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        基于微衛(wèi)星標記的克氏原螯蝦種群遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)分析

        2023-06-30 14:27:24高楊田燦姜京京唐永凱張成鋒馮文榮李冰陳銘盧澤宇蘇勝彥朱健
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年5期
        關(guān)鍵詞:克氏原螯蝦遺傳多樣性

        高楊 田燦 姜京京 唐永凱 張成鋒 馮文榮 李冰 陳銘 盧澤宇 蘇勝彥 朱健

        摘要:為了解當(dāng)前我國不同地區(qū)克氏原螯蝦種群的遺傳背景情況,以期為人工養(yǎng)殖、新品種選育和資源保護提供參考依據(jù)。選取江蘇洪澤湖(HZH)、湖北洪湖(HH)、湖南洞庭湖(DTH)、山東微山湖(WSH)、安徽巢湖(CH)、江西鄱陽湖(PYH)6個典型區(qū)域的克氏原螯蝦群體作為研究對象,采用14對微衛(wèi)星引物對來自6個地區(qū)的168份樣品進行遺傳多樣性檢測。結(jié)果可知,各群體不同標記位點的等位基因數(shù)在3~14之間,平均期望雜合度為0.81,平均多態(tài)信息含量分布在0.42~0.59之間,各群體均處于中高度遺傳多樣性水平。6個群體均發(fā)生一定程度Hardy-Weinberg平衡偏離,僅有少數(shù)位點在單一群體滿足Hardy-Weinberg平衡,同時連鎖不平衡檢測發(fā)現(xiàn)9個連鎖座位對處于不平衡狀態(tài)。遺傳距離結(jié)果顯示,6個克氏原螯蝦群體的遺傳一致度(I)處于0.127 8~0.643 9之間,各群體間遺傳距離(D)處于0.440 2~2.057 3之間。群體間遺傳分化指數(shù)(Fst)接近0.5,反映出群體間的基因交流水平較弱,存在高度的遺傳分化。AMOVA分析發(fā)現(xiàn),39.65%的遺傳變異來源于群體間,97.99%的遺傳變異來源于個體間。遺傳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示,K=5時,6個群體間存在顯著的結(jié)構(gòu)差異。上敘結(jié)果可知,6個地區(qū)的克氏原螯蝦群體具有豐富的遺傳多樣性,群體間出現(xiàn)了顯著分化,可通過隔離保種、雜交、選擇育種等方式保護利用克氏原螯蝦的種質(zhì)資源,為我國克氏原鰲蝦產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供良種支持。

        關(guān)鍵詞:克氏原螯蝦;遺傳多樣性:微衛(wèi)星標記;遺傳結(jié)構(gòu)

        中圖分類號:S917;S966.12文獻標志碼:A

        文章編號:1002-1302(2023)05-0191-09

        克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)別稱淡水小龍蝦,原產(chǎn)自北美洲,20世紀前中葉引入我國。該蝦具有肉質(zhì)鮮美、生長速度快、環(huán)境適應(yīng)力強的特點,進而深受漁民和消費者的喜愛[1-2]。21世紀以來,我國克氏原螯蝦養(yǎng)殖技術(shù)日益成熟完善,養(yǎng)殖方式愈發(fā)多元,養(yǎng)殖產(chǎn)量也日益增長。據(jù)中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒統(tǒng)計,我國克氏原螯蝦2018年產(chǎn)量達163.87萬t,2019年達208.96萬t,首次突破200萬t,2020年雖受疫情影響,產(chǎn)量仍達239.37萬t[3],創(chuàng)下歷史新高。當(dāng)前,克氏原螯蝦已成為我國第六大淡水經(jīng)濟養(yǎng)殖品種。然而在逆向選擇、捕大留小的生產(chǎn)模式下,養(yǎng)殖后代病害頻發(fā)、規(guī)格參差不齊,嚴重制約克氏原鰲蝦產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展,亟需通過良種選育來提高種質(zhì)性能,促進產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖經(jīng)驗告訴我們,優(yōu)秀的種質(zhì)來源決定了水產(chǎn)生物生產(chǎn)養(yǎng)殖的命脈,而在新品種選育過程中,對國內(nèi)已存在的主要遺傳資源進行遺傳評估成為首先需要解決的問題。

