蘇思博,黃 松,董丙君
(1.沈陽師范大學生命科學學院,遼寧沈陽110034;2.黃山學院生命與環(huán)境科學學院,安徽黃山245041)
棕黑錦蛇(Elapheschrenckii)和赤峰錦蛇(Elapheanomala)現(xiàn)隸屬于爬行綱(Reptilia)、雙孔亞綱(Diapsida)、有鱗目(Squamata)、蛇亞目(Serpentes)、游蛇科(Colubridae)、錦蛇屬(Elaphe)。棕黑錦蛇在中國主要分布于黑龍江省和吉林省,遼寧省東部山地也有分布且為分布最南限,境外分布于朝鮮和俄羅斯西伯利亞。赤峰錦蛇在中國主要分布于長江以北,在長江流域也有發(fā)現(xiàn),內(nèi)蒙古為分布最北限,境外主要分布于朝鮮。二者重疊分布于我國遼寧省和朝鮮。主要棲息于平原、丘陵、山區(qū)、田園、草叢、橋下、塘邊、林邊、柴草垛、破舊房屋乃至住宅的屋頂。能攀樹,食鼠類為主,亦食鳥類和鳥卵[1-4]。近年來,由于受到氣候變化、棲息地的破壞和環(huán)境的污染等因素影響,二者的野生種群數(shù)量已呈現(xiàn)下降的趨勢,對棕黑錦蛇和赤峰錦蛇現(xiàn)存種群進行遺傳多樣性研究分析,并據(jù)此開展有效的保護已成為迫在眉睫的問題[5-6]。
Strauch(1873)[7]依據(jù)西伯利亞東部興安軍郵站標本,發(fā)表棕黑錦蛇Elaphisschrenckii;Stejneger(1907)[8]將錦蛇屬屬名Elaphis改為Elaphe;Boulenger(1916)[9]將采自中國內(nèi)蒙古赤峰的標本命名為赤峰游蛇Coluberanomalus;Pope(1935)[10]將赤峰游蛇Coluberanomalus改隸錦蛇屬Elaphe,并依據(jù)河北東陵興隆山、山西葫蘆里、青島的標本提出赤峰游蛇Coluberanomalus應為棕黑錦蛇Elapheschrenckii的亞種,并指出分布于俄羅斯西伯利亞東部、中國東北及朝鮮的為棕黑錦蛇指名亞種Elapheschrenckiischrenckii,而分布于中國內(nèi)蒙古赤峰及華北的為棕黑錦蛇赤峰亞種Elapheschrenckiianomala[1-4,11-12]。此后許多學者都沿用這一觀點[13-21]。季達明(1994)提出將后一亞種恢復為種級,仍稱赤峰錦蛇(Elapheanomala)[11-12],該意見為黃美華(1998)在《中國動物志》中所采用,也被一些其他學者所采納[2,4,22-26]。
目前關于棕黑錦蛇和赤峰錦蛇的研究多集中于形態(tài)解剖學、細胞遺傳學、保護生物學等學科領域[3,6,19-21,26-29],而在其基因序列多態(tài)性及種群遺傳多樣性等方面的研究尚未得到充分開展。本研究收集了分布于我國東三省地區(qū)的棕黑錦蛇和赤峰錦蛇12個種群(棕黑錦蛇6個種群,赤峰錦蛇6個種群)共41個樣品(棕黑錦蛇18個樣品,赤峰錦蛇23個樣品),利用線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)細胞色素b(Cytochromeb,Cytb)基因部分序列分析,分別探究棕黑錦蛇和赤峰錦蛇遺傳多樣性及種群遺傳結構。
本研究在9個采樣區(qū)共采集41個棕黑錦蛇和赤峰錦蛇標本(圖1)。棕黑錦蛇采樣點按照地區(qū)及距離分為黑龍江大佳河鄉(xiāng)(DJH)、牡丹江(MDJ),吉林露水河鎮(zhèn)(LSH),遼寧沈陽(SY)、新賓(XB)、本溪(BX)6個地理區(qū)域;赤峰錦蛇采樣點按照地區(qū)及距離分為遼寧沈陽(SY)、新賓(XB)、本溪(BX)、撫順(FS)、岫巖(XY)、營口(YK)6個地理區(qū)域(表1)。以地理區(qū)系就近為原則,每兩個采樣點之間的直線距離不超過60 km為依據(jù)來進行現(xiàn)有采樣點的分組。采集個體通過外部形態(tài)鑒別并做好記錄,野外活體剪取尾部肌肉組織至裝有95%酒精的組織管中固定,帶回實驗室置于-20℃冰箱備用,樣本采集后活體放生。
