.喀什大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院,新疆喀什 844000;5.寧夏回族自治區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站,銀川 750001)
本研究利用線粒體細(xì)胞色素C氧化酶I(COX1)基因序列和線粒體NADH脫氫酶第一亞基(ND1)基因序列,初步研究了黃河上游3個(gè)不同地理群體大鼻吻的遺傳多樣性,探討其群體關(guān)系及系統(tǒng)地位,為大鼻吻遺傳資源保護(hù)和利用提供參考依據(jù)。
圖1 大鼻吻采樣水域Fig.1 Sampling location map of R. nasutus
采用血液/細(xì)胞/組織DNA提取試劑盒(北京天根生化科技有限公司)提取大鼻吻樣本基因組DNA。采用Nano-30核酸濃度測(cè)定儀(杭州奧盛儀器有限公司)檢測(cè)濃度及OD值,采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的完整性后,于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
用于擴(kuò)增目的片段COX1和ND1的引物序列分別為:COX1F:5′-TTTATCTTGTATTTGGTGC-3′和R:5′-CTTCAGAAGAAAGTGACAGAGTGGT-3′;ND1F:5′-ATACTGGGGTGGCAGAGCA-3′和R:5′-GGCGA AGGTTAGGGTGGTT-3′。大鼻吻線粒體基因COX1和ND1的PCR反應(yīng)體系均為30 μL,其中,正反向引物各1 μL(10 pmol/μL),DNA樣本 1 μL(50 ng),Premix 2×Taq(南京諾唯贊生物科技股份有限公司)15 μL,ddH2O 12 μL。PCR 反應(yīng)程序?yàn)?4 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性30 min,兩基因退火溫度分別為COX1 55 ℃、ND1 51 ℃,退火30 s,72 ℃延伸1 min,35個(gè)循環(huán);72 ℃終延伸10 min,產(chǎn)物4 ℃保存。PCR產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),將檢測(cè)合格的樣品送上海生工生物有限公司測(cè)序,測(cè)序引物與PCR擴(kuò)增引物相同。
利用DNASTAR Lasergene 11 Core Suite軟件包中的SeqMan Pro軟件對(duì)測(cè)序所得的原始序列峰圖進(jìn)行人工分析校對(duì)[9]。將合格的堿基序列采用Bioedit.exe軟件進(jìn)行多重對(duì)比,參照吻(GenBank登錄號(hào):NC 0244232.1)線粒體COX1和ND1基因序列,經(jīng)人工校對(duì)、剪切后,保留同等長(zhǎng)度的有效片段用于進(jìn)一步分析[10]。通過MEGA 10.0統(tǒng)計(jì)COX1和ND1基因序列各堿基組成、保守位點(diǎn)、變異位點(diǎn)、簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)及單突變位點(diǎn),同時(shí)基于Kimura-2-parameter(雙參數(shù))模型計(jì)算兩兩群體之間的遺傳距離(D),并用鄰近法(Neighbor Joining,NJ)構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹[11]。采用DnaSP v6軟件計(jì)算各群體單倍型數(shù)、變異位點(diǎn)數(shù)、單倍型多態(tài)(Hd)、核苷酸多態(tài)性(π)以及平均核苷酸差異(K)[12]等遺傳多樣性參數(shù)。Arlequin 3.0軟件[13]進(jìn)行群體間遺傳分化指數(shù)檢驗(yàn)和Tajima′sD中性檢驗(yàn)及遺傳變異分析。采用NETWORK 10.0軟件來構(gòu)建線粒體COX1和ND1基因序列的單倍型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖[14]。
