中国近海细鳞鯻线粒体控制区的遗传多样性

杨喜书,章 群,薛 丹,吕金磊,黄镇宇,卢丽锋

暨南大学生态学系, 热带亚热带水生态工程教育部工程研究中心, 广州 510632

细鳞鯻 (Teraponjarbua) 隶属鲈形目 (Percoiformes) 鯻科 (Teraponidae) 鯻属,是广泛分布于印度-西太平洋海域的沿岸性浅海鱼类；中国产于东海、南海及台湾海峡[1]。细鳞鯻易于海钓和捕捞,年产量较高；肉质细腻、营养丰富,是我国重要经济鱼类[2- 3]。近些年由于过度捕捞、生境退化等因素的影响,野生细鳞鯻种群数量严重下降。遗传多样性是物种对环境适应能力和进化潜力的反映,同时也是制定物种保护和种质资源开发利用的基础[4]。目前国内外对于细鳞鯻的研究多集中于生理生态、毒理及系统发育等领域[5- 7]；关于细鳞鯻的分子遗传研究,国外Lavergne等[8]曾用线粒体COI基因对印度洋亚丁湾种群结构进行过简单分析,国内Liu等人[9]利用线粒体COI探讨了台湾海域细鳞鯻种群遗传多样性情况；而对中国沿海细鳞鯻种群遗传多样性和遗传结构的研究未见报道,因此仅靠国内和国外有限的资料并不足以反映中国沿海细鳞鯻遗传分化的全貌。

线粒体DNA (mitochondrial DNA, mtDNA) 具有结构简单、遵循母系遗传、进化速度快等特点,是动物种群遗传和分子系统学研究的理想分子标记。mtDNA内不同区域的进化速率不同；其中,细胞色素C氧化酶I基因 (COI) 为蛋白质编码基因,因进化速率适中、较为保守等特点常用作DNA条形码进行物种鉴定[10]；而线粒体控制区 (control region, CR) 为非编码区,以其变异位点多、进化速率最快常用于分析鱼类的种内遗传分化情况[11-13]。为此本研究以线粒体控制区作为分子标记测定中国沿海5地点102尾细鳞鯻,旨在了解中国沿海细鳞鯻的遗传多样性、遗传结构和种群历史动态,为其种质资源的保护和开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

图1 细鳞鯻采样点及海洋洋流(冬季)示意图(仿自孙湘平[14])Fig.1 Map of sample localities of Terapon jarbua and the currents in winter (modified from Sun Xiangping [14])A: 中国沿岸流the coastal current of China;B: 南海暖流Nanhai warm current;C: 黑潮Kuroshio current;D: 台湾海峡暖流The Taiwan Strait warm current,TSWC

样本为2011年—2015年采自中国沿海福建平潭16尾(Pingtan,编号为PT1—16),广东硇洲岛22尾(Naozhou Island,编号为NZ1—22),广东乌石镇25尾(Wushi,编号为WS1—25),广西合浦17尾(Hepu,编号为HP1—17),海南博鳌22尾(Boao,编号为BA1—22),共计5个地点102尾。样本均从近海作业的渔船上直接购买的野生鱼类,采集后置于95%乙醇中固定保存。具体采样点见图1。

1.2 基因组DNA的提取

取鱼背肌肉约100mg,晾干后采用高盐法[15]提取基因组DNA。PCR引物为本实验室自行设计：CrF:5′-YHCRCCAYYRRYYCCCAAAGCT- 3′, CrR:5′-TYTCACRGGGRYGCGGATACTTGC - 3′。进行PCR扩增后,将经1% 的琼脂糖凝胶电泳检测条带清晰的PCR产物送至北京六合华大基因有限公司切胶纯化,在ABI3730DNA自动测序仪上测序。

1.3 数据处理

在MEGA 6.0[16]中人工校对序列,计算碱基组成、变异位点、转换与颠转比、群体内与群体间遗传距离,构建系统邻接树。通过DnaSP 5.0[17]计算单倍型数、核苷酸多样性 (Pi) 、单倍型多样性 (Hd) 、遗传分化系数 (Fst) 和基因流 (Nm) 值。通过TCS[18]构建单倍型网络图。根据Arlequin[19]进行分子变异分析(AMOVA)、Tajima′sD和Fu′sFs中性检验,以及核苷酸不配对分析,获得τ值。利用公式τ=2ut和T=t×(代时),估算出扩张时间；其中τ为扩张时间参数；u=μk,μ为线粒体控制区的变异速率,k表示序列长度；t表示自扩张以来所经历的代数；T值即为最终所求的扩张时间,代时为该物种的生殖周期[20]。

