孫典榮李 淵李文濤高天翔
(1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所, 廣州 510300; 2. 中國海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所, 青島 266003)
大葉藻居群微衛(wèi)星遺傳多樣性研究
孫典榮1李 淵2李文濤2高天翔2
(1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所, 廣州 510300; 2. 中國海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所, 青島 266003)
采用4對微衛(wèi)星引物對大葉藻的7個地理居群進(jìn)行了遺傳多樣性與遺傳結(jié)構(gòu)分析。擴(kuò)增148株大葉藻得到57個等位基因, 每個位點(diǎn)平均等位基因數(shù)為6, 大葉藻居群的平均期望雜合度(He)為0.687, 平均觀測雜合度(Ho)為0.417。青島灣居群的遺傳多樣性最高(A=7.750, AR=7.043), 俚島居群最低(A=4.750, AR=4.543)。從Fst值來看, 7個大葉藻居群間屬于中度分化。UPGMA系統(tǒng)發(fā)育樹顯示, 中國4個大葉藻居群聚類到一起,其遺傳分化可能是由于歷史大海草場的遺留小片段居群產(chǎn)生, 而中國、韓國、日本和愛爾蘭居群間的遺傳分化則主要是由于地理隔離造成的。自由交配估計(jì)結(jié)果支持海草的東亞起源說。青島灣居群遺傳多樣性較高,可優(yōu)先作為大葉藻移植修復(fù)的材料和基因庫, 并進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。
大葉藻; 居群; 微衛(wèi)星; 遺傳多樣性; 遺傳結(jié)構(gòu)
大葉藻(Zostera marina L.)是北半球廣泛分布的一種海草, 能生長在亞熱帶到冷溫帶, 甚至是亞寒帶的沿岸淺水區(qū)[1]。大葉藻可為一些重要的經(jīng)濟(jì)魚類、貝類、棘皮動物等提供直接的食物來源、棲息場所、隱蔽場所和育幼場, 還能緩沖洋流和潮汐對海底基質(zhì)的擾動, 并且從洋流中過濾懸濁物和營養(yǎng)物質(zhì), 其根和根狀莖生長在沉淀物中, 具有穩(wěn)定海底沉積物的作用, 從而改善海水的透明度[2,3]。由于大葉藻對水質(zhì)的敏感性, 因此可以作為沿海水域環(huán)境的指示劑。1930年, 世界范圍的大葉藻海草場經(jīng)歷了“枯萎病”, 導(dǎo)致大葉藻幾近滅絕, 而如今世界范圍內(nèi)的大葉藻海草床嚴(yán)重退化[4,5], 許多地方的大葉藻居群正承受著環(huán)境和基因的雙重壓力, 出現(xiàn)了一些頂梢枯死的現(xiàn)象[5], 我國的大葉藻海草床亦未能幸免[6]。
隨著分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用, 關(guān)于大葉藻的遺傳學(xué)分析有了更為深入的研究[7]。同工酶研究結(jié)果顯示, 大葉藻居群等位酶變異較少, 并不能提供足夠的信息量, 不能清楚地反映大葉藻居群遺傳分化、遺傳結(jié)構(gòu)與其生殖策略和空間分布的關(guān)系[5,8,9]。因此, 大葉藻居群的遺傳結(jié)構(gòu)有待于應(yīng)用多態(tài)性和靈敏度更高的分子標(biāo)記進(jìn)行探討。微衛(wèi)星(SSR)標(biāo)記具有多態(tài)性高、突變快、雜合度高、共顯性等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于海洋生物遺傳多樣性研究[10]。迄今,國外學(xué)者利用SSR標(biāo)記開展了一些大葉藻居群遺傳學(xué)研究。Reusch[11]利用SSR技術(shù)對瓦倫登海和波羅的海兩個海域的大葉藻進(jìn)行相關(guān)性研究, 發(fā)現(xiàn)瓦倫登海海域大葉藻的有效種群較大, 且居群間基因交流較頻繁; Olsen, et al.[3]對北半球49個大葉藻居群進(jìn)行了SSR研究, 探討了大葉藻的歷史傳播途徑,并發(fā)現(xiàn)北歐海域的大葉藻遺傳多樣性較高; Campanella, et al.