將分別測(cè)得的145條COX1、ND1序列進(jìn)行比對(duì),各群體堿基組成見表1。結(jié)果表明COX1序列長(zhǎng)度為1 466 bp,變異位點(diǎn)11個(gè),占全序列的0.75%,其中簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)7個(gè),單突變位點(diǎn)4個(gè),分別占全序列的0.47%,0.27%。145條COX1序列中A、T、C、G堿基的平均含量分別為27.40%、29.85%、24.77%、17.98%;ND1序列的長(zhǎng)度為975 bp,變異位點(diǎn)8個(gè),占全序列的0.82%,其中簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)7個(gè),單突變位點(diǎn)1個(gè),分別占全序列的0.72%,0.10%。145條ND1序列中A、T、C、G堿基的平均含量分別為29.22%、27.59%、27.90%、15.29%。由此可知,大鼻吻線粒體COX1、ND1基因在堿基組成上存在一定差異,但均具有明顯的A/T堿基組成偏向性,這一特征與其他硬骨魚類相類似[15]。
表1 基于線粒體DNA COX1和ND1序列的堿基組成Tab.1 Base competition based on mtDNA COX1 and ND1 sequences %
在145條COX1基因序列中,共定義了20個(gè)單倍型,各群體單倍型多樣度及核苷酸多樣度見表2。由表2可知,大鼻吻YN群體單倍型多態(tài)性最高(Hd=0.764),PL群體單倍型多態(tài)性最低(Hd=0.709)。PL群體核苷酸多態(tài)性最高(π=0.001 32),YN群體核苷酸多態(tài)性最低(π=0.001 22);在145條ND1基因序列中,共定義了17個(gè)單倍型,各群體單倍型多樣度及核苷酸多樣度見表3。由表3可知,大鼻吻PL群體單倍型多態(tài)性最高(Hd=0.443),YN群體單倍型多態(tài)性最低(Hd=0.288)。PL群體核苷酸多態(tài)性最高(π=0.000 63),YN群體核苷酸多態(tài)性最低(π=0.000 31)。
表2 基于線粒體DNA COX1序列的3個(gè)大鼻吻群體的遺傳信息Tab.2 Genetic information of three populations of R.nasutus based on mitochondrial DNA COX1 gene
表2 基于線粒體DNA COX1序列的3個(gè)大鼻吻群體的遺傳信息Tab.2 Genetic information of three populations of R.nasutus based on mitochondrial DNA COX1 gene
群體樣本量單倍型數(shù)單倍型多態(tài)性核苷酸多態(tài)性平均核苷酸差異YN3250.7640.001 221.786PL4650.7090.001 321.933DK67100.7630.001 231.800
表3 基于線粒體DNA ND1序列的3個(gè)大鼻吻群體的遺傳信息Tab.3 Genetic information of three populations of R.nasutus based on mitochondrial DNA ND1 gene
表3 基于線粒體DNA ND1序列的3個(gè)大鼻吻群體的遺傳信息Tab.3 Genetic information of three populations of R.nasutus based on mitochondrial DNA ND1 gene
群體樣本量單倍型數(shù)單倍型多態(tài)性核苷酸多態(tài)性平均核苷酸差異YN3240.2880.000 310.304PL4650.4430.000 630.617DK6780.3720.000 510.494
基于COX1基因序列共檢測(cè)出11個(gè)單倍型,其中Hap1、Hap2、Hap3、Hap4為3個(gè)群體共享單倍型,占總數(shù)的36.36%;其余的均為單一單倍型,占總數(shù)的63.64%。Hap5是YN群體特有的單倍型;Hap6為YN群體和PL群體共享單倍型;Hap7、Hap8、Hap9、Hap10、Hap11為DK群體所獨(dú)有;基于ND1基因序列共定義了9個(gè)單倍型,其中Hap1,Hap2為3個(gè)群體共享單倍型,占總數(shù)的22.22%;Hap3和Hap4為YN群體和PL群體共享單倍型,占總數(shù)的22.22%;Hap5為PL群體和DK群體共享單倍型,占總數(shù)的11.11%;其余的均為DK群體所特有的單一單倍型,占總數(shù)的44.44%。