        遺傳多樣性常用來評估用于選育種質(zhì)的選擇空間,因而受到國內(nèi)外學(xué)者的重點關(guān)注。對于克氏原螯蝦遺傳多樣性的研究,當(dāng)前主要集中在分子標記及區(qū)域群體的選擇上。關(guān)于分子標記,常用的檢測方法有Random Amplified Polymorphic DNA(RAPD)[4-5]、Amplified fragment length polymorphism (AFLP)[6]和Simple Sequence Repeats(SSR)[7-8]。其中,SSR以高的多態(tài)性和共顯性[9],成為研究克氏原螯蝦遺傳多樣性和遺傳關(guān)系的首選技術(shù)。關(guān)于區(qū)域群體的選擇則較為廣泛,遍及全國克氏原螯蝦養(yǎng)殖生產(chǎn)省份。邢智珺等采用8個微衛(wèi)星標記分析了江蘇省境內(nèi)8個地區(qū)克氏原螯蝦的遺傳多樣性[10];黃小芳等利用8對微衛(wèi)星引物分析了廣西境內(nèi)5個地區(qū)克氏原螯蝦遺傳多樣性[11]。研究結(jié)果均表明,選點區(qū)域內(nèi)克氏原螯蝦群體遺傳多樣性豐富。以上研究選點分布集中于單一或少數(shù)的省份,尚未就全國范圍內(nèi)典型水域的野生克氏原螯蝦群體開展研究。為此本研究進行了江蘇洪澤湖(HZH)、湖北洪湖(HH)、湖南洞庭湖(DTH)、山東微山湖(WSH)、安徽巢湖(CH)、江西鄱陽湖(PYH)6個典型水域克氏原螯蝦野生種質(zhì)資源遺傳多樣性水平的差異研究,以期為克氏原螯蝦養(yǎng)殖提供重要的親本來源,為新品種的選育和野生種的資源保護工作提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 試驗動物

        分別從江蘇洪澤湖(HZH)、湖北洪湖(HH)、湖南洞庭湖(DTH)、山東微山湖(WSH)、安徽巢湖(CH)、江西鄱陽湖(PYH)六大淡水湖泊中捕撈克氏原螯蝦群體,各群體取22~30尾個體。由表1可知,雌雄加以區(qū)分,剪去尾節(jié),置于預(yù)先備好裝有乙醇的2 mL離心管中,-20 ℃保存。

        1.2 基因組DNA提取

        總基因組DNA提取采用苯酚/三氯甲烷法[12]提取尾節(jié)組織的總基因組DNA,DNA通過瓊脂糖凝膠電泳檢驗純度,[HJ1.5mm]紫外分光光度計測定D260 nm和D280 nm,合格的DNA稀釋濃度至0.05 mg/L,保存于 -20 ℃ 加以備用。

        1.3 微衛(wèi)星引物擴增

        參考GenBank已發(fā)表的微衛(wèi)星序列[13]及本實驗室自行開發(fā)的微衛(wèi)星序列共14對(表2)。正向引物的5′端FAM標記,委托無錫天霖生物有限公司加以合成。PCR反應(yīng)總體系:DNA模板 2.0 μL,Taq酶12.5 μL,上下游引物各1.0 μL,最后加滅菌的超純水至25.0 μL。

        PCR反應(yīng)程序為:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性10 s,在最適退火溫度下退火10 s,72 ℃延伸 15 s,30個循環(huán);最后72 ℃再延伸10 min,4 ℃保存。PCR產(chǎn)物通過ABI3730XL測序儀(美國應(yīng)用生物系統(tǒng)公司)進行毛細管電泳檢測,通過GeneMarker軟件進行基因型分型。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        利用14對SSR標記鑒定到的6個克氏原螯蝦群體的基因型,使用Popgene32(v1.3.2)軟件[14]對6個克氏原螯蝦群體的等位基因數(shù)(Na)、有效等位基因數(shù)(Ne)、觀測雜合度(Ho)、期望雜合度(He)、似然比檢驗Hardy-Weinberg平衡、遺傳分化指數(shù)Fst(F-statistics,F(xiàn)st)、Neis標準遺傳距離(Ds)和中性進行分析檢測。使用Genepop的列聯(lián)表方法進行連鎖不平衡分析[15]。使用Botstein等的方法計算每個位點的多態(tài)信息含量(PIC)[16]。遺傳結(jié)構(gòu)分析采用Structue 2.3軟件[17],遺傳結(jié)構(gòu)圖繪制采用CLUMPP1.1.2[18]和distruct軟件[19]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 克氏原螯蝦遺傳多樣性分析