[5]利用SSR標(biāo)記技術(shù)對新澤西巴尼加特灣8個大葉藻居群進(jìn)行了遺傳學(xué)研究, 并以此判斷適合作為移植修復(fù)的居群; Oetjen, et al.[12]開發(fā)了15對大葉藻SSR引物, 并結(jié)合SNP分子標(biāo)記對瓦倫登海域大葉藻居群的特定生境選擇進(jìn)行了研究。目前, 國內(nèi)尚未見到對海草尤其是大葉藻居群遺傳學(xué)研究的相關(guān)報(bào)道。本研究采用4對SSR引物, 對7個不同地理居群的大葉藻遺傳多樣性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果不僅可為我國大葉藻資源現(xiàn)狀的評價(jià)、管理和移植修復(fù)提供遺傳背景資料和科學(xué)依據(jù), 同時(shí)也將充實(shí)海草保護(hù)遺傳學(xué)資料, 對于有類似分布和生物學(xué)特性的其他海草類群也具有重要的借鑒和參考價(jià)值。
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
本研究所用大葉藻樣品分別采自中國的威海俚島、威海天鵝湖、青島灣、大連近海以及日本東京灣、韓國內(nèi)浦和愛爾蘭克萊爾郡近海(圖1)。樣品采集后用海水洗凈, 取新鮮葉片放入裝有硅膠的離心管中, 或?qū)⑿迈r樣品浸于海水直接帶回實(shí)驗(yàn)室。采樣時(shí), 為確保所采樣品為不同植株, 植株間隔至少在2 m以上。每個地點(diǎn)隨機(jī)采取24株植株, 7個居群共168株大葉藻樣品。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
基因組DNA提取 取適量大葉藻新鮮葉片或干燥葉片, 參照Ban[13]的CTAB(Cetyltrimenthylammonium bromide)法并加以改良來提取基因組DNA,將乙醇沉淀后的基因組DNA溶解于100 μL蒸餾水中, 4℃保存?zhèn)溆谩H√崛〉腄NA 3 μL用1.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測, 以備之后的PCR擴(kuò)增。
微衛(wèi)星分析 在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 本研究選用了4對多態(tài)性較高的微衛(wèi)星引物[14,15], DNA擴(kuò)增按照各引物的PCR反應(yīng)條件和程序進(jìn)行。PCR反應(yīng)體積為10 μL, 各反應(yīng)均設(shè)陰性對照以檢查是否有DNA污染。取1.5 μL擴(kuò)增產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測, 并以核酸分子量標(biāo)準(zhǔn)Marker作對照, 在紫外透射分析儀上檢測所需的目的條帶, 8%變性聚丙烯酰胺凝膠膠上電泳分型、銀染和顯影。
1.3 數(shù)據(jù)分析
使用POPGENE軟件計(jì)算等位基因數(shù)(A)、觀測雜合度(Ho)、期望雜合度(He)。使用GENEPOP軟件進(jìn)行Hardy-Weinberg平衡檢驗(yàn)與連鎖不平衡檢驗(yàn)。所有多重檢驗(yàn)的顯著性標(biāo)準(zhǔn)用連續(xù)Bonferroni法進(jìn)行校正。根據(jù)Bostein, et al.[16]方法和等位基因豐富度(Allelic richness, AR), 應(yīng)用MS tools工具計(jì)算獲得多態(tài)信息含量PIC(Polymorphism Information Content)。用MICRO-Checker軟件評估每個位點(diǎn)的無效等位基因。
利用軟件FSTAT對兩兩群體間的遺傳分化指數(shù)Fst進(jìn)行量化分析, 并對其進(jìn)行顯著性多重檢驗(yàn)。利用MEGA 4.1構(gòu)建UPGMA系統(tǒng)樹, 重復(fù)計(jì)算10000次獲得各分支的支持率。運(yùn)用STRUCTURE軟件推導(dǎo)最可能自由交配群。
