亚东鲑线粒体COⅠ与 COⅡ基因遗传多样性分析

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  摘要[目的] 分析亚东鲑线粒体COⅠ与 COⅡ基因遗传多样性。[方法] 分别从西藏亚东河与亚东鲑养殖站采集野生与养殖亚东鲑各15尾样品,对其线粒体DNA COⅠ、COⅡ基因全序列进行PCR扩增、测序比对。[结果]序列长度分别为631、634 bp。序列分析結果显示:30条亚东鲑线粒体DNA COⅠ 、COⅡ序列分别检测到1种、3种单倍型,均无碱基插入、缺失,COⅡ序列有2个位点出现碱基替换;COⅠ 、COⅡ序列T、C、A和G碱基平均含量分别为29.5%、28.97%,30.6%、28.47%,22.5%、27.03%和17.4%、15.53%,其中A+T的含量(52.0%、56.0%)均显著高于G+C含量(48.0%、44.0%),均表现出明显的碱基偏倚;COⅠ 、COⅡ单倍型多态性(h)与核苷酸多态性(π) 值分别为0、0.80与0、0.000 1;根据Kimura双参数模型构建基于线粒体COⅠ、COⅡ序列的系统进化树,两亚东鲑鱼遗传距离分别为0、0.002 4。[结论]西藏亚东鲑的遗传多样性水平较低,且养殖和野生群体无遗传分化。
  关键词亚东鲑;COⅠ基因;COⅡ基因;序列特征;遗传机制;遗传分化
  中图分类号S188文献标识码A文章编号0517-6611(2014)23-07710-04
  基金项目农业部公益性行业(农业)科研专项(201203086);国家自然科学基金项目(31272633,31201760);上海高校知识服务平台(ZF1206)。
  作者简介李福贵(1987-),男,江西赣州人,博士研究生,研究方向:水产养殖学。*通讯作者。
  收稿日期20140708亚东鲑(Salmo truttafraio Linne )属鲑形目、鲑科、鲑属,又名河鲑,是分布于我国西藏地区的一种冷水性经济鱼类,原产欧洲、非洲和西亚等地区,19世纪由英国人自欧洲引种,1992年被列入西藏自治区二级重点保护水生动物[1-6]。在西藏地区已有较大规模的亚东鲑人工养殖和繁殖。随着养殖规模的扩大,亚东鲑种质资源退化现象日趋严重。目前关于亚东鲑的研究主要涉及形态学、繁殖生物学和分子生物学等方面[4-11]。
  笔者测定了2个群体亚东鲑(各15尾)COⅠ、COⅡ基因序列,分别与其他几种鲑科鱼类相同基因同源序列进行比对和分析、构建进化树等,从基因水平上揭示自繁后代与野生群体的遗传变异,以期通过分析2个种群的遗传结构差异及多样性,探讨外来种在长期的高原环境压力下是否会发生显著性的遗传变化、基因漂变,为合理保护和利用亚东鲑自然种质资源提供科学依据和指导,也为提高亚东鲑养殖性状、培育优良品种累积数据。
  1 材料与方法
  1.1 试验材料所用30尾亚东鲑样品分别来源于西藏亚东河和西藏自治区亚东鲑养殖站,大西洋鲑、红点鲑、虹鳟COⅠ序列以及褐鳟、大鳞大麻哈鱼、北极红点鲑和虹鳟COⅡ序列均来自于GenBank,具体采样信息见。鱼鳍样品均用无水乙醇固定,于-20 ℃冰箱保存。
  1.2 COⅠ、COⅡ引物序列用于扩增亚东鲑COⅠ、COⅡ基因片段的通用引物由上海生工(Sangon)合成,引物序列YDCOⅠ-F:5’TCA ACC AAC CAC AAA GAC ATT GGC AC3’;YDCOⅠ-R:5’TAG ACT TCT GGG TGG CCA AAG AAT CA3’;YDCOⅡ-F:5’ATGGCACATCCCTCACAACTAGGATT3’;YDCOⅡ-R:5’AGGCATCTTCAAGTAGGATAGTGGATCA3’。