基于COX1基因序列的Kimura雙參數(shù)模型(Boot-strap=1 000)的遺傳距離見表4。由此可知,大鼻吻3個(gè)群體組間遺傳距離相同,組內(nèi)遺傳距離為0.001 22~0.001 32,組內(nèi)遺傳距離接近組間遺傳距離;基于ND1基因序列的Kimura雙參數(shù)模型(Boot-strap=1 000)遺傳距離見表5。由此可知,大鼻吻3個(gè)群體組間遺傳距離為0.000 41~0.000 558,群體間遺傳距離接近。組內(nèi)遺傳距離為0.000 44~0.000 73,組內(nèi)遺傳距離接近組間遺傳距離。
表4 基于COX1序列的大鼻吻群體間的遺傳距離D和遺傳分化指數(shù)FstTab.4 Genetic distance D and genetic differentiation index Fst among populations of R.nasutus based on COX1 sequence
表4 基于COX1序列的大鼻吻群體間的遺傳距離D和遺傳分化指數(shù)FstTab.4 Genetic distance D and genetic differentiation index Fst among populations of R.nasutus based on COX1 sequence
群體YN PLDKYN0.001220.001300.00130PL0.001200.001320.00130DK0.07655*0.020770.00131
注:對(duì)角線為群體內(nèi)遺傳距離D;對(duì)角線左下方表示群體間分化指數(shù)Fst;對(duì)角線右上方表示群體間遺傳距離D;*表示差異顯著(0.01
表5 基于ND1序列的大鼻吻群體間的遺傳距離D和遺傳分化指數(shù)FstTab.5 Genetic distance D and genetic differentiation index Fst among populations of R.nasutus based on ND1 sequence
表5 基于ND1序列的大鼻吻群體間的遺傳距離D和遺傳分化指數(shù)FstTab.5 Genetic distance D and genetic differentiation index Fst among populations of R.nasutus based on ND1 sequence
群體YN PLDKYN0.000 440.000 470.000 41PL0.003 740.000 730.000 58DK0.003 590.008 350.000 67
基于COX1基因序列的大鼻吻群體間遺傳分化指數(shù)見表4。結(jié)果顯示,大鼻吻3個(gè)群體組間遺傳分化指數(shù)為0.001 20~0.076 55,YN群體與DK群體間的遺傳分化指數(shù)最大(0.076 55),YN群體與PL群體的遺傳分化指數(shù)最小(0.001 20);基于ND1基因序列的大鼻吻群體間遺傳分化指數(shù)見表5。結(jié)果顯示,大鼻吻3個(gè)群體組間遺傳分化指數(shù)為0.003 59~0.008 35,PL群體與DK群體間的遺傳分化指數(shù)最大(0.008 35),YN群體與DK群體的遺傳分化指數(shù)最小(0.003 59)。
基于COX1基因序列的分子方差(AMOVA)分析結(jié)果見表6,結(jié)果顯示,大鼻吻3個(gè)群體的群體內(nèi)遺傳變異占96.52%,群體間的遺傳變異占3.48%;基于ND1基因序列的分子方差(AMOVA)分析結(jié)果見表6,結(jié)果顯示,3個(gè)群體的大鼻吻群體內(nèi)遺傳變異占99.96%,群體間的遺傳變異占0.14%。
表6 大鼻吻群體間分子變異分析Tab.6 Analysis of molecular variance(AMOVA) among R.nasutus populations
表6 大鼻吻群體間分子變異分析Tab.6 Analysis of molecular variance(AMOVA) among R.nasutus populations