圖1 大葉藻采樣地點(diǎn)Fig. 1 Sampling sties of Z. marina
2.1 居群遺傳多樣性
對大葉藻居群的微衛(wèi)星分析結(jié)果表明, 148株大葉藻個體檢測到57個等位基因, 7個居群的大葉藻在4個微衛(wèi)星位點(diǎn)上等位基因數(shù)為2—14, 每個位點(diǎn)平均等位基因數(shù)為6, 多態(tài)性適中(表1)。平均觀測雜合度為0.417, 平均期望雜合度0.687。各位點(diǎn)觀測雜合度(Ho)在0.330(CT-3)—0.517(CT-17H)變化, 各居群的Ho范圍在0.283(天鵝湖居群)—0.538 (愛爾蘭克萊爾郡居群); 各位點(diǎn)期望雜合度(He)為0.528 (CT-35)—0.8131(CT-17H), 各居群的He范圍為0.240(天鵝湖居群)—0.910(愛爾蘭克萊爾郡居群)。Fis值范圍在?0.135(CT-35)—0.823(CT-17H)。等位基因豐富度(AR)在各居群的范圍為4.543—7.043, 俚島居群最低, 最高值出現(xiàn)在青島灣居群, 平均AR值為5.727。以青島灣居群的遺傳多樣性最高(A=7.750, AR=7.043), 俚島居群最低(A=4.750, AR=4.543)。
根據(jù)各位點(diǎn)等位基因在7個大葉藻居群中的分布頻率(數(shù)據(jù)未顯示), 發(fā)現(xiàn)CT-35位點(diǎn)等位基因CT-35-3和CT-35-7—13與群體具有顯著的相關(guān)性(列聯(lián)表檢驗(yàn)P<0.01)。CT-35-3在北太平洋區(qū)域的6個居群(中國、韓國和日本居群)相對其他等位基因具有較高頻率(31.251%—86.362%), 而CT-35-9—13只在北大西洋區(qū)域的愛爾蘭居群中存在, CT-35-7—8同樣在愛爾蘭居群中具有較高頻率(圖2)。
表1 大葉藻7個居群4個微衛(wèi)星位點(diǎn)的遺傳多樣性指標(biāo)Tab. 1 Genetic diversity indices for four microsatellite loci in seven populations of Z. marina
2.2 遺傳結(jié)構(gòu)分析
圖2 CT-35等位基因在7個大葉藻居群中的頻率分布圖Fig. 2 Frequency distribution of allele CT-35 in seven populations of Z. marina
表2 大葉藻兩兩群體間FstTab. 2 Pairwise Fstamong populations of Z. marina
結(jié)果顯示, 大葉藻7個地理居群間存在明顯的遺傳分化(表2)。從Fst數(shù)值來看, 青島與大連居群間最小, 為0.051; 最大值為0.261, 出現(xiàn)在天鵝湖與愛爾蘭克萊爾郡居群之間; 國內(nèi)居群Fst最大值出現(xiàn)在天鵝湖和大連居群間, 為0.189; 國內(nèi)居群與國外居群Fst最小值出現(xiàn)在大連和韓國內(nèi)浦居群間, 為0.110。從Fst顯著性來看, 極顯著值(P<0.01)出現(xiàn)在俚島與天鵝湖、韓國內(nèi)浦、日本東京灣、愛爾蘭克萊爾郡居群間, 天鵝湖與青島灣、日本東京灣、愛爾蘭克萊爾郡居群間, 青島灣與大連、韓國內(nèi)浦、愛爾蘭克萊爾郡居群間, 大連與韓國內(nèi)浦、愛爾蘭克萊爾郡居群間, 韓國內(nèi)浦與日本東京灣居群間。俚島與青島灣、大連居群間, 青島灣與日本東京灣居群間, 韓國內(nèi)浦與愛爾蘭克萊爾郡居群間差異顯著(P<0.05)。
利用MEGA 4.1構(gòu)建的UPGMA系統(tǒng)樹顯示:青島和大連兩居群先聚類, 然后與俚島和天鵝湖居群聚類; 國內(nèi)大葉藻居群與韓國內(nèi)浦大葉藻聚類后,再與日本東京灣居群聚到一起, 最后與北大西洋區(qū)的愛爾蘭居群聚類(圖3)。
圖3 基于7居群大葉藻間遺傳距離構(gòu)建的UPGMA樹Fig. 3 UPGMA tree based on genetic distance of seven Z. marina populations
2.3 自由交配估計(jì)