        通過毛細管電泳檢測14對微衛(wèi)星引物在168份樣品中的基因型及其頻率分布,14個微衛(wèi)星位點在6個克氏原螯蝦群體內(nèi)共檢測到等位基因124個。由表3可知,這些標記在單個的克氏原螯蝦群體中的等位基因數(shù)在3~14之間,等位基因數(shù)最多的是PCLG08位點。各群體內(nèi)的等位基因數(shù)在1~8之間不等,平均等位基因數(shù)最低的是巢湖群體,僅為1.93;最高的是洪澤湖群體,數(shù)值達4.14;其余群體的平均等位基因數(shù)均處于2~3之間不等。各群體的有效等位基因數(shù)在1.00~5.16之間,數(shù)目最多的同樣是PCLG08位點。從等位基因數(shù)和有效等位基因數(shù)的結(jié)果來看,洪澤湖群體分別有11個和9個位點的數(shù)值最高,數(shù)值最高的位點數(shù)量遠超其他群體。而在觀察雜合度和期望雜合度2項指標上,洪澤湖群體同樣多數(shù)位點指標數(shù)值顯著高于其他群體。14對微衛(wèi)星的中性測試分析見表4,可知各個位點都處于95%置信區(qū)間范圍內(nèi),屬中性位點。

        由表5可知,根據(jù)香農(nóng)指數(shù)分析,洪澤湖克氏原螯蝦群體的遺傳多樣性最為豐富, 其余5組克氏原螯蝦群體的遺傳多樣性相差較小,群體間變異程度低。此外,各群體的多態(tài)信息含量介于0.26~0.73之間。當(dāng)PIC值>0.5時,定義為高多態(tài)性;當(dāng)PIC值處于0.25~0.50之間,定義為中度多態(tài)性。本調(diào)查分析中,洪澤湖群體在14個位點中均處于高度多態(tài)水平。巢湖群體有3個中度多態(tài)位點,11個高度多態(tài);洞庭湖群體有6個中度多態(tài)位點,8個高度多態(tài)位點;洪湖群體有3個中度多態(tài)位點,11個高度多態(tài)位點;鄱陽湖群體有5個中度多態(tài)位點,9個高度多態(tài)位點;微山湖群體有2個中度多態(tài)位點,12個高度多態(tài)位點。綜合可知,洪澤湖群體多態(tài)性水平最高,遺傳多樣性也最為豐富,最適合作為養(yǎng)殖生產(chǎn)中的親本來源。

        2.2 6個群體Hardy-Weinberg平衡分析和連鎖不平衡檢驗

        Hardy-Weinberg平衡分析結(jié)果,由表6可知,沒有1對位點在6個群體中都符合哈代溫伯格平衡,各個位點在各群體中均存在明顯的哈代溫伯格平衡偏離現(xiàn)象。其中,僅有PCLG10位點在2個群體中存在哈代溫伯格平衡偏離,剩余的標記位點均在多個群體出現(xiàn)Hardy-Weinberg平衡偏離情況。

        對6組克氏原螯蝦群體進行連鎖不平衡檢測,共檢測到59個基因座位對,其中,巢湖群體和洪澤湖群體均存在6個連鎖座位對的不平衡狀態(tài),鄱陽湖群體是連鎖座位對處于不平衡狀態(tài)最少的群體,僅為3對,與此同時,各個群體處于不平衡狀態(tài)時相應(yīng)的連鎖座位對并不相同。對于整個群體而言,一共檢測到9個連鎖座位對處于不平衡狀態(tài)。

        2.3 6個群體遺傳距離分析

        遺傳距離結(jié)果見表7,可知6個克氏原螯蝦群體的遺傳一致度(I)在0.127 8~0.643 9之間,遺傳距離(D)在0.440 2~2.057 3之間。遺傳一致度的數(shù)值結(jié)果同遺傳距離數(shù)值成反比關(guān)系,遺傳一致度數(shù)值越大,遺傳距離越小,反映出的親緣關(guān)系也越接近。6組不同區(qū)域的克氏原螯蝦群體中,微山湖和鄱陽湖群體間的遺傳一致度最高,數(shù)值達0.643 9,對應(yīng)的遺傳距離則為最小的0.440 2,說明微山湖和鄱陽湖這2個群體親緣關(guān)系較近。親緣關(guān)系最遠的是洪湖和鄱陽湖群體,這2個群體的遺傳距離達2.057 3,數(shù)值相比其他群體差距明顯。長年遷徙下,群體間的遺傳距離結(jié)果偏大,各群體間交流受阻,群體為適應(yīng)當(dāng)?shù)厣瞽h(huán)境而出現(xiàn)分化現(xiàn)象。