變異來源基因自由度平方和變異組成變異百分比/%群體間COX124.8990.033 12 Va3.48ND120.6830.000 45 Va0.14群體內(nèi)COX1142130.5900.919 65 Vb96.52ND114245.720.320 96 Vb99.96總計(jì)COX1144135.4900.952 77ND114446.2550.321 38固定指數(shù)(Fst)COX10.034 76*ND10.001 40
注:*表示差異顯著(0.01
基于線粒體COX1和ND1基因的單倍型序列,以吻(GenBank登錄號(hào):NC 0244232.1)、圓筒吻(GenBank登錄號(hào):KU 379652.1)、長(zhǎng)鰭吻(GenBank登錄號(hào):KU 379653.1)為外群,用鄰近法(Neighbor Joining,NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2和圖3)。結(jié)果顯示,大鼻吻3個(gè)地理群體的單倍型均無明顯的譜系分化,未發(fā)現(xiàn)構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的分支的群體。
圖2 基于線粒體DNA COX1基因的單倍型NJ系統(tǒng)樹Fig.2 Haplotype NJ system tree based on mitochondrial DNA COX1genes
圖3 基于線粒體DNA ND1基因的單倍型NJ系統(tǒng)樹Fig.3 Haplotype NJ system tree based on mitochondrial DNA ND1 genes
基于COX1基因序列的單倍型網(wǎng)絡(luò)圖見圖4,結(jié)果顯示,大鼻吻3個(gè)群體共鑒定出11個(gè)單倍型,11個(gè)單倍型無明顯的支系劃分,結(jié)果與NJ進(jìn)化樹一致。圖中每個(gè)不同顏色代表不同的群體,每個(gè)圓圈代表一種單倍型,圓圈的面積大小表示其頻率的高低。圓圈之間的連接線表示突發(fā)事件;單倍型網(wǎng)絡(luò)圖是以高頻率優(yōu)勢(shì)單倍型H1、H2、H3、H4為中心,低頻單倍型以網(wǎng)狀圍繞在其周圍,表明大鼻吻3個(gè)群體遺傳結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單;基于ND1基因序列的單倍型網(wǎng)絡(luò)圖見圖4,結(jié)果顯示,大鼻吻3個(gè)群體共鑒定出9個(gè)單倍型,9個(gè)單倍型無明顯的支系劃分,結(jié)果與NJ進(jìn)化樹一致。單倍型網(wǎng)絡(luò)圖是以高頻率優(yōu)勢(shì)單倍型H1為中心,低頻單倍型以星狀圍繞在其周圍,亦表明大鼻吻3個(gè)群體遺傳結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。
圖4 基于線粒體DNA COX1序列的大鼻吻單倍型網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Network of R.nasutus based on concatenated DNA COX1 sequences haplotypes
圖5 基于線粒體DNA ND1序列的大鼻吻單倍型網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Network of R.nasutus based on concatenated DNA ND1 sequences haplotypes
基于COX1和ND1基因序列的中性檢驗(yàn)結(jié)果顯示見表7。鑒于大鼻吻3個(gè)地理群體間的遺傳距離較小、遺傳分化程度較弱,故分析其歷史動(dòng)態(tài)信息時(shí)將3個(gè)群體作為一個(gè)整體進(jìn)行分析,COX1和ND1基因序列總體的中性檢驗(yàn)結(jié)果表明Tajima′sD和Fu′sFs值均為負(fù)值,P值也均不顯著,說明大鼻吻群體符合中性進(jìn)化?;贑OX1和ND1基因序列的3個(gè)大鼻吻群體增長(zhǎng)均服從constant模型,核苷酸不配對(duì)分布曲線均呈現(xiàn)單峰形(圖6和圖7),表明大鼻吻近期可能經(jīng)歷了群體擴(kuò)張過程。