運(yùn)用STRUCTURE軟件, 根據(jù)等位基因頻率不相關(guān)假設(shè)(Allele frequencies independent assumption)[17], 總樣本的預(yù)測自由交配組數(shù)為K=2(圖4)。基于微衛(wèi)星分子標(biāo)記的個體分配模式顯示, 國內(nèi)4個大葉藻居群(俚島、青島灣、大連和天鵝湖)的絕大部分(87%以上)被分配在二號自由交配群(圖4,灰色部分; 表3), 尤其是俚島居群, 96.8%被分配到二號自由交配群; 國外3個大葉藻居群(韓國內(nèi)浦、日本東京灣和愛爾蘭克萊爾郡)的絕大部分(76%以上)被分配在一號自由交配群(圖4, 黑色部分; 表3),尤其是愛爾蘭克萊爾郡居群, 幾乎全部(98.6%)被分配于一號自由交配群。
物種的遺傳多樣性是長期進(jìn)化的產(chǎn)物, 是其生存適應(yīng)和發(fā)展進(jìn)化的前提[18]。物種遺傳多樣性越高或遺傳變異越豐富, 對環(huán)境變化的適應(yīng)能力就越強(qiáng)[19];反之, 具有較低遺傳多樣性的物種則更容易受到環(huán)境變化的影響。因此, 通過遺傳多樣性研究, 除了可以了解物種的進(jìn)化歷史, 也可以為分析物種的進(jìn)化潛力和預(yù)測物種發(fā)展方向提供重要依據(jù)。
本研究基于微衛(wèi)星分子標(biāo)記對中國、韓國、日本和愛爾蘭7個居群的大葉藻遺傳多樣性進(jìn)行了分析, 由于所承受的環(huán)境壓力不同(如: 海流、溫度、底質(zhì)、光照、其他藻類的繁殖競爭等), 各居群表現(xiàn)出不同的遺傳多樣性及不同的遺傳結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示, 7個大葉藻居群觀測雜合度(0.283—0.538)明顯低于期望雜合度(0.621—0.793), 表明7個大葉藻居群間交流很少, 自交或者無性生殖過多。對于大葉藻而言, 這種現(xiàn)象較為常見。Campanella, et al.[5,20]在對新西蘭巴尼加特灣和西大西洋沿海的大葉藻居群研究中也得到相同的結(jié)果; 而Reusch, et al.[15]則得到觀測雜合度與期望雜合度相差不大的結(jié)果。等位基因豐富度高意味著適應(yīng)能力更強(qiáng), 與其他居群交流頻繁[20]。7個大葉藻居群的平均等位基因豐富度為5.727, 低于西大西洋沿海(6.3)[20], 而高于加拿大海域(4)[3]居群。多態(tài)信息含量(PIC)最初用于連鎖分析主要是對基因多態(tài)性的估計(jì), 現(xiàn)常用于表示微衛(wèi)星DNA的變異程度, 反映微衛(wèi)星位點(diǎn)多態(tài)性的高低。Botstein, et al.[21]首先提出了衡量基因變異程度的多態(tài)信息含量指標(biāo): 當(dāng)PIC>0.500時(shí), 表明該位點(diǎn)具有高度多態(tài)性; 當(dāng)0.250 圖4 基于4個微衛(wèi)星位點(diǎn)運(yùn)算得到的7個大葉藻居群的STRUCTURE條形圖(K=2)Fig. 4 Structure bar plots (K=2) from four microsatellite loci for seven populations of Z. marina. 表3 分配模式檢驗(yàn)得到的7個大葉藻居群在2個自由交配群中的分布比例Tab. 3 Proportion of seven populations of Z. marina in each two inferred clusters 大葉藻同時(shí)具有有性生殖和無性生殖兩種生殖策略, 但是大量研究證明大葉藻只進(jìn)行有限的有性生殖, 這樣就限制了花粉的雜交, 基因的流動[22]。在有關(guān)大葉藻的研究調(diào)查中, 自交現(xiàn)象幾乎出現(xiàn)在每一個地點(diǎn)的居群中, 雜交的機(jī)率很小[3,5,15,20]。Campanella, et al.[5]提出大葉藻雜合度較低, 居群內(nèi)自交高于雜交的特征似乎已經(jīng)適應(yīng)了它的生活環(huán)境,盡管至今尚無實(shí)驗(yàn)完全證明這一觀點(diǎn), 但是Palstra和Ruzzante[23]的確觀察到大葉藻居群大小大于最小理論有效居群大小。