圖1 棕黑錦蛇與赤峰錦蛇采樣區(qū)分布圖
注:正方形代表棕黑錦蛇的采樣分布,圓形代表赤峰錦蛇的采樣分布。圖中每個圓形或者正方形代表一個分組分布地,圓形或者正方形面積相等,圓形或者正方形內(nèi)的單倍型代表顏色的占有面積與單倍型對應的個體數(shù)目成正比。
38SU36遼寧新賓滿族自治縣新賓(XB)39SU38遼寧新賓滿族自治縣新賓(XB)40SU39遼寧新賓滿族自治縣新賓(XB)41SU40遼寧鐵嶺凡河新區(qū)沈陽(SY)
樣品基因組DNA使用天根基因組提取試劑盒(北京天根生化科技有限公司)提取。線粒體Cytb基因序列采用通用引物L14919(5’-AACCACCGTTGTTATTCAACT-3’)和H16064(5’-CTTTGGTTTACAAGAACAATGCTTTA-3’)[30-32]進行PCR擴增,引物由上海生工生物工程股份有限公司合成。PCR擴增反應總體系為25 μL,其中2×Mix(Taq PCR Master Mix 2x,blue dye,上海生工生物工程股份有限公司)12.5 μL,上游引物、下游引物各1 μL,模板DNA 1 μL,雙蒸水9.5 μL。PCR反應條件為:94℃預變性7 min;94℃變性40 s,46℃退火30 s,72℃延伸1 min,共40個循環(huán);最后在72℃延伸8 min。擴增產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測后,送上海生工生物工程股份有限公司進行純化回收及雙向測序。
用DNASTAR軟件包對所得序列進行編輯、校對和排序。用DNASP軟件統(tǒng)計單倍型數(shù)目、多態(tài)位點、插入/缺失等分子多態(tài)指數(shù),并進行Fs中性檢驗。用MEGA軟件基于Kimura雙參數(shù)模型計算群體間遺傳距離。用ARLEQUIN軟件計算兩兩群體FST值,并進行AMOVA分析。用MRBAYES軟件基于AIC準則的HKY+I模型構建貝葉斯系統(tǒng)樹。用NETWORK軟件構建中介網(wǎng)絡圖(median-joining network)。
對41條棕黑錦蛇、赤峰錦蛇的Cytb基因序列進行分析,刪除首尾測序不準確的部分片段,將序列的起始位置設置在密碼子的第一位,共獲得用于分析的DNA序列長度為1086 bp。在棕黑錦蛇的18條序列中,變異位點3個,無堿基的缺失或插入,轉換/顛換比為148.645。A、T、G、C堿基平均含量分別為33.4%、27.3%、11.0%、28.3%。在赤峰錦蛇的23條DNA序列中,變異位點3個,無堿基的缺失或插入,轉換/顛換比為0.006。A、T、G、C堿基平均含量分別為33.5%、27.3%、10.9%、28.3%。
棕黑錦蛇18條序列共定義了4個單倍型,其中單倍型Hap1為MDJ、LSH、SY、XB、BX共5個種群共享,在5個種群中分別占4/5、1/1、2/3、6/6、2/2;Hap2為DJH種群特有,占1/1;Hap3為SY種群特有,占1/3;Hap4為MDJ種群特有,占1/5(表2)。赤峰錦蛇的23條序列共定義了3個單倍型,其中單倍型Hap1為SY、XB、BX、FS、XY、YK共6個種群共享,在6個種群中分別占1/2、2/2、7/7、7/7、1/2、3/3;Hap2為SY種群特有,占1/2;Hap3為XY種群特有,占1/2(表3)。
表2 棕黑錦蛇線粒體Cyt b基因的變異位點及單倍型在6個種群中的分布