表7 大鼻吻群體COX1和ND1基因的中性檢驗(yàn)Tab.7 Neutrality test of COX1 and ND1 genes in R.nasutus populations
表7 大鼻吻群體COX1和ND1基因的中性檢驗(yàn)Tab.7 Neutrality test of COX1 and ND1 genes in R.nasutus populations
基因群體Tajima'sDTajima'sD P-valueFu'sFsFu'sFsP-valueCOX1YN2.015 360.979 001.062 590.720 00PL1.077 760.888 001.837 810.833 00DK-1.291 500.063 00-5.350 450.214 00總體0.600 540.643 33-5.816 680.524 00ND1YN-1.366 720.068 00-2.306 060.015 00PL-1.128 130.103 00-1.494 320.171 00DK-1.517 120.030 00-4.590 640.002 00總體-1.337 320.067 00-2.796 950.062 67
圖6 基于COX1 基因序列的大鼻吻群體錯(cuò)位分布圖Fig.6 Dislocation distribution map of R.nasutus major population based on COX1 gene sequencesA表示YN群體;B表示PL群體;C表示DK群體;D表示總體
圖7 基于ND1基因序列的大鼻吻群體錯(cuò)位分布圖Fig.7 Dislocation distribution map of R.nasutus major population based on ND1 gene sequencesA表示YN群體;B表示PL群體;C表示DK群體;D表示總體
遺傳多樣性是物種進(jìn)化和適應(yīng)性的基礎(chǔ),遺傳多樣性水平可有效反映物種對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力的大小,遺傳多樣性水平越低表明該物種面臨資源衰退甚至瀕臨滅絕,反之則意味著該物種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力越強(qiáng)[16-18]。單倍型多樣性(Hd)和核苷酸多樣性(π)作為衡量一個(gè)物種群體多樣性的兩個(gè)重要指標(biāo),通常被用來評(píng)價(jià)群體遺傳多樣性水平的高低[19,20]。由于核苷酸多樣性(π)考慮了各種線粒體DNA單倍型在群體中所占的比例,因此更能準(zhǔn)確反映群體的遺傳多樣性,π值越高則說明群體的遺傳多樣性較高[21]。根據(jù)GRANT等[22]制定的以單倍型多樣性Hd=0.5和核苷酸多樣性π=0.005為界的分類標(biāo)準(zhǔn),本研究中,基于COX1基因的三個(gè)群體均呈現(xiàn)高單倍型多樣度(Hd>0.5)低核苷酸多樣度(π<0.005)的狀態(tài),其原因可能是一個(gè)較小的種群在快速進(jìn)化過程中,種群數(shù)量增加的同時(shí)單倍型多樣度也在提高,但無足夠時(shí)間使得核苷酸發(fā)生變異[23,24]?;贜D1基因的3個(gè)群體均呈現(xiàn)低單倍型多樣度(Hd>0.5)低核苷酸多樣度(π<0.005)的狀態(tài),表明此小群體并未出現(xiàn)快速進(jìn)化的過程,亦未發(fā)生明顯的核苷酸變異。造成兩種基因差異的原因可能是,由于基因序列差異,導(dǎo)致遺傳多樣性的大小存在一定的差異,這可能與線粒體DNA不同序列的基因長(zhǎng)度不同以及保守性差別有關(guān)[25]。對(duì)比同屬黃河上游分布的極邊扁咽齒魚[26](Platypharodonextremus)(Hd為0.993~1.000,π為0.0107~0.0158)和花斑裸鯉[27](Gymncypriseckloni)(Hd為0.75~0.89,π為0.06~0.11),大鼻吻遺傳多樣性表現(xiàn)出較低的水平。推測(cè)可能是黃河干流水利水電設(shè)施建設(shè),洄游通道被阻斷,加之歷史上過度捕撈、水域污染以及周圍環(huán)境的破碎化等因素,導(dǎo)致大鼻吻種質(zhì)資源數(shù)量大幅度下降[28],出現(xiàn)瓶頸效應(yīng),從而使得群體遺傳多樣性水平下降。因此,為了有效恢復(fù)其種群大小及遺傳多樣性水平,必須加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有野生資源的科學(xué)管理和保護(hù)。
