沈 朕,關洪斌,鄭風榮,胡發(fā)文,郭 文,王 波*
(1.山東大學(威海)海洋學院,山東威海264209;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;3.山東省海洋生物研究院,山東青島266104)
基于cytb和D-loop的4個大瀧六線魚群體遺傳多樣性分析
沈 朕1,2,關洪斌1,鄭風榮2,胡發(fā)文3,郭 文3,王 波2*
(1.山東大學(威海)海洋學院,山東威海264209;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;3.山東省海洋生物研究院,山東青島266104)
利用線粒體DNA的細胞色素b(cytb)和控制區(qū)(D-loop)的部分序列來研究大瀧六線魚4個群體(包括野生和養(yǎng)殖群體)的遺傳多樣性。PCR擴增后分別得到365 bp(cytb)和387 bp(D-loop)的堿基序列。Mega計算結(jié)果顯示cytb中A+T的含量(52.6%)高于G+C的含量(47.3%);D-loop中A+T的含量(69.3%)同樣高于G+C的含量(30.7%)。4個群體平均的變異位點、單倍型數(shù)、單倍型多樣性、核苷酸多樣性及平均核苷酸差異數(shù),cytb基因分別為10,7.75,0.739,0.007 3和2.656;D-loop區(qū)分別為18.25,12.75,0.846,0.012 1和4.673。4個群體的遺傳多樣性由高到低分別為舟山、大連、瑯琊臺、即墨養(yǎng)殖群體,養(yǎng)殖群體的多樣性低于野生群體?;谝吧后wcytb和D-loop的分子變異分析(AMOVA)得出的Fst分別為0.318 6和0.271 4,顯示了變異主要發(fā)生在群體內(nèi)部?;贙imura 2-parameter模型構建的NJ樹結(jié)果表明3個野生群體間沒有顯著的分化。線粒體cytb基因和D-loop區(qū)均可作為檢測大瀧六線魚遺傳多樣性的有效標記。
大瀧六線魚;野生和養(yǎng)殖群體;線粒體DNA cytb基因和D-loop;遺傳多樣性
大瀧六線魚(Hexagrammos otakii)為六線魚科(Hexagrammidae)六線魚屬(Hexagrammos)的魚類,分布于朝鮮、日本以及中國東海、黃海、渤海等海域,系冷溫性近海底層魚類[1]。大瀧六線魚味道鮮美、營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值高,受廣大消費者和養(yǎng)殖者的青睞[2]。隨著市場對大瀧六線魚的需求不斷增大,沿海過度捕撈使得大瀧六線魚的資源衰退日漸嚴重。我國對于大瀧六線魚的研究從20世紀80年代開始至今,大都圍繞著其生物學指標、營養(yǎng)成分組成和人工繁育方面來進行[3],關于大瀧六線魚遺傳多樣性的研究在國內(nèi)外卻很少見,目前國外只有Habib等人基于COI,COIII-ND3-ND4L和cytb對黃海和日本海附近群體遺傳結(jié)構進行研究[4],國內(nèi)的研究有劉奇[5]和李瑩[6]等人關于大瀧六線魚遺傳多樣性的研究,但取樣地都集中在黃、渤海海域,且只使用了D-loop序列進行遺傳多樣性與遺傳結(jié)構的分析,并未使用cytb或COI基因進行對比分析。
遺傳多樣性的研究可以為了解物種的進化歷史以及進化和發(fā)展的潛力提供可行性資料,進而根據(jù)其現(xiàn)狀制定合理有效的保護方案[7]。線粒體DNA(mt DNA)具有母系遺傳、拷貝數(shù)多、編碼效率高、進化速度快等特點,已經(jīng)廣泛應用于海洋魚類的遺傳研究中[8-9]。細胞色素b(cytb)和控制區(qū)(D-loop)是研究應用比較廣的序列,進化速度相對較快,適用于群體水平的遺傳多樣性分析[10],已經(jīng)被用于多種魚類的多樣性分析,如短吻鱘(Acipenser brevirostrum)[11]、鱭魚(Coilia)[12]、羅非魚(Oreochromis mossambicus)[13]、云南倒刺鲃(Spinibarbus yunnanensis)[14]、大鰭鳠(Mystus macropterus Bleeker)[15]、翹嘴鲌(Culter alburnus)[16]等。我們利用線粒體cytb基因和D-loop控制區(qū)部分序列分析中國大瀧六線魚的4個群體的遺傳多樣性,對比野生與養(yǎng)殖群體的遺傳多樣性差異,研究了3個地理群體間的遺傳結(jié)構和變異,旨在了解這幾個大瀧六線魚群體的遺傳背景,為加強其漁業(yè)資源的保護和開發(fā),提供理論依據(jù)。