Wright[24]提出了Fst值分化程度范圍: 0.050 由自由交配估計(jì)(圖4)可以看出, 國內(nèi)4個大葉藻居群幾乎全部被分配在二號自由交配群中, 與中國居群地理距離越遠(yuǎn)的居群被分配到二號自由交配群的比例越少, 以致愛爾蘭居群幾乎全被分配到一號自由交配群中。由UPGMA樹也可以看出, 中國大葉藻居群首先聚類, 與韓國內(nèi)浦居群聚類后, 再與日本東京灣居群聚類, 最后與愛爾蘭克萊爾郡居群聚類, 這與自由交配估計(jì)結(jié)果相吻合。西北太平洋海域的海草物種多樣性非常高, 在之前的大葉藻起源的探討中, 就曾有學(xué)者提出海草的東亞起源說[1,25,26]。由自由交配估計(jì)可以看出亞洲居群幾乎全部屬于二號自由交配群, 隨著地理距離的增加,二號自由交配群的比例大幅下降, 這一結(jié)果間接支持了海草東亞起源說。 目前, 盡管大葉藻的擴(kuò)散途徑并不十分明確,但中國大葉藻與其他居群分屬不同的進(jìn)化支, 遺傳距離較大, 基因流水平很低, 海運(yùn)活動并不能促使中國、韓國、日本和愛爾蘭大葉藻居群間的基因交流, 據(jù)此推測地理隔離造成了大葉藻居群間的遺傳差異, 長時(shí)間的獨(dú)立進(jìn)化和相互間缺乏基因流進(jìn)而導(dǎo)致其分化。目前, 已有很多研究證實(shí)了地理隔離造成遺傳分化[13,27—31]。國內(nèi)4個大葉藻居群并未表現(xiàn)出地理距離與遺傳的相關(guān)性, 可能是由于山東半島和遼東半島以前是一大片連續(xù)的海草場, 而青島灣和大連居群則是大海草場退化后的小片段居群,保留了更多的原始遺傳結(jié)構(gòu)信息[3,32,33], 在小片段居群恢復(fù)期間, 受各自周邊復(fù)雜的水文棲息環(huán)境影響, 導(dǎo)致其發(fā)生不同的奠基者效應(yīng)、瓶頸效應(yīng)和遺傳漂變[5]。 微衛(wèi)星標(biāo)記的高變異率賦予其很強(qiáng)的檢測細(xì)微居群空間分化的能力[34]。在資源管理保護(hù)時(shí), 微小的居群陽性分化對資源的安全具有重大意義。分辨率強(qiáng)而且可靠性高的微衛(wèi)星標(biāo)記研究適合于大葉藻資源管理, 但目前關(guān)于大葉藻的微衛(wèi)星引物很少,而且并不一定都適用, 需開發(fā)新的微衛(wèi)星標(biāo)記。此外, 本研究所用的7個大葉藻居群地理跨度較大,雖然能反映一定的遺傳信息, 但由于沒有在大葉藻的分布范圍內(nèi)連續(xù)采樣, 并不清楚大葉藻的擴(kuò)散路徑及整體的遺傳結(jié)構(gòu)特征。因此, 今后有必要增加樣品數(shù)量, 開發(fā)新的微衛(wèi)星引物。 McKay, et al.[35]認(rèn)為, 由于海草移植引進(jìn)新的基因型或者單倍型, 可能造成兩方面的遺傳污染(Genetic pollution)。首先, 引入新的基因型或者單倍型可能產(chǎn)生較大的遺傳壓力, 導(dǎo)致海草移植修復(fù)的失敗。其次, 新引入的基因型植株可能在短時(shí)期內(nèi)大量繁殖, 使早已適應(yīng)本地環(huán)境的土著植株銳減,同樣沒有達(dá)到移植修復(fù)提高遺傳多樣性的目的; 而且不同的基因型植株都有不同的生活史, 其適應(yīng)環(huán)境不同, 新引進(jìn)的基因型植株可能并不適應(yīng)新的生長環(huán)境, 致使成活率低下, 甚至全部死亡[36]。從本地環(huán)境中引入移植修復(fù)植株是至關(guān)重要的, 但是不能在不同地點(diǎn)間進(jìn)行簡單的移植, 這樣可維持自然居群的遺傳結(jié)構(gòu)。遺傳多樣性是移植中需要考慮的一個重要因素, 多樣性較低則可能不足以應(yīng)對外間環(huán)境和繁殖策略的變化; 相反, 較高的遺傳多樣性可以應(yīng)對外界環(huán)境的變化, 并且減少自交的幾率。大葉藻移植修復(fù)時(shí), 應(yīng)該采用遺傳多樣性高的本地居群, 并對遺傳多樣性低的居群進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。 