群體間的遺傳距離(D)和遺傳分化指數(shù)(Fst)通常用來衡量?jī)蓚€(gè)群體間的遺傳分化程度,其值越大,表明群體分化程度越高[33]。根據(jù)NEI[30]制定的以遺傳距離0.05、0.02為界的分類標(biāo)準(zhǔn),本研究中,基于3個(gè)不同地理群體的線粒體COX1和ND1基因序列分析,群體間的遺傳距離均在0~0.5之間,符合同一物種不同群體間遺傳距離變動(dòng)規(guī)律,且3個(gè)群體之間的遺傳距離均處于同一水平,說明各群體之間在基因交流上沒有受到影響。根據(jù)BALLOUX等[31]制定的以遺傳分化指數(shù)0.05、0.15和0.25為界的分類標(biāo)準(zhǔn),本研究基于3個(gè)地理群體的線粒體COX1基因序列分析,YN和DK兩群體之間遺傳分化指數(shù)(0.076 55)處于中等遺傳分化水平,其余群體間的遺傳分化指數(shù)均在0~0.05之間,處于低等分化水平。而ND1基因序列中群體間的遺傳分化指數(shù)均在0~0.05之間,表明群體遺傳分化水平較低。通過線粒體不同基因序列所得出3個(gè)群體的遺傳距離和遺傳分化指數(shù)結(jié)果不同,這可能與COX1和ND1基因的進(jìn)化速率的大小有關(guān)。同時(shí),大鼻吻群體間及群體內(nèi)的AMOVA分析結(jié)果也表明,大鼻吻的遺傳變異主要來自群體內(nèi),只有少量來自群體間?;贑OX1基因和ND1序列構(gòu)建的NJ樹中,3個(gè)群體的單倍型相互混雜,未發(fā)生明顯譜系分化,這些結(jié)果均表明3個(gè)群體沒有顯著的遺傳分化,遺傳分化較小的特點(diǎn)。推測(cè)出現(xiàn)這種現(xiàn)象與環(huán)境的脅迫對(duì)群體的遺傳結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大影響[32],以及繁殖習(xí)性有關(guān):本研究中3個(gè)群體分布于黃河上游河段,河流處于貫通狀態(tài),其氣候、溫度和鹽度等環(huán)境因素都大致相同,嚴(yán)格意義上3個(gè)群體并未形成地理隔離;而大鼻吻作為一種典型的半洄游性魚類,在每年繁殖期,其性成熟個(gè)體溯河洄游至黃河上游的急流淺灘處產(chǎn)卵,受精卵孵化過程貫穿于中游至上游河段,促進(jìn)了種群的擴(kuò)散,使得大鼻吻整體上呈現(xiàn)出遺傳分化弱的現(xiàn)象。這與亞科魚類的蛇[33](Saurogobiodabryi)、圓筒吻[34]和長(zhǎng)鰭吻[35]等的報(bào)道結(jié)果相似。鑒于3個(gè)群體之間及群體內(nèi)部的遺傳分化水平較低且遺傳距離相近,因此,建議將大鼻吻作為一個(gè)整體進(jìn)行就地保護(hù)。
綜上所述,本研究基于COX1和ND1基因序列對(duì)中國黃河上游YN、PL和DK 3個(gè)不同地理群體的大鼻吻進(jìn)行了遺傳多樣性分析。結(jié)果表明,大鼻吻3個(gè)群體的親緣關(guān)系較近,無明顯譜系分化,結(jié)構(gòu)比較單一,未發(fā)現(xiàn)構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)分支的群體;從COX1基因序列來看,大鼻吻3個(gè)群體遺傳多樣性處于較高水平。從ND1基因序列來看,大鼻吻3個(gè)群體遺傳多樣性處于較低水平;大鼻吻3個(gè)群體的遺傳變異主要來自于群體內(nèi)部;中性檢驗(yàn)結(jié)果表明大鼻吻進(jìn)化歷程符合中性進(jìn)化假設(shè),且存在群體擴(kuò)張可能。因此,建議將大鼻吻3個(gè)群體作為一個(gè)整體加強(qiáng)對(duì)大鼻吻群體的保護(hù),設(shè)立有效的保護(hù)措施,加大宣傳保護(hù)力度,主要加強(qiáng)就地保護(hù),改善其棲息環(huán)境,逐步完善對(duì)大鼻吻群體的保護(hù)措施,使得其種質(zhì)資源得到有效的恢復(fù)。