實驗所采用的野生大瀧六線魚分別采自大連(122°51'E,39°25'N)30尾,瑯琊臺(119°58'E,35°30'N)30尾和舟山(122°37'E,30°03'N)30尾,養(yǎng)殖群體為大連♀魚與大連及即墨鰲山海域♂雜交子代(樣品采自即墨山東省海洋生物研究院養(yǎng)殖場)30尾,采樣點見圖1。選取體長在15 cm左右的健康個體,取尾鰭和肌肉組織存放于體積分數(shù)為95%的乙醇中,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
圖1 大瀧六線魚群體的采樣地點(○)Fig.1 Map of Hexagrammos otakii sampling sites(○)
每個樣本取尾鰭或肌肉組織約30 mg(即墨養(yǎng)殖群體的樣本取肌肉和尾鰭共30 mg,其余群體只取尾鰭),采用海洋動物組織基因組DNA提取試劑盒(北京天根生化科技有限公司)進行提取,并溶于200μL TE中,于-20℃保存。用于擴增線粒體cytb基因的引物[6]:上游引物(5'-AAC CAC CGT TGT TAT TCA ACT-3'),下游引物(5'-CTC AGA ATG ACA TTT GTC CTC A-3')。用于擴增D-loop控制區(qū)的引物序列[2]:上游引物(5'-TAA CTC CCA CCC CTA ACT CC-3'),下游引物(5'-CCA TTA ACT TAT GTA AGC GTC G-3')。PCR反應程序為94℃預變性5 min,35個循環(huán)(94℃變性30 s,退火30 s,72℃延伸1 min),最后72℃延伸10 min。擴增cytb基因的引物退火溫度為52℃,D-loop引物的退火溫度為56℃。所有的PCR反應體系均為50μL:DNA模板2μL(約20 ng/μL),上下游引物各2μL(10μmol/L),25μL 2×Premix Taq(大連寶生物有限公司),dd H2O補齊至50μL。取5μL PCR擴增產(chǎn)物經(jīng)質(zhì)量分數(shù)為1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測后,將含有目的條帶的PCR產(chǎn)物送北京美吉桑格生物醫(yī)藥科技有限公司進行測序。
測序結(jié)果經(jīng)Dnastar軟件包(DNASTAR Inc.,Madison,USA)校對后并截取有效片段。采用mega 6.06統(tǒng)計變異位點,堿基組成以及群體間的遺傳距離進化樹。使用DNASP5.10軟件計算序列的單倍型數(shù)(h)、單倍型多樣性(Hd)、核苷酸多樣性(π)、平均核苷酸差異數(shù)(k)。用Arlequin 3.11軟件采用分子變異分析方法(AMOVA)計算群體間遺傳分化指數(shù)Fst并用排列測驗法(permutation test)檢測顯著性。
2.1.1 cytb堿基序列組成分析
PCR擴增后,將測序結(jié)果與GenBank中注冊的大瀧六線魚的mtDNA cytb基因序列進行比對,確定所得片段序列為目的片段。經(jīng)Dnastar比對后截取得到365 bp的有效序列。各群體的堿基組成見表1。T,C,A,G堿基的平均含量分別為29.4%,30.0%,23.2%,17.3%。A+T的含量(52.6%)高于G+C的含量(47.3%),符合動物細胞色素b的特征[17],并與其它魚類的堿基組成偏向性相似。
表1 各群體cytb與D-loop基因片段堿基組成(%)Table 1 Base composition of cytb and D-loop partial sequence(%)in different populations
2.1.2 遺傳多樣性
cytb序列計算得出的各群體內(nèi)多樣性信息見表2。舟山群體呈現(xiàn)出的多樣性最高,變異位點21個,簡約信息位點17個,單倍型10個,平均核苷酸差異數(shù)7.080,核苷酸多樣性0.019 40,均明顯高于其它3個群體。大連群體多樣性次之,瑯琊臺與即墨養(yǎng)殖群體多樣性均較差,養(yǎng)殖群體多樣性(變異位點4個,簡約信息位點3個,單倍型5個,平均核苷酸差異數(shù)0.862,核苷酸多樣性0.002 36)低于瑯琊臺(變異位點6個,簡約信息位點4個,單倍型8個,平均核苷酸差異數(shù)1.301,核苷酸多樣性0.003 56)。大連、瑯琊臺、舟山、即墨cytb序列中19種單倍型中有6種是共享單倍型(表3),占總數(shù)的31.6%,剩下13種單倍型為個體特有,其中7種為舟山群體所獨有,明顯高于其它2個野生群體,與大連(3個)和瑯琊臺(4個)之間共享的單倍型要少于大連與瑯琊臺之間的(7個)。Hap1和Hap4在4個群體中均有出現(xiàn)且為多個個體所共享,可能是最原始的單倍型。養(yǎng)殖群體與大連有較多的共享單倍型(4個),與親本來源相符(表3)。
