亞科棒花魚屬魚類的分類與系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

何 歡 李玉火 曹 愷 李明月 傅萃長

(復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)院生物多樣性科學(xué)研究所, 生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200438)

亞科棒花魚屬魚類的分類與系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

何 歡 李玉火 曹 愷 李明月 傅萃長

(復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)院生物多樣性科學(xué)研究所, 生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200438)

逗亞科棒花魚屬魚類的分類與系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系尚未解決。研究選擇線粒體Cyt b基因和核基因RAG1、MLH3及MSH6作為分子標(biāo)記, 重建了棒花魚屬魚類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系, 并結(jié)合形態(tài)證據(jù)對該屬魚類進(jìn)行了分類厘定。結(jié)果表明: 棒花魚與鈍吻棒花魚是單系種。拉林棒花魚與遼寧棒花魚是并系種, 一起形成單系群。拉林棒花魚+遼寧棒花魚一起嵌套在小鰾逗屬魚類內(nèi)部, 鈍吻棒花魚嵌套在片唇逗屬魚類內(nèi)部。拉林棒花魚+遼寧棒花魚+鈍吻棒花魚+片唇逗屬+胡逗屬+小鰾逗屬+琵琶逗屬魚類組成單系群, 它們一起與棒花魚形成姊妹群關(guān)系。可量性狀與可數(shù)性狀均不能區(qū)分拉林棒花魚和遼寧棒花魚。結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系與形態(tài)證據(jù),棒花魚屬魚類的分類厘定如下: 棒花魚屬魚類包括棒花魚和平江棒花魚(未取樣); 遼寧棒花魚是拉林棒花魚的同物異名, 后者的分類位置有待進(jìn)一步校訂; 鈍吻棒花魚校訂為鈍吻片唇逗。

鯉科; 逗亞科; 棒花魚屬; 片唇逗屬; 小鰾逗屬; 系統(tǒng)發(fā)育

依據(jù)Tang等[1]建立的鯉科(Cyprinidae)逗亞科(Gobioninae)魚類分類系統(tǒng), Jiang和Zhang[2]進(jìn)一步把逗族(Gobionini)劃分為逗亞族(Gobionina)、鰍鰥亞族(Gobiobotiina)與似刺蛇逗亞族(Armatogobionina)。其中, 似刺蛇逗亞族包括7個(gè)屬[2]: 似逗屬(Pseudogobio)、蛇逗屬(Saurogobio)、棒花魚屬(Abbottina)、胡逗屬(Huigobio)、片唇逗屬(Platysmacheilus)、琵琶逗屬(Biwia)與小鰾逗屬(Microphysogobio)。先前放在逗族的突吻逗屬(Rostrogobio)是小鰾逗屬的同物異名[1]。似刺蛇逗亞族魚類中, 棒花魚屬魚類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系以及分類爭議尚未很好地解決。

棒花魚屬包括5種魚類[3]: 棒花魚[Abbottina rivularis (Basilewsky, 1855)], 模式地是中國北方,廣泛分布于東亞地區(qū)各主要水系; 鈍吻棒花魚[Abbottina obtusirostris(Wu & Wang, 1931)], 模式地是四川成都, 分布于長江上游水系; 遼寧棒花魚(Abbottina liaoningensis Qin, 1987), 模式地是遼寧營口、丹東, 分布于遼河與鴨綠江水系; 拉林棒花魚(Abbottina lalinensis Huang & Li, 1987), 模式地是黑龍江省五常市, 分布于黑龍江流域松花江水系;平江棒花魚(Abbottina binhi Nguyen, 2001), 模式地越南平江河(流入我國稱為水口河), 分布于珠江流域西江水系左江。

棒花魚屬魚類的分類爭議主要包括2方面: (1)拉林棒花魚和遼寧棒花魚是否為同物異名。樂佩琦[4]描述棒花魚屬魚類時(shí)沒有提及拉林棒花魚。解玉浩[5]把拉林棒花魚作為遼寧棒花魚的同物異名, 但并沒有提供校訂依據(jù)。(2)鈍吻棒花魚的分類歸屬有待進(jìn)一步證實(shí)。B?n?rescu和Nalbant[6,7]與B?n?rescu[8]將鈍吻棒花魚放在小鰾逗屬, 而羅云林等[9]與樂佩琦[4]將鈍吻棒花魚放在棒花魚屬。