2 结果与分析

2.1 细鳞鯻线粒体控制区序列的遗传多样性和遗传分化

经人工校对后获得102个体962bp的部分线粒体控制区序列,其中A、T、C、G的含量分别为32.5%、31.1%、22.6%和13.8%,A+T含量 (63.6%) 明显高于C+G含量 (36.4%)。转换/颠换比为9.14。共检测到205个变异位点,135个简约信息位点,定义102个单倍型(编号H1—H102),总体单倍型多样性(haplotype diversity,Hd) 为1.000,核苷酸多样性 (nucleotide diversity,Pi) 为0.022。另外,5个群体的Hd均为1.000；Pi为0.014—0.028,详见表1。各地理群体内和群体间平均遗传距离范围在0.015—0.029之间(表2)。群体间遗传分化系数(Fst) 在-0.014—0.041之间 (P>0.005),表明群体间无明显遗传分化,基因交流频繁[21- 22]。

表1 细鳞鯻采样数量及遗传多样性情况

表2地理群体内遗传距离(对角线)与群体间遗传距离(对角线下)及群体间遗传分化系数(Fst,对角线上)

Table2Geneticdistanceswithinthepopulations(along diagonal),amongthepopulations(below diagonal)andthegeneticdifferentiationindex(F-statistics,Fst)amongthepopulations(above diagonal)ofT.jarbua

群体Population平潭PT合浦HP硇洲岛NZ乌石镇WS博鳌BA平潭PT0．0150．0400．0610．0330．041合浦HP0．0160．0150．010-0．0040．036硇洲岛NZ0．0210．0200．025-0．0140．005乌石镇WS0．0190．0180．0230．022-0．001博鳌BA0．0230．0230．0270．0250．029

*,**, ***分别表示统计上显著(P<0.05)、较显著(P<0.01)和极显著(P<0.001)

图2 基于线粒体控制区序列建立的102个细鳞鯻单倍型邻接树 Fig.2 NJ trees of 102 haplotypes of T.Jarbua based on mtDNA control region sequences分支上数字为大于60%的bootstrap支持率

在系统邻接树(图2)和单倍型网络图(图3)上都出现3个谱系：谱系A、B和C,其中谱系A(Lineage A)由平潭、硇洲岛、乌石镇、合浦和博鳌87个个体组成；谱系 B(Lineage B)由硇洲岛、乌石镇及博鳌5个个体组成,谱系 C(Lineage C)由硇洲岛、乌石镇、合浦及博鳌10个个体组成,谱系间遗传分化(表3)极为显著 (Fst=0.508—0.698,P<0.001),表明具有明显的谱系结构,但没有明显的地理聚群。单倍型网络图为非典型星状,拥有一个中心单倍型(硇洲岛-H25,位于Lineage A中)。根据谱系间的净遗传距离 (Da=0.024—0.032),以线粒体控制区变异速率为(3—10)%/百万年[23],估算出谱系的分歧时间大约在1.07百万年—0.24百万年前(即早-中更新世)。

图3 基于NetWork软件构建的细鳞鯻群体单倍型网络图Fig.3 Parsimony network of haplotypes of T. jarbua图中每个圈代表一个单倍型,圈中编号为单倍型类型(编号H1—H102)；枝上线条(或数字)表示突变步骤

另外,由于85.3%的单倍型集中分布在Lineage A中,因此对Lineage A进行遗传多样性及遗传分化分析(表4)、分子方差分析(表5),结果显示Lineage A中种群间的变异占总变异的1.97%。另外,Lineage A中5个地理群体之间的遗传分化系数Fst在-0.021—0.068之间 (P>0.005)。由此说明Lineage A中的5个群体之间基因交流频繁,不存在遗传分化情况,属于一个随机交配群体。

表3 不同分组的遗传分化系数Fst、遗传距离及分化时间

表4 Lineage A遗传多样性及遗传分化情况

对角线下为遗传分化系数Fst,对角线上方为基因流值Nm

2.2 中国沿海细鳞鯻的种群历史动态

Lineage A的核苷酸错配图呈现出一条不完全平滑但只有一个明显顶峰的单峰型曲线(图4),Tajima′sD和Fu′sFs检验(表6)均为显著的负值(P<0.01),表明未显著偏离种群扩张模型,种群扩张大约发生在25.4万年—7.6万年前(即中-晚更新世)。而Lineage B和Lineage C由于数量较少不进行中性检验,两者核苷酸错配图均呈非单峰分布(图4)。中国近海5个群体的总体核苷酸错配图呈多峰分布,中性检验Fu′sFs为显著负值,Tajima′sD为非显著负值,离差平方和(sum of squares of deviations,SSD)和粗糙指数(Raggedness index,r)值均较小且不显著。一般在相同条件下,Fu′sFs检验对群体的近期扩张比较敏感[24],同时结合单倍型网络图,可以认为中国近海细鳞鯻曾出现种群扩张,时间约为16.9万年—5.06万年前(即中-晚更新世)。