表4中列出4個群體間Kimura 2-paramter遺傳距離和遺傳分化指數(shù)Fst,其中舟山和大連、瑯琊臺的遺傳距離最高,為0.018 0;瑯琊臺與大連的遺傳距離最低,為0.004 0。3個野生群體中,大連和舟山的遺傳分化指數(shù)最高(0.356 6),大連與瑯琊臺分化指數(shù)最低(-0.011 1)。3個野生群體分子變異分析(AMOVA)見表5,群體間變異占31.86%,變異大部分來自于群體內(nèi)部,3個野生群體間沒有顯著的遺傳分化。
表2 各群體cytb基因遺傳多樣性參數(shù)Table 2 Genetic diversity parameters of cytb gene in different populations
表3 大瀧六線魚cytb單倍型在各群體中的分布Table 3 The distribution of cytb haplotypes indifferent populations of Hexagrammos otakii
表4 基于cytb基因得出的野生群體間遺傳距離(對角線下方)與遺傳分化指數(shù)(對角線上方)Table 4 Pairwise genetic distance(below diagonal)and F st(above diagonal)among wild populations based on cytb
表5 基于cytb得出的遺傳差異的分子方差分析Table 5 Analysis of molecular variance(AMOVA)among the populations based on cytb
2.1.3 分子系統(tǒng)樹
選擇單鰭多線魚(Pleurogrammus monopterygius)線粒體cytb序列作為外群(GenBank登錄號:AB087414.1),基于Kimura 2-paramter構建NJ分子系統(tǒng)進化樹(圖2),Bootstrap檢驗次數(shù)為1 000次。3個野生群體之間沒有明顯的分界點,沒有明顯構成一個單獨分支的群體。
圖2 大瀧六線魚線粒體cytb序列NJ系統(tǒng)樹Fig.2 Neighbor-joining tree based on mitochondrial cytb sequence of Pleurogrammus monopterygius
2.2.1 D-loop堿基序列組成分析
PCR擴增后,將測序結(jié)果與GenBank中注冊的大瀧六線魚的D-loop基因序列進行比對,確定所得片段序列為目的片段。經(jīng)Dnastar比對后截取得到387 bp的有效序列,有效片段各群體堿基含量見表1。T,C,A,G的平均含量33.6%,15.7%,35.7%,15.0%。其中A+T的含量(69.3%)顯著高于G+C的含量(30.7%),表現(xiàn)出十分明顯的堿基偏向性,與脊椎動物D-loop的特征相符[6]。
2.2.2 遺傳多樣性
各群體通過D-loop序列得出的遺傳多樣見表6。舟山群體多樣性最高(變異位點33個,簡約信息位點27個,單倍型16個,平均核苷酸差異數(shù)12,核苷酸多樣性0.031 35),大連次之,即墨和瑯琊臺的多樣性最差,與cytb序列的分析結(jié)果相同。相較于cytb中的結(jié)果,D-loop中瑯琊臺群體的多樣性(變異位點11個,簡約信息位點9個,單倍型12個,平均核苷酸差異數(shù)2.108,核苷酸多樣性0.005 46)明顯高于即墨群體(變異位點10個,簡約信息位點5個,單倍型7個,平均核苷酸差異數(shù)1.366,核苷酸多樣性0.003 54)。D-loop序列中38種單倍型中有6種是共享單倍型(表7),占總數(shù)的15.8%,其中2種為4個群體共享,剩下32種單倍型為群體特有,其中13個為舟山群體所獨占,高于其他2個群體,而且舟山群體與大連(3個)和瑯琊臺間(2個)共享單倍型要少于大連和瑯琊臺之間的(5個)。Hap1,Hap8被較多個體共享,可能是最原始的單倍型。即墨與大連群體親緣關系較近(共享單倍型4個)。D-loop單倍型中得到的結(jié)果與cytb中的基本一致。