基于頭部側(cè)線與骨骼特征的逗亞科魚類系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究, Hosoya[10]認(rèn)為棒花魚屬是似逗屬的姐妹群。俞利榮和樂佩琦[11]使用外部與骨骼特征對似逗類(=似刺蛇逗亞族)魚類進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究, 結(jié)果表明棒花魚屬是琵琶逗屬+胡逗屬+片唇逗+小鰾逗屬+突吻逗屬魚類的姊妹群, 它們一起與蛇逗屬魚類形成姊妹群關(guān)系。Yang等[12]與Liu等[13]使用線粒體細(xì)胞色素b基因?qū)Χ簛喛启~類進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究, 揭示棒花魚屬和蛇逗屬是姊妹群關(guān)系, 它們一起與似逗屬+胡逗屬+突吻逗屬+片唇逗屬+小鰾逗屬+琵琶逗屬魚類形成姊妹群關(guān)系。Tang等[1]使用線粒體細(xì)胞色素b與細(xì)胞色素氧化酶COⅠ基因和核基因Rag1與Rhodopsin對逗亞科魚類進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究,他們的研究發(fā)現(xiàn)棒花魚屬魚類是琵琶逗屬+胡逗屬+片唇逗屬+小鰾逗屬魚類的姊妹群, 它們一起與蛇逗屬魚類形成姊妹群關(guān)系。上述基于形態(tài)證據(jù)與分子證據(jù)的逗亞科魚類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究只探討了棒花魚屬魚類的系統(tǒng)發(fā)育位置, 沒有涉及棒花魚屬魚類種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。

本研究選擇線粒體細(xì)胞色素b基因(Cyt b), 核基因重組激活基因1(RAG1)、錯(cuò)配修復(fù)蛋白MutL基因3(MLH3)與錯(cuò)配修復(fù)蛋白MutS基因6(MSH6)作為分子標(biāo)記, 重建了棒花魚屬魚類種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系, 并結(jié)合形態(tài)證據(jù)對該屬魚類進(jìn)行了分類厘定。

1 材料與方法

1.1 物種取樣和分子標(biāo)記

本研究采集了棒花魚屬魚類4種31尾(表 1), 包括黑龍江、遼河、海河、黃河、長江和珠江水系的棒花魚13尾; 黑龍江水系的拉林棒花魚4尾; 鴨綠江和遼河水系的遼寧棒花魚7尾; 長江上游水系的鈍吻棒花魚7尾。同時(shí), 還包括了胡逗屬、片唇逗屬、琵琶逗屬、小鰾逗屬、蛇逗與似逗屬魚類15種23尾(表 1)。選擇了2種逗屬魚類作為外類群。分子標(biāo)記選擇線粒體基因Cyt b和核基因RAG1、MLH3及MSH6。

表 1 種名、采樣地點(diǎn)、個(gè)體編號(hào)及GenBank登錄號(hào)Tab.1 Species, sampling sites, code and GenBank accession number of all individuals

續(xù)表1

1.2 DNA提取、PCR擴(kuò)增與測序

采用高鹽法[14]從95%酒精保存的肌肉組織中提取全基因組DNA。PCR擴(kuò)增引物[15,16]見表 2, 反應(yīng)條件如下: 94℃預(yù)變性5min; 94℃變性50s, 52℃退火60s或者50s, 72℃延伸70s或者60s; 循環(huán)40或者35次; 72℃最后延伸8min。PCR產(chǎn)物純化后在ABI 3730 DNA測序儀中使用擴(kuò)增引物進(jìn)行測序。

1.3 序列對位與系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重建

基因的序列對位在DAMBE ver.5.6.7軟件[17]中完成, 包括3個(gè)步驟: (1)將核苷酸序列翻譯成氨基酸序列; (2)使用Clustal W算法對位氨基酸序列[18]; (3)將對位好的氨基酸序列轉(zhuǎn)換為核苷酸序列。序列對位后排除插入或缺失區(qū)域?；虻姆肿犹卣饔?jì)算在MEGA ver.6.06軟件[19]中完成。采用線粒體基因數(shù)據(jù)集、核基因多位點(diǎn)數(shù)據(jù)集、線粒體與核基因聯(lián)合數(shù)據(jù)集進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的重建。按基因進(jìn)行分區(qū), 基于赤池信息準(zhǔn)則(AIC)選擇最適堿基替換模型, 在jModeltest ver.2.1.7軟件[20]中完成。使用Mrbayes ver.3.2.2軟件[21]進(jìn)行貝葉斯分析?；隈R爾可夫鏈蒙特卡羅(Markov chain Monte Carlo, MCMC)進(jìn)行2000萬代運(yùn)算, 取樣頻率為1000, 保證分離頻率平均標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.01。運(yùn)行完成后舍棄前1/4的取樣樹, 根據(jù)剩余的3/4取樣樹構(gòu)建50%的多數(shù)原則一致樹, 并計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率值。使用RAxML ver.7.2.6軟件[22]進(jìn)行最大似然法分析。在GTRGAMMA模型下進(jìn)行100次重復(fù)推算以搜索分值最高的最大似然樹并進(jìn)行1000次自展分析估計(jì)節(jié)點(diǎn)的支持度。