        2.4 克氏原螯蝦遺傳結(jié)構(gòu)分析

        Fis結(jié)果顯示,14個位點均出現(xiàn)負值,數(shù)值最小的是PCLG28位點,F(xiàn)it結(jié)果顯示,8個位點出現(xiàn)負值,數(shù)值最大的是PCLG10位點,僅為0.3,尚未達0.5水平。Nm反映了群體間的交流程度,Nm越大,基因交流越為頻繁[20],在數(shù)值上同F(xiàn)st值成反比,F(xiàn)st是反映遺傳分化的指標。PCLG02位點下的群體交流程度較為頻繁,達4.81,同時,群體間的Fst數(shù)值大多接近0.5,6個群體僅存在微弱的基因交流,同時群體間已經(jīng)出現(xiàn)高度分化現(xiàn)象。這可能與克氏原螯蝦自身習(xí)性密切相關(guān),大部分時間棲息于自掘的洞穴內(nèi),且游泳運動水平不強引起相互間交流較少。AMOVA分析結(jié)果見表8,可知39.65%的變異來自于群體間,97.99%的變異來自于個體間(P<0.01),個體間的遺傳變異程度遠大于群體間。

        運用Structure軟件對6個克氏原螯蝦群體的遺傳結(jié)構(gòu)進行分析,執(zhí)行K=2~6的假設(shè),設(shè)定10次重復(fù),結(jié)果見圖1。K=2時,巢湖群體和鄱陽湖群體遺傳結(jié)構(gòu)沒有差異;K=3時,鄱陽湖群體和洪澤湖群體遺傳結(jié)構(gòu)沒有差異;K=4時,巢湖群體和洪澤湖群體遺傳結(jié)構(gòu)差異不明顯; K=6時, 各群體間遺傳結(jié)構(gòu)差異不如K=5時更為明顯。綜合來看,K=5時,結(jié)果最佳。

        3 結(jié)論

        3.1 我國大型淡水湖泊克氏原螯蝦遺傳多樣性豐富

        遺傳多樣性作為生物多樣性的重要組成部分,是衡量生物攜帶遺傳信息程度的重要指標,其水平可直接反映物種的遺傳變異程度,而遺傳變異程度恰能反映物種的生長性能、繁育性能等育種指標情況。對克氏原螯蝦的溯源及入侵路線問題,國內(nèi)的許多水產(chǎn)研究者已經(jīng)進行過長足的研究,收集了多個水系多重地域的克氏原螯蝦種質(zhì)群體進行遺傳分析,已經(jīng)初步得出,克氏原螯蝦從我國江蘇省南京市引入,同時伴隨長江、淮河兩大水系逐漸向外擴展[21]。