基于Kimura 2-paramter計算的3個野生群體間的遺傳距離見表8,大連與舟山遺傳距離最高(0.028 0),大連和瑯琊臺的遺傳距離最低(0.006 0)?,樼鹋_與舟山遺傳分化指數(shù)最高(0.316 6,63),大連與瑯琊臺遺傳分化指數(shù)最低(-0.004 9,92)。分子變異分析(AMOVA)件表9,群體間變異占27.14%,變異大部分來自于群體內(nèi)部,3個野生群體間沒有顯著的遺傳分化,這與cytb中所得到的結(jié)果基本一致。
表6 各群體D-loop遺傳多樣性參數(shù)Table 6 Genetic diversity parameters of D-loop in different populations
表7 大瀧六線魚D-loop單倍型在各群體中的分布Table 7 The distribution of D-loop haplotypes in H.otakii
表8 基于D-loop基因得出的野生群體間遺傳距離(對角線下方)及遺傳分化指數(shù)(對角線上方)Table 8 Airwise genetic distance(below diagonal)and F st(above diagonal)based on wild population D-loop
表9 基于D-loop得出的遺傳差異的分子方差分析Table 9 Analysis of molecular variance(AMOVA)among the populations based on D-loop
2.2.3 分子系統(tǒng)樹
外群選擇單鰭多線魚(P.monopterygius)線粒體D-loop序列作為外群(Genbank登錄號:FJ858209.1),基于Kimura 2-paramter構建NJ分子系統(tǒng)進化樹(圖3),Bootstrap檢驗次數(shù)為1 000次。與線粒體cytb序列所得出的進化樹基本一致,3個野生群體間沒有明顯的單獨構成分支的群體。
圖3 大瀧六線魚線粒體D-loop序列NJ系統(tǒng)樹Fig.3 Neighbor-joining tree based on mitochondrial D-loop sequence of Hexagrammos otakii
我們選取的中國大瀧六線魚主要分布在黃海、渤海、東海海域,研究了4個群體共120尾魚的cytb序列(365 bp)、D-loop序列(387 bp)的遺傳多樣性。4個群體中,大連、瑯琊臺、舟山均為野生群體,即墨為養(yǎng)殖群體。大瀧六線魚的生存與適應環(huán)境的能力與其物種內(nèi)部的遺傳多樣性有著十分緊密的關系,豐富的多樣性是應對復雜環(huán)境的保證,也是物種進化的前提;相反的,相對貧乏的多樣性則不利于物種長期生存,同時也會降低其進化的潛能。
研究中cytb序列和D-loop序列在4個群體62尾個體檢測的單倍型數(shù)分別為19個和38個,單倍型多樣性指數(shù)分別為0.739和0.846。3個野生群體的cytb和D-loop變異位點數(shù)最高的均為舟山群體,分別占野生群體總變異位點的58.3%和52.4%,變異位點大多來自舟山野生群體,可見舟山群體與其它2個野生群體間親緣關系較遠。2種序列分析的多樣性數(shù)據(jù)顯示,舟山群體核苷酸多樣性(分別為0.019 40,0.031 35)最高,大連(0.003 80,0.008 35)、瑯琊臺(0.003 56,0.005 46)均遠低于舟山,即墨群體(0.002 36,0.003 54)作為養(yǎng)殖群體,其單倍型多樣性、核苷酸多樣性及平均核苷酸差異數(shù)均低于3個野生群體。
盡管是野生親本的雜交子一代,但由于養(yǎng)殖過程中親本數(shù)量較少,近交的概率增加,使得養(yǎng)殖群體遺傳多樣性要比野生群體低[19]。舟山附近海域島礁眾多,占全國島嶼總數(shù)的25.7%,大瀧六線魚作為戀礁魚類,在島礁密集的海域分布廣,數(shù)量多。相對于黃、渤海只有近岸的群體,舟山群體親本數(shù)量大,基因交流頻繁,累積的遺傳多樣性相對較高。在養(yǎng)殖過程選育優(yōu)良性狀的同時,應該保持親本的數(shù)量以及親本的多樣性。只有在優(yōu)選優(yōu)育的同時最大程度地保留群體多樣性,才能提高養(yǎng)殖群體對于環(huán)境及疾病的應對能力和遺傳改良能力。