表 2 分子標(biāo)記擴(kuò)增使用的引物Tab.2 Primers for the amplification of molecular markers

使用*BEAST ver.2.3.0軟件[23]對線粒體與核基因聯(lián)合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 重建物種樹。選擇對數(shù)正態(tài)分布的松散鐘模型作為分子鐘模型, 樹的先驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)定為Yule過程。運(yùn)行4個(gè)獨(dú)立的重復(fù), MCMC代數(shù)設(shè)置為15000萬代, 取樣頻率為5000, 舍棄前1/5的樣本后獨(dú)立重復(fù)的log文檔和trees文檔在Log-Combiner ver.2.3.0軟件[23]中合并。利用Tracer ver.1.5軟件[24]估算合并后的log文檔參數(shù), 保證每個(gè)參數(shù)有效取樣大小超過200。最后, 在TreeAnnotator ver.2.3.0軟件[23]中生成最大譜系置信樹。

1.4 形態(tài)特征的計(jì)數(shù)與測量

可數(shù)性狀的計(jì)數(shù)依據(jù)陳宜瑜[25], 可量性狀的測量依據(jù)Kottelat和Freyhof[26](圖 1), 統(tǒng)一采用對魚體背部俯視方向的左側(cè)進(jìn)行計(jì)數(shù)與測量?？闪啃誀顢?shù)據(jù)的主成分分析在Past ver.1.90軟件[27]中完成。為消除異速生長的影響, 可量性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換(Log-transformed)并使用Burnaby方法進(jìn)行校正[28,29]。

2 結(jié)果

2.1 序列特征

本研究使用的Cyt b序列長度為1140 bp, 變異位點(diǎn)470個(gè)、簡約信息位點(diǎn)451個(gè); RAG1序列長度為1446 bp, 變異位點(diǎn)230個(gè)、簡約信息位點(diǎn)175個(gè); MLH3序列長度2139 bp, 變異位點(diǎn)558個(gè)、簡約信息位點(diǎn)419個(gè); MSH6序列長度2118 bp, 變異位點(diǎn)398個(gè)、簡約信息位點(diǎn)305個(gè)。GenBank登錄號(hào)信息見表 1。

圖 1 可量性狀示意圖(參考Kottelat & Jorg[26])Fig.1 The diagram of morphometric characters (referring to Kottelat & Jorg[26])

2.2 棒花魚屬魚類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

基于線粒體細(xì)胞色素b基因重建的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖 2)和基于核基因多位點(diǎn)聯(lián)合序列重建的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖 3)結(jié)果均顯示棒花魚與鈍吻棒花魚是單系種。拉林棒花魚與遼寧棒花魚是并系種, 它們一起形成一單系群?；诰€粒體細(xì)胞色素b基因與核基因多位點(diǎn)聯(lián)合序列重建的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖 4)與*BEAST物種樹(圖 5)樹形一致。一般認(rèn)為*BEAST物種樹比基因多位點(diǎn)聯(lián)合序列重建的系統(tǒng)發(fā)育樹更能準(zhǔn)確反映魚類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系[30—32]。因此, 以下僅描述*BEAST物種樹揭示的結(jié)果。

*BEAST物種樹(圖 5)揭示的廣義棒花魚屬魚類系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系為: 拉林棒花魚和遼寧棒花魚嵌套在小鰾逗屬魚類內(nèi)部, 它們一起形成一單系群(貝葉斯后驗(yàn)概率100%); 鈍吻棒花魚嵌套在片唇逗屬魚類內(nèi)部, 它們一起形成一單系群(貝葉斯后驗(yàn)概率93%), 鈍吻棒花魚與裸腹片唇逗形成姊妹群關(guān)系(貝葉斯后驗(yàn)概率100%); 拉林棒花魚+遼寧棒花魚+鈍吻棒花魚+片唇逗屬+胡逗屬+小鰾逗屬+琵琶逗屬魚類一起形成一單系群(貝葉斯后驗(yàn)概率100%), 它們一起和棒花魚形成姊妹群關(guān)系(貝葉斯后驗(yàn)概率100%)。