致謝: 感謝江鑫博士、胡自民博士、郭棟、吳忠鑫以及日本東京大學(xué)小松輝久教授在樣品的采集過程中給予的極大幫助。 [1] den Hartog C. 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The mean expected heterozygosity (He) and observed heterozygosity (Ho) across all populations were 0.687 and 0.417, respectively, and a higher level of diversity was found in the population from the Qingdao Bay (A=7.750, AR=7.043) than other populations. The minimum Fstvalue was 0.051 between the populations from the Qingdao Bay and Dalian. The maximum Fstvalue was 0.261 between the populations from Tian’ehu and Finavarra. The Fstvalues suggested moderate genetic differentiation within most of the Z. marina populations. From the UPGMA tree, four populations in China (Lidao, Tian’ehu, Qingdao Bay and Dalian) clustered together, and the genetic relationships may be attributed to eelgrass meadow fragmentation. The geographic distance was responsible for the genetic differentiation from large-scale among populations in China (Lidao, Tian’ehu, Qingdao Bay and Dalian), Korea (Naepo), Japan (Tokyo Bay) and Ireland (Finavarra). Results of possible number of clusters supported that this seagrass species originated from East Asia. The population from the Qingdao Bay has higher genetic diversity, suggesting that populations in this region demand prioritized conservation and utilization for breeding programs. Zostera marina; Population; Microsatellite; Genetic diversity; Genetic structure Q346 A 1000-3207(2013)01-0082-08 10.7541/2013.82 2011-10-24; 2012-10-09 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201105005); 國家自然科學(xué)基金(30700615)資助 孫典榮(1973—), 男, 廣東揭陽市人; 副研究員; 研究方向?yàn)楹Q鬂O業(yè)與海洋生態(tài)研究。Tel: 020-89108341; E-mail: drsun73@163.com 高天翔, E-mail: gaozhang@ouc.edu.cn
(1. South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Guangzhou 510300, China; 2. Institute of Evolution and Marine Biodiversity, Ocean University of China, Qingdao 266003, China)