表3 赤峰錦蛇線粒體Cyt b基因的變異位點及單倍型在6個種群中的分布
棕黑錦蛇與赤峰錦蛇12個地理種群的遺傳多樣性參數(shù)如表4所示,種群內(nèi)樣本數(shù)N大于1才可進行遺傳多樣性相關參數(shù)的分析,故舍去DHJ種群(N=1)和LSH(N=1)的分析結果。棕黑錦蛇總體單倍型數(shù)為4,單倍型多樣性為0.314,核苷酸多樣性為0.01894,平均核苷酸差異數(shù)為0.3333。赤峰錦蛇總體單倍型數(shù)為3,單倍型多樣性為0.170,核苷酸多樣性為0.00024,平均核苷酸差異數(shù)為0.2609。
表4 基于Cyt b基因序列的棕黑錦蛇與赤峰錦蛇群體的遺傳多樣性參數(shù)
使用ARLEQUIN軟件統(tǒng)計群體間遺傳分化指數(shù)(FST),以判斷不同地理群體之間是否存在遺傳分化(表5,表6)。對棕黑錦蛇的分析結果表明,DJH與LSH、XB、BX群體間的FST值最大(1.00000),其他群體間的FST值存在負值(表5);對赤峰錦蛇的分析結果表明,SY與BX、FS群體間、XY與BX、FS群體間的FST值最大(0.58824),其他群體間的FST值較小(表6)。棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的各個群體間分別對應于FST值的基因流值(Nm)如表5,表6所示。對棕黑錦蛇的分析結果顯示,MDJ與XB群體間的Nm值最大(6.00000),MDJ與SY群體間的Nm值次之(5.89251),其他群體間的Nm值為無限大或較小(表5)。對赤峰錦蛇的分析結果顯示,YK與SY、XY群體間的Nm值最大(0.75000),其他群體間的Nm值較小(表6)。
表5 棕黑錦蛇群體間的基因流值Nm(對角線下方)和遺傳分化指數(shù)FST(對角線上方)
注:n.a.=not applicable,代表不適用。Inf=infinite,代表無限大。
表6 赤峰錦蛇群體間的基因流值Nm(對角線下方)和遺傳分化指數(shù)FST(對角線上方)
注:n.a.=not applicable,代表不適用。
運用MEGA軟件基于Kimura雙參數(shù)模型分別計算棕黑錦蛇與赤峰錦蛇群體間遺傳距離(GD)(表7)。棕黑錦蛇的GD值在0.00000~0.00123之間,其中SY與DJH群體間的GD值最大(0.00123);赤峰錦蛇的GD值在0.00000~0.00138之間,其中XY與SY群體間的GD值最大(0.00138)。
表7 棕黑錦蛇與赤峰錦蛇群體間的遺傳距離GD值
注:對角線下方為棕黑錦蛇群體間的GD值,對角線上方為赤峰錦蛇群體間的GD值。
據(jù)分子方差分析(Analysis of molecular variance,AMOVA)顯示,棕黑錦蛇6個種群之間的遺傳變異占總變異的30.97%,種群內(nèi)的遺傳變異占總變異的69.03%;赤峰錦蛇6個種群之間的遺傳變異占總變異的37.12%,種群內(nèi)的遺傳變異占總變異的62.88%(表8)。
表8 棕黑錦蛇與赤峰錦蛇種群的分子變異分析(AMOVA)表
以日本錦蛇Elapheclimacophora和日本四線錦蛇Elaphequadrivirgata做為外群基于Cytb基因構建的貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹顯示,棕黑錦蛇與赤峰錦蛇12個種群的41個個體形成2個支系(圖2);其中,第一族群包括赤峰錦蛇的23個個體,第二族群則由棕黑錦蛇的18個個體組成。單倍型間分子系統(tǒng)樹中棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的單倍型各自聚類,與物種樹結果相一致。