圖 2 基于Cyt b序列重建的棒花魚屬魚類貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.2 Bayesian tree of Abbottina fishes based on Cyt b sequence

圖 3 基于核基因多位點(diǎn)聯(lián)合序列重建的棒花魚屬魚類貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.3 Bayesian tree of Abbottina fishes based on concatenated sequences of nuclear loci

2.3 遼寧棒花魚與拉林棒花魚的形態(tài)特征比較

遼寧棒花魚與拉林棒花魚的可數(shù)性狀與可量性狀見表 3。結(jié)果表明兩種魚類可數(shù)性狀與可量性狀的每一個(gè)形態(tài)特征均相互重疊, 沒有不連續(xù)的分離。基于可量性狀的主成分分析結(jié)果亦表明不支持把遼寧棒花魚與拉林棒花魚劃分為兩個(gè)形態(tài)群(圖 6)。

3 討論

物種的進(jìn)化譜系概念認(rèn)為種是系統(tǒng)發(fā)育樹中單系群所代表的集合種群[33,34]。最近涉及物種界定的分類與系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究廣泛地采納物種的進(jìn)化譜系概念[35—37]。本研究基于線粒體與核基因多位點(diǎn)重建的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖 2—4)顯示拉林棒花魚與遼寧棒花魚一起形成單系群, 兩者相互之間是并系關(guān)系。采納物種的進(jìn)化譜系概念, 本研究結(jié)果表明拉林棒花魚與遼寧棒花魚為同一物種, 進(jìn)一步的形態(tài)特征分析支持它們是同種(表 3、圖 6)。由于拉林棒花魚新種發(fā)表于1987年4月[38], 遼寧棒花魚新種發(fā)表于1987年8月[39]。基于動(dòng)物命名法則的優(yōu)先原則, 遼寧棒花魚是拉林棒花魚的同物異名。*Beast物種樹(圖 5)揭示拉林棒花魚嵌套在小鰾逗屬魚類內(nèi)部, 它們一起形成單系群。拉林棒花魚的分類位置有待進(jìn)一步全面的小鰾逗屬魚類系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究后再確定。

B?n?rescu和Nalbant[6,7]與B?n?rescu[8]將鈍吻棒花魚放在小鰾逗屬, 而羅云林等[9]和樂佩琦[4]將鈍吻棒花魚放在棒花魚屬。本研究重建的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖 2—5)不支持他們各自的觀點(diǎn), 揭示了鈍吻棒花魚與裸腹片唇逗的姊妹群關(guān)系, 支持它與其他片唇逗屬魚類形成單系群?；诒狙芯康慕Y(jié)果, 為了保持片唇逗屬魚類作為單系群, 鈍吻棒花魚應(yīng)校訂為鈍吻片唇逗, 這將導(dǎo)致需要進(jìn)一步的研究校訂片唇逗屬的屬征。

圖 4 基于Cyt b和核基因多位點(diǎn)聯(lián)合序列重建的棒花魚屬魚類貝葉斯系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.4 Bayesian tree of Abbottina fishes based on concatenated sequences of Cyt b and nuclear loci