單倍型與核苷酸多樣性相反,單倍型多樣性高而核苷酸多樣性低,這與彭士明研究的野生銀鯧魚遺傳多樣性的結(jié)果[20]相同??赡苁怯捎诜N群在擴張期是由一個小而有效的群體快速成長而來的,龐大的種群數(shù)量、環(huán)境的不均一性以及適應種群快速增長的生活習性導致在進化期間通過變異獲得較多的單倍型多樣性,但是卻未能積累核苷酸的多樣性[21]。這從側(cè)面說明,我國近海多巖礁海區(qū)適合大瀧六線魚的生長,是其維持較高的遺傳多樣性基礎。這種現(xiàn)象大多出現(xiàn)在一些起源于上新世或更新世早期出現(xiàn)的群體[2,22],如鮡科(Sisoridae)[23]、鯉科(Cyprinidae)[24]、翹嘴鲌(Culter erythropterus)[16]等魚類。
Fst是測量群體間遺傳分化的重要參數(shù),Fst值越大表明2種群的分化程度越高[25]。我們研究的3個野生地理群體間的cytb和D-loop的Fst值分別為-0.011 1~0.356 6,-0.004 9~0.316 6,并沒有出現(xiàn)十分顯著的遺傳分化,大連與瑯琊臺群體分化程度很小,而舟山群體則與其余2個群體的分化程度較大。遺傳距離結(jié)果與遺傳分化結(jié)果相符,大連與瑯琊臺群體的遺傳距離較近(cytb為0.004 9,D-loop為0.006 0),舟山與其他2個群體較遠(cytb為0.018 0,D-loop為0.027 0~0.028 0)。根據(jù)統(tǒng)計資料顯示,魚類在屬、種、種群三個水平的分類中,以遺傳距離作為判斷的標準分別為0.90,0.30和0.05[8,19]。3個群體間的遺傳距離均未超過0.05,可見這3個群體間遺傳分化遠未達到種群的分化標準。AMOVA分析結(jié)果顯示,群體內(nèi)的變異占較大比例(cytb為31.86%,D-loop為27.14%)遺傳變異主要來自于群體內(nèi)部,群體間的分化并不顯著。
基于cytb和D-loop序列所構建的NJ樹顯示,野生群體之間并沒有明顯匯聚成單獨一支的群體,90尾個體無序的分布在不同分支中,這個結(jié)果與之前的遺傳距離和遺傳分化所得到的結(jié)果相一致。大連和瑯琊臺群體的遺傳距離較近可能因為同屬黃、渤海海域,地理位置相近,群體間的雜交及遺傳漂變所致的;舟山群體與其他2個群體地理距離較遠,基因交流的頻率降低,遺傳距離相對較遠。
大瀧六線魚是底棲魚類,棲息于巖石或珊瑚礁區(qū)域,每年10-11月會在巖石上產(chǎn)卵。每年的秋、冬季膠東半島流出渤海的沿岸流與黃海暖流的西支會在成山頭附近匯合,并形成一股向南流動的黃海沿岸流。大瀧六線魚的幼苗在表層水面度過幾個月的浮游期[26],這股寒流會攜帶同處于黃、渤海海域的大連與瑯琊臺群體的部分幼苗,漂流至東海海域,與舟山當?shù)氐娜后w形成基因交流。這個推斷解釋了為什么地理位置相距較遠的群體間并沒有形成顯著的遺傳分化,Xiao等[27]和Han等[28]也得出同樣的結(jié)論。他們研究的小黃魚[27]和黃姑魚[28]取樣地也在相距較遠的黃海和東海海域,因為中國近海的海流給2個海域的野生群體提供了基因交流的通道,群體間并沒有形成顯著的遺傳分化。
與其他野生魚類,如銀鯧魚(0.000 7)[29]、大口黑鱸(0.002 8)[30]、沙鰍(0.003 65)[31]相比,3個野生群體的大瀧六線魚均具有較高的核苷酸多樣性,遺傳多樣性也較為豐富,說明我國大瀧六線魚的漁業(yè)資源具有很大的開發(fā)潛力。近年來,因為沿海經(jīng)濟的發(fā)展,沿岸過度捕撈以及以陸源為主的污染成為漁業(yè)資源的重要威脅。大瀧六線魚自然繁殖能力較弱,且比較依賴海底環(huán)境,勢必會受到較大的影響,因此進行漁業(yè)資源的保護是非常必要的。由于大瀧六線魚的繁殖習性、其棲息海域的洋流等因素、其遺傳結(jié)構十分復雜,因此進行今后應該開展整個中國海域、日本及朝鮮等主要棲息地的大瀧六線魚遺傳結(jié)構、親緣關系及遺傳多樣性的研究,并結(jié)合mt DNA和其他分子標記技術,更好地揭示群體多樣性和遺傳結(jié)構的關系。
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Analysis of Genetic Diversity Between Four Populations of Hexagrammos otakii Based on Partial mtDNA cytb and D-loop
SHEN Zhen1,2,GUAN Hong-bin1,ZHENG Feng-rong2,HU Fa-wen3,GUO Wen3,WANG Bo2