棕黑錦蛇的網(wǎng)絡關系圖呈放射狀結構,存在一個主體單倍型Hap1,Hap1由5個種群共享,不包含DJH種群;Hap2為DJH種群特有單倍型,Hap3為SY種群特有單倍型,Hap4為MDJ種群特有單倍型;在共享Hap1的5個種群中,Hap1的頻率均為最高;各單倍型之間關系較近,主體單倍型之外的其他單倍型均經(jīng)過兩步突變完成。赤峰錦蛇的網(wǎng)絡關系圖呈放射狀結構,存在一個主體單倍型Hap1,Hap1由全部的6個種群共享;Hap2為SY種群特有單倍型,Hap3為XY種群特有單倍型;在全部的種群中,Hap1的頻率均為最高;各單倍型之間關系較近,主體單倍型之外的其他單倍型不均是經(jīng)過兩步突變完成的,最多的也只經(jīng)過三步突變(圖3)。
利用線粒體DNA序列分析種群歷史的分析方法主要有中性檢驗和岐點分布分析等[33]。由DNASP軟件對棕黑錦蛇與赤峰錦蛇群體的Cytb基因序列的中性檢驗值進行分析,其中赤峰錦蛇總群體的Fu and Li’s F*參數(shù)值為負的顯著值,其他總群體的參數(shù)值均為不顯著負值。對棕黑錦蛇與赤峰錦蛇群體的基因序列的岐點分布進行分析,得到棕黑錦蛇與赤峰錦蛇總群體的Cytb基因的岐點分布圖(圖4)。
圖2 基于線粒體Cyt b基因序列構建的棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹注:支持率小于0.95的節(jié)點未標注。對應單倍型關系的個體已標注。
圖3 棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的單倍型網(wǎng)絡圖注:圖中每個圓代表一個單倍型,圓圈面積與單倍型頻率成正比。單倍型之間的連線顯示了它們的進化關系,連線上的數(shù)字表示核苷酸突變位點,數(shù)字的個數(shù)表示兩單倍型之間的突變步數(shù)。
圖4 棕黑錦蛇與赤峰錦蛇總群體的Cyt b基因岐點分布圖
探究物種遺傳變異有助于揭示物種起源與進化歷史[34]。遺傳多樣性是物種適應環(huán)境和進化的基礎,豐富的遺傳多樣性可以維持種群的多樣性,遺傳多樣性的缺失會威脅到種群的生存。一般而言,一個種群在相當長的時間內(nèi)比較穩(wěn)定且資源量豐富時,該種群可能會維持較高的遺傳多樣性;當種群遭受瓶頸效應時,種群遺傳多樣性將會受遺傳漂變的影響而降低[35]。
對采自黑龍江省、吉林省、遼寧省的棕黑錦蛇與赤峰錦蛇12個種群41個個體樣品的Cytb序列進行了相關分析,棕黑錦蛇群體中僅發(fā)現(xiàn)4個單倍型,6個種群中沒有所有種群共享的單倍型;赤峰錦蛇群體中僅發(fā)現(xiàn)3個單倍型,6個種群中有所有種群共享的單倍型為Hap1。棕黑錦蛇的不同地理群體間總體單倍型多樣性Hd值和核苷酸多樣性π值分別為0.314和1.894%,總體上表現(xiàn)出較低的單倍型多樣性(Hd=0.314<0.5)和較高的核苷酸多樣性(π=1.894%>0.5%)。赤峰錦蛇的不同地理群體間總體單倍型多樣性Hd值和核苷酸多樣性π值分別為0.170和0.024%,總體上表現(xiàn)出較低的單倍型多樣性(Hd=0.170<0.5)和較低的核苷酸多樣性(π=0.024%<0.5%)。棕黑錦蛇低單倍型多樣性、高核苷酸多樣性的結果表明,棕黑錦蛇種群可能經(jīng)歷過瓶頸效應或奠基者效應[36];線粒體基因進化速率快、物種生命周期不長、樣本量較少、分布不均勻等因素也可能影響其遺傳多樣性。赤峰錦蛇低單倍型多樣性、低核苷酸多樣性的結果表明,短時間內(nèi)的少量突變不能積累足夠的核苷酸多樣性,從而導致種群核苷酸多樣性較低;此外,過度抓捕、環(huán)境污染和棲息地破壞等人為因素也可能加劇遺傳多樣性的喪失。