本研究重建的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系(圖 2—5)表明片唇逗屬+胡逗屬+琵琶逗屬+小鰾逗屬魚類一起是棒花魚的姊妹群。這與先前使用形態(tài)證據(jù)[11]或者多位點(diǎn)分子證據(jù)[1]的研究結(jié)果一致。由于棒花魚屬的模式種是棒花魚, 因此我們認(rèn)為嚴(yán)格意義棒花魚屬魚類包括棒花魚與平江棒花魚(未取樣)。先前研究描述的3個(gè)外部形態(tài)特征能很好地區(qū)分嚴(yán)格意義棒花魚屬魚類與它的姊妹群[4,11,40—42]: (1)“下唇側(cè)葉在中葉前方是否相連”這個(gè)形態(tài)特征能區(qū)分嚴(yán)格意義棒花魚屬魚類(下唇側(cè)葉在中葉前方相連)與片唇逗屬+胡逗屬+琵琶逗屬+小鰾逗屬魚類(下唇側(cè)葉在中葉前方不相連); (2)“口角須是否存在”這個(gè)形態(tài)特征能區(qū)分嚴(yán)格意義棒花魚屬魚類(無口角須)與琵琶逗屬魚類(有口角須); (3)“上下頜是否具角質(zhì)邊緣”這個(gè)形態(tài)特征能區(qū)分嚴(yán)格意義的棒花魚屬魚類(上下頜不具角質(zhì)邊緣)與片唇逗屬+胡逗屬+小鰾逗屬魚類(上下頜具角質(zhì)邊緣)。拉林棒花魚與鈍吻棒花魚具有“下唇側(cè)葉在中葉前方不相連”以及“上下頜具角質(zhì)邊緣”兩個(gè)形態(tài)特征, 表明它們不屬于嚴(yán)格意義棒花魚屬魚類。

表 3 遼寧棒花魚與拉林棒花魚的可數(shù)性狀與可量性狀Tab.3 Meristic and morphometric characters between Abbottina liaoningensis and A.lalinensis

圖 5 基于Cyt b和核基因多位點(diǎn)重建的棒花魚屬魚類*BEAST物種樹Fig.5 *BEAST species tree of Abbottina fishes based on Cyt b and nuclear loci

圖 6 拉林棒花魚和遼寧棒花魚的第一與第二主成分得分散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plots of scores on the first and second principal components of Abbottina lalinensis and A.liaoningensis

綜上所述, 棒花魚屬魚類包括棒花魚和平江棒花魚; 確認(rèn)遼寧棒花魚是拉林棒花魚的同物異名,后者的分類位置有待進(jìn)一步校訂; 揭示鈍吻棒花魚應(yīng)該歸入片唇逗屬, 并校訂為鈍吻片唇逗。本研究厘定了棒花魚屬魚類的分類, 為后續(xù)進(jìn)一步解析逗亞科逗族魚類的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系與生物地理學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

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TAXONOMY AND PHYLOGENETIC RELATIONSHIPS OF THE GENUS ABBOTTINA FISHES IN THE SUBFAMILY GOBIONINAE

HE Huan, LI Yu-Huo, CAO Kai, LI Ming-Yue and FU Cui-Zhang
(Ministry of Education Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering, Institute of Biodiversity Science and School of Life science, Fudan University, Shanghai 200438, China)

Taxonomy and phylogeny of the genus Abbottina fishes in the subfamily Gobioninae (Cypriniformes: Cyprinidae) remain unresolved.The current study utilized mitochondrial gene (cytochrome b) and nuclear loci (RAG1, MLH3 and MSH6) as molecular markers to reconstruct phylogenetic relationships of Abbottina fishes, and revised their classification by merging morphological evidence.The results showed that Abbottina rivularis and A.obtusirostris were monophyletic species.Abbottina lalinensis and A.liaoningensis were paraphyletic species, which formed a monophyletic group.Abbottina lalinensis+A.liaoningensis were nested within Microphysogobio fishes, and Abbottina obtusirostris was nested within Platysmacheilus fishes.Abbottina lalinensis+A.liaoningensis+A.obtusirostris+Platysmacheilus+Huigobio+Microphysogobio+Biwia fishes formed a monophyletic group, which were a sister taxon of Abbottina rivularis.Meristic and morphometric characters did not separate Abbottina lalinensis from A.liaoningensis.The molecular evidence and morphological evidence demonstrated that the genus Abbottina fishes include Abbottina rivulari and A.binhi (un-sampling in this study), and that Abbottina liaoningensis was a junior synonym of A.lalinensis, which needs further revision; and Abbottina obtusirostris was revised as Platysmacheilus obtusirostris.

Cyprinidae; Gobioninae; Abbottina; Platysmacheilus; Microphysogobio; Phylogeny

Q959.4

A

1000-3207(2017)04-0843-10

10.7541/2017.105

2016-04-28;

2016-08-25

國家自然科學(xué)基金(31471982)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China Science (31471982)]

何歡(1989—), 男, 四川德陽人; 碩士研究生; 主要從事魚類生態(tài)與進(jìn)化研究。E-mail: 13210700005@fudan.edu.cn

傅萃長, 教授, 博士生導(dǎo)師; E-mail: czfu@fudan.edu.cn