        相較以往的研究,本研究采樣點符合主要克氏原螯蝦群體養(yǎng)殖分布和遷移路線,涉及湖南、湖北、安徽、江西、江蘇、山東6省,且均來源于我國境內(nèi)知名的大型淡水湖泊,研究對象更加富有代表性。其次,所選取的14個微衛(wèi)星位點均為中高度多態(tài)性位點,結(jié)果更能精確反映這些群體的真實遺傳多樣性水平。運用14對微衛(wèi)星引物測出6個不同克氏原螯蝦群體的平均期望雜合度0.81,平均多態(tài)信息含量0.42~0.59,綜合觀察發(fā)現(xiàn),六大淡水湖泊的克氏原螯蝦具有較高的遺傳多樣性。遺傳多樣性大小依次為洪澤湖>洪湖>微山湖>巢湖>鄱陽湖>洞庭湖。造成這樣的原因可能是克氏原螯蝦從南京市引入,而洪澤湖隸屬淮河水系地理位置上同屬江蘇省,較好地保留了初始時的種質(zhì)特征。另外很重要的一點是洪澤湖水域環(huán)境復(fù)雜,水生植物豐富,給個體間的交流提供了良好的環(huán)境條件。洪湖地處的湖北省近些年來一直都是我國克氏原螯蝦養(yǎng)殖產(chǎn)量最大的省份,圍繞水域湖泊更是興建了許多人工養(yǎng)殖基地,人為的引進種同野生種之間獲得了基因交流的機會,自身遺傳多樣性相對較高。此外,環(huán)境因素與生物遺傳多樣性息息相關(guān),物種迫于環(huán)境壓力而引起自身的遺傳變異,同樣也是造成區(qū)域物種遺傳多樣性水平變化的重要原因。綜合發(fā)現(xiàn),洪澤湖克氏原螯蝦群體遺傳多樣性最豐富,最適合作為人工選育的親本來源。除此外,還可通過建立適當(dāng)規(guī)模的克氏原螯蝦種質(zhì)資源保護區(qū),進而有效地留住野生種資源。與之前研究相比,雖說存在采樣點經(jīng)緯度上微弱的差異,但產(chǎn)生的結(jié)果卻是一致的,即我國大型淡水湖泊內(nèi)克氏原螯蝦野生種群的遺傳多樣性豐富,可進一步為良種選育提供優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源。一般來說,外來引進物種常受瓶頸效應(yīng)和遺傳漂變作用影響,生物多樣性會有所降低[22],外來引入的克氏原螯蝦可能經(jīng)過多次雜交及人為的多次引入,造成自身遺傳多樣性不降反升,這一問題需要引起重點關(guān)注。

        3.2 我國克氏原螯蝦群體分化現(xiàn)象嚴重

        克氏原螯蝦的引入至今已有60~70年,喜攀爬使其很容易從當(dāng)前水體跨越進入其他水體,進而同其他水體的相同物種進行長期雜交,加上受到不同的空間水文影響、山川河流阻隔,為群體間的分化創(chuàng)造了條件。除此,人為引種也會加劇原本親緣關(guān)系相近的物種在不同區(qū)域的分布[23]。

        本研究采用14個多態(tài)位點對6個地域的克氏原螯蝦分析測試發(fā)現(xiàn),各群體均存在顯著的雜合子不足現(xiàn)象。雜合子不足現(xiàn)象多由物種間非隨機交配或近親雜交引起,常見于多個物種間[24]。其中,近親雜交在克氏原螯蝦的群體內(nèi)極為普遍。首先,幼年蝦體初期會附著于母體腹部尋求庇護,此期間內(nèi)親緣關(guān)系相近的幼蝦會發(fā)生近交現(xiàn)象。更重要的是,受市場需求刺激,大規(guī)模的捕撈引起野生種群數(shù)量銳減,種群世代間基因比例波動大。非隨機交配和近交結(jié)果導(dǎo)致了所有檢測位點在所有群體中均偏離哈代溫伯格平衡,僅有少數(shù)位點在單一群體滿足哈代溫伯格平衡,這說明群體間已經(jīng)出現(xiàn)基因型的分化差異。分化的原因可能源于為了適應(yīng)環(huán)境變化的壓力。除此之外,克氏原螯蝦作為一種經(jīng)濟水產(chǎn)作物,近些年養(yǎng)殖規(guī)模逐漸擴大,人工養(yǎng)殖區(qū)域和密度日益增加,而大型淡水湖泊恰好提供了適合進行克氏原螯蝦養(yǎng)殖的天然理想化場所,再經(jīng)長期的地理隔離效應(yīng),已形成相對獨立的類群。

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        收稿日期:2022-04-13

        資助項目:中國水產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(編號:2022XT01);江蘇省種業(yè)振興“揭榜掛帥”項目(編號:JBGS[2021]123);中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心基本科研業(yè)務(wù)費項目(編號:2021JBFM21)。

        作者簡介:高 楊(1997—),男,安徽銅陵人,碩士研究生,研究方向為水產(chǎn)動物遺傳育種。E-mail:1463455739@qq.com。

        通信作者:蘇勝彥,博士,副研究員,研究方向為蝦蟹遺傳育種,E-mail:ouhaicourse@hotmail.com;朱 健,博士,研究員,研究方向為水產(chǎn)動物遺傳育種和水產(chǎn)養(yǎng)殖,E-mail:zhuj@ffrc.cn。

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