由于長期地理隔離,同一物種的不同地理種群可能產(chǎn)生遺傳分化[37]。遺傳分化可以衡量群體間或群體內(nèi)的分化程度,研究遺傳分化變異的主要參數(shù)有遺傳分化指數(shù)(FST)、基因流(Nm)、遺傳距離(GD)與構建系統(tǒng)進化樹等,同時分子方差分析(AMOVA)也是研究種群間遺傳分化的重要指標。
遺傳分化指數(shù)(FST)表示的是不同地理種群之間等位基因數(shù)目的差異情況,能夠反映所研究種群的分化程度及種群結構。FST值越高,表示兩個地理種群之間的基因交流越少,遺傳分化越高。若種群FST值在0~0.05之間,說明不存在分化;FST值在0.05~0.15之間,為低度分化;FST值在0.15~0.25之間,為中度分化;FST值大于0.25,則為高度分化[38]。據(jù)此標準,本研究中的棕黑錦蛇6個種群中的DJH種群與其他5個種群間的FST值均大于0.25,即其間存在高度遺傳分化;SY與XB種群間的FST值在0.15~0.25之間,即其間存在中度遺傳分化;其他種群兩兩之間的FST值均在0~0.05之間或為負值,即其間均不存在遺傳分化。赤峰錦蛇的6個種群中的SY與BX、FS種群間,XY與BX、FS種群間的FST值均大于0.25,表明其間存在高度的遺傳分化;YK與SY、XY種群間的FST值在0.15~0.25之間,表明其間存在中度遺傳分化;其他種群兩兩之間的FST值均在0~0.05之間或為負值,即其間均不存在遺傳分化。整體來看,棕黑錦蛇與赤峰錦蛇各自的大部分種群間沒有明顯的遺傳分化,個別種群之間存在分化。從地理分布上來看,地理距離相對較近的采樣點之間的群體比較容易存在交流,而地理距離相對較遠的采樣點之間的群體交流容易受到限制,則這些地點的群體兩兩之間的遺傳分化就比較大,F(xiàn)ST值就比較大;棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的大部分群體之間不存在分化,這可能與地理距離相對較小有關,另外樣本量較少、采樣點個體數(shù)目分布不均勻等因素可能是影響其遺傳分化指數(shù)的原因。
基因流(Nm)表示兩個地理種群之間每代平均交換的個體數(shù)目,與遺傳分化指數(shù)相反,Nm值越大,表示地理種群間基因交流越多,遺傳分化越少。從Nm值來看,當Nm<1時,表明種群間的基因交流受到一定程度的限制,遺傳分化明顯;Nm值在1~4之間,表示種群之間存在中等程度的基因交流,群體間遺傳分化較??;當Nm>4時,表示種群間的基因交流更為充分,遺傳分化非常小[39]。據(jù)此標準,棕黑錦蛇的MDJ與SY、XB種群間的Nm值均大于4,表示其間遺傳分化非常?。籇JH種群與其他5個種群間以及SY與XB種群間的Nm值均小于1,即其間遺傳分化明顯。赤峰錦蛇的SY與BX、FS、YK種群間,XY與BX、FS、YK種群間的Nm值均小于1,表示其間遺傳分化明顯。整體來看棕黑錦蛇與赤峰錦蛇各自只有少部分種群之間的基因交流受到一定程度的限制,說明只有少數(shù)的種群間存在明顯的分化,與上述遺傳分化指數(shù)所反映的結果一致。