表5 Lineage A分子方差分析

表6 中国近海细鳞鯻群体的中性检验

D和Fs各为所在检验所得的数值,P为显著性

图4 细鳞鯻各分支核苷酸错配图Fig.4 Mismatch distribution of T. jarbua of each Lineage

3 讨论

3.1 细鳞鯻的遗传多样性

判断一个群体的遗传多样性高低,常用单倍型多样性 (Hd) 和核苷酸多样性 (Pi) 作为评价指标[25]。中国近海细鳞鯻总体呈现出较高的遗传多样性特征 (Hd=1.000,Pi=0.022)；高于同海域分布的鱼类花鲈(Lateolabraxjaponicus)(Hd=0.901,Pi=0.003)[26]、蓝点马鲛(Scomberomorusniphonius)(Hd=0.702,Pi=0.0028)[27]和黑鲷(Acanthopagrusschlegeli)(Hd=0.979,Pi=0.009)[28],仅次于真鲷(Pagrosomusmajor)(Hd=0.998,Pi=0.025)[29]。表明中国近海细鳞鯻的遗传多样性较高,具有一定的开发潜力。本研究5个群体中单倍型多样性较高(均为1.000),与Liu研究的台湾海峡细鳞鯻高单倍型多样性相一致[9]；但台湾海峡细鳞鯻呈现出低遗传多样性的特征可能与选取的COI基因变异较为保守及研究样本数量有关。Grant等人[30]认为高单倍型多样性和高核苷酸多样性可能是物种中存在两个分化的亚种或相互独立的种群发生了两次接触形成的,或者是种群呈现出稳定、发展壮大的模式且未经历瓶颈效应或种群扩张所致。结合中国细鳞鯻种群动态,认为其遗传多样性高一方面可能是由3个谱系造成,另一方面可能与种群所处环境不均一性或种群生活生理特性有关[31- 32]。物种的生理和生活习性是该物种在特定生态环境下经过长期的自然选择、进化的结果,表现出该物种对环境的适应性[33]。通常认为,遗传多样性较高则表明该物种对环境变化的适应能力较强[34]；细鳞鯻广泛分布于南海、东海及台湾海峡,是一种对温盐适应能力较强、能生活于河口咸淡水环境中的鱼类,因此推测复杂多变的海洋环境及较强的生活生理特征成为细鳞鯻种群高遗传多样性的原因之一。

3.2 细鳞鯻的遗传分化

中国近海细鳞鯻群体间存在3个分化显著的谱系,这种分歧发生在1.07百万年—0.24百万年前(即早-中更新世)。更新世时期出现冰期与间冰期交替的气候变化,从而对边缘海的面积和结构、生物的分布范围产生巨大的影响[35]；冰期海平面的急剧下降使得边缘海之间出现陆桥导致海盆的生物群体产出隔离,促使近海鱼类谱系分化和物种形成[36- 37]。但中国近海细鳞鯻没有明显的地理结构,究其原因则可能是细鳞鯻成鱼进入较深海域产卵,受精卵和孵化成的仔鱼均不具备游泳能力而随海流流动,幼鱼在内海港湾肥育,而成鱼则移向外海[1,3]。另外,中国沿岸流流向较为复杂(冬季从北到南流到转为夏季从南到北方向流动),黑潮的一个分支流经巴士海峡进入南海成为南海暖流,后又经台湾海峡向东北流入东海[12,38](见图1洋流流向),使得南海、台湾海峡及东海之间的水体交换活跃,加上海洋开放的环境中屏障较少,因而不同地理群体的细鳞鯻其卵、幼体和成体均可随着洋流的运动进行自由扩散从而扩大分布范围,以致于地理距离相对较远的群体之间也能够进行基因交流。更新世冰期,西北太平洋大陆架形成很多隔离[39],隔离使得东海与南海间的细鳞鯻出现了分化,但由于没有足够长的时间积累变异,再加上冰期后海平面的上升使得海域再次相连而出现二次接触而形成这种谱系结构,这种情况与南海康氏马鲛(Scomberomoruscommerson)[40]谱系分化的现象相似。

3.3 细鳞鯻种群历史动态

中性检验以及单倍型网络图显示中国近海细鳞鯻出现了种群扩张的情况。赵松龄等[41]认为在近30万年来,东海曾发生过5次海侵,海水向陆地侵入；曾从盛[42]认为在晚更新世时期,受气候的变化,闽东北沿海曾发生过4次海侵,但海侵的强度都不大,影响的范围较有限；海侵之后伴随的是持续上万至数千年时间的海退,海水退出本区域导致海平面大幅度升降波动。另外,伴随着更新世晚期气候变化导致的盐度、温度及洋流模式的改变等都可能导致细鳞鯻群体出现扩张。结合中国近海细鳞鯻高单倍型多样性和高核苷酸多样性的特征,可知细鳞鯻3个分支在1.07百万年—0.24百万年前出现分化和隔离,细鳞鯻在25.4百万年—5.06万年前(合并谱系A的扩张时间及中国近海细鳞鯻谱系扩张时间)出现种群扩张使得分化的谱系出现二次接触,谱系中的个体得以进行基因交流。这也解释了中国近海细鳞鯻在系统邻接树上出现了3个分化显著的谱系但谱系间不存在明显地理结构的情况。

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