(1.Marine College of Shandong University(Weihai),Weihai 264209,China;2.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China;3.Marine Biology Institute of Shandong Province,Qingdao 266104,China)
Nucleotide sequences of mitochondrial DNA cytb and D-loop from 4 different populations of Hexagrammos otakii were amplified by using PCR technique,365 bp and 387 bp nucleotide sequences were obtained to study the genetic diversity of Hexagrammos otakii.The results showed that the content of A+T(52.6%)was higher than G+C(47.3%)in cytb,and it was also higher in D-loop(content of A+T and G+C was 69.3%,30.7%respectively)through Mega calculation,the total variable sites,number of haplotypes(h),haplotype diversity(Hd),nucleotide diversity(π)and mean pairwise nucleotide differences(k)of 4 populations were 10,7.75,0.739,0.007 3,2.656 based on cytb and 18.25,12.75,0.846,0.012 1,4.673 based on D-loop,respectively.Diversities from high to low were Zhoushan,Dalian,Langyatai and Jimo(cultured population).Diversity in cultured population was lower than that in wild population.Fstvalues were 0.318 6 and 0.271 4 based on cytb and D-loop of wild populations through analysis of molecular variance(AMOVA)respectively,demonstrating that the variation is mainly within the population.The NJ molecular phylogenetic trees based on Kimura 2-parameter model showed that three different geographic stocks have no apparent geographic subdivision.In short,it suggested that the mitochondrial DNA cytb and D-loop may serve as an effective marker for analysis of genetic diversity of Hexagrammos otakii populations.
Hexagrammos otakii;wild and cultured geographic stocks;mitochondrial DNA cytb and D-loop gene;genetic diversity
August 30,2016
Q344
A
1671-6647(2017)04-0524-11
10.3969/j.issn.1671-6647.2017.04.009
2016-08-30
海洋公益性行業(yè)科研專項——黃、渤海重要經(jīng)濟生物產(chǎn)卵場修復與重建技術集成與示范(201405010);國家高技術研究發(fā)展計劃項目——重要鲆鰈魚類良種培育(2012AA10A408)
沈 朕(1990-),男,山東青島人,碩士研究生,主要從事基因工程方面研究.E-mail:397027997@qq.com
*通訊作者:王 波(1963-),男,山東蓬萊人,研究員,碩士,主要從事海水養(yǎng)殖技術方面研究.E-mail:ousun@fio.org.cn
(高 峻 編輯)