基于線粒體Cytb基因序列構建的棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹顯示,12個種群的41個個體整體分成2支,支持棕黑錦蛇與赤峰錦蛇是兩個物種的結論。7個單倍型個體關系也形成2個族群,表明可能其發(fā)生關系與系統(tǒng)進化樹相照應;個體之間的關系是完全二分的格局,單倍型個體之間的關系很近,不能按照地理分布各自聚類,而是相互混雜聚在一起。遺傳距離(GD)大于0.01表明變異較大,反之則表明變異較小[33]。棕黑錦蛇與赤峰錦蛇12個種群間各自的遺傳距離(GD)值偏低,均小于0.01,表明棕黑錦蛇與赤峰錦蛇不同地理群體之間的遺傳變異比較小。另據(jù)AMOVA分析表明,棕黑錦蛇群體的分子變異主要來自于種群內(nèi)(69.03%),而非種群間(30.97%);赤峰錦蛇群體的分子變異主要存在于種群內(nèi)(62.88%),高于種群間(37.12%),且不同群體間的遺傳距離與地理距離沒有呈顯著的相關性。盡管FST值檢驗和Nm分析表明棕黑錦蛇和赤峰錦蛇各自的少部分群體之間存在分化,但是GD值和AMOVA分析均表明各個群體之間的遺傳變異較小,且變異來源于群體內(nèi);造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于種群處于分化的早期,單倍型之間的關系較近,各群體之間分化主要由單倍型頻率的差異引起;也可能與所采集樣本分布不均勻有關;此外,所采集樣本的地理分布相對狹窄和樣本量偏少也可能會有一定的影響。
在種群動態(tài)分析中,Tajima’s D和Fu’s Fs值是兩種比較常用的通過中性檢驗研究種群在歷史上是否發(fā)生過擴張的參數(shù)。當種群中性檢驗Tajima’s D值和Fu’s Fs值接近零時,表明種群處于穩(wěn)定狀態(tài);出現(xiàn)負的D值、Fs值以及差異顯著的P值(P<0.05)時,則認為種群在歷史上有擴張跡象[40]。但相對而言,F(xiàn)u’s Fs檢驗對種群擴張更加敏感,種群的擴張會使Fs得到更大的負值。此外,Tajima’s D檢驗更傾向于檢測古老的突變和揭示古老種群發(fā)生擴張的歷史,而Fu’s Fs檢驗則對近期種群擴張的檢測更為敏感[41]。本研究中棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的中性檢驗值表明,整體上棕黑錦蛇種群的Fu and Li’s D*值和Fu and Li’s F*值均為負數(shù),未達到顯著性水平,Tajima’s D、Fu’s Fs也均為負值,且未達到顯著性水平;赤峰錦蛇種群整體的Fu and Li’s D*值和Fu and Li’s F*值均為負數(shù),且Fu and Li’s F*值達到了顯著性水平,但是Tajima’s D、Fu’s Fs也均為負值,且未達到顯著性水平;同時,棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的單個群體的Fu’s Fs也均未達到顯著性水平。說明棕黑錦蛇與赤峰錦蛇整體上各群體近期積累的低頻基因突變均不明顯,所以認為棕黑錦蛇與赤峰錦蛇群體種群大小相對穩(wěn)定,在短時間內(nèi)均未經(jīng)歷過顯著的區(qū)域擴張。
岐點分布分析是檢測在歷史進化過程中種群動態(tài)的有效方法,表示在不同的單倍型間堿基的變異相對頻率的分析。如果是平衡的地理種群,岐點分布圖呈鐘形曲線、單峰圖形,說明該種群曾經(jīng)經(jīng)歷過種群擴張;若結果為“L”形曲線、雙峰或者多峰圖形,則說明種群處于平衡或穩(wěn)定狀態(tài)[42-43]。本研究中棕黑錦蛇與赤峰錦蛇的岐點分布圖總體均呈現(xiàn)“L”形曲線,表明整體上棕黑錦蛇和赤峰錦蛇種群的大小相對穩(wěn)定,均沒有發(fā)生過明顯的種群擴張,與Fu’s Fs值的檢驗結果一致。
Cytb分析兩種錦蛇種群的序列多態(tài)性較低,遺傳多樣性水平也較低,但棕黑錦蛇略高于赤峰錦蛇。棕黑錦蛇與赤峰錦蛇各自的少部分群體之間存在分化,種群大小相對穩(wěn)定,均沒有發(fā)生過明顯的種群擴張。建議將兩個物種分開進行管理,保護其遺傳多樣性。