  1.3 基因组DNA提取、PCR扩增和测序试验前将鱼鳍从乙醇中取出,用蒸馏水洗净、吸水纸吸干、剪碎,按照海洋动物组织DNA抽提法(天根试剂盒)提取基因组DNA。用1.2%的琼脂糖凝胶电泳检测抽提DNA的质量和浓度。稀释DNA到合适浓度用于PCR扩增。选取6组退火温度(53、54、55、56、57、58 ℃)进行梯度PCR,最终确定55、56 ℃分别为最佳退火温度。PCR反应体积为50 μl,程序为:95 ℃预变性5 min,然后35循环(95 ℃变性35 s,54 ℃退火35 s,72 ℃延伸1 min)72 ℃再延伸10 min,4 ℃保存。以上反应均设置阴性对照排除DNA污染。PCR产物经1.2%琼脂糖凝胶电泳检测后,由上海生工完成测序。
  1.4 数据处理与分析将双向测序获得的序列进行拼接,然后在GenBank数据库中进行Blast同源性搜索,经验证确定为基因序列结果。利用MEGA 4.10软件进行序列排列,同时辅以人工较对,并进行序列比较和变异检测,确定变异位点和单倍型,采用DNA SP4.10软件计算单倍型多样性(Haplotype diversity,Hd)、核苷酸多样性(Nucleotide diversity,Pi)和核苷酸歧异度( Pairwise divergence)。用Arlequin3.01软件中的分子变异分析(AMOVA ) 方法估算遗传变异在群体间和群体内的分布,并计算群体间遗传分化系数(F-statistics,Fst) 及其显著性(重复次数1 000),群体间基因流计算公式:Nm=(1/Fst-1)/2。对测得序列碱基组成及序列间碱基替代数、差异位点进行统计分析,基于Kimura双因子参数模型构建NJ树,分析鲑科鱼类种间亲缘关系,并对所得系统树进行自展法检验1 000次重复。
  2 结果与分析
  2.1 COⅠ、COⅡ序列同源分析及变异位点比较PCR 扩增得到野生与自繁F1后代养殖亚东鲑30个个体清晰的COⅠ、COⅡ扩增带。经测序比对分别得到631、634 bp基因片段。与GenBank中其他鲑科鱼类mtDNA COⅠ、COⅡ序列进行Blast比对,相同基因片段的同源性分别达96%、92%以上。   种鲑科鱼类COⅡ基因片段变异位点比较30条COⅠ序列仅检测到1种单倍型,没有出现碱基的插入、缺失、替换。与大西洋鲑、红点鲑及虹鳟同源序列比对得到613 bp比对位点。35条同源序列共发现6种单倍型,其中野生和养殖亚东鲑30个体序列完全相同,共享一种单倍型。30条COⅡ序列检测到3种单倍型(野生2种,养殖1种),没有出现碱基的插入与缺失。与大西洋鲑及红点鲑COⅡ同源序列比对得到620 bp比对位点,共检测到92条(14.8%)变异位点。35条同源序列共发现8种单倍型,其中野生和养殖亚东鲑30个体序列有个别碱基差异,各有2种和1种单倍型,用ysyd1、ysyd2与yzyd表示;褐鳟2个体存在2种单倍型,用a1-2表示;大鳞大麻哈鱼1个体存在1种单倍型,用b1表示;北极红点鲑1个体存在1种单倍型,用c1表示;虹鳟1个体存在1种单倍型,用d1表示()。
  2.2 鲑科鱼类COⅠ、COⅡ碱基组成比较利用MEGA 5.05 软件分析COⅠ、COⅡ碱基组成见~3。从碱基组成的偏向性来看,G含量最低,A+T含量大于C+G含量,表现出明显的碱基偏倚,且鲑科鱼类COⅠ、COⅡ序列碱基含量特征均高度相似,这与脊椎动物线粒体DNA的特点相一致[12]。
  2.3 亚东鲑种群COⅠ、COⅡ序列遗传多样性分析用MEGA5.05软件确定30个亚东鲑样本COⅠ、COⅡ序列单倍型,同时统计单倍型及多态位点(s),计算单倍型多样性(h)、平均核苷酸差异数 (k) 及核苷酸多样性(π) ()。COⅠ 没有变异位点,单倍型多态性与核苷酸多态性值均为0;COⅡ 鲑科鱼类COⅠ碱基组成的比较
  种名碱基含量∥%TCAGA+TG+C野生亚东鲑29.530.622.517.452.048.0大西洋鲑31.728.722.417.254.145.9大西洋鲑31.029.222.916.953.946.1大西洋鲑31.529.022.517.054.046.0红点鲑 29.229.423.018.452.247.8虹鳟 29.629.622.618.252.247.8平均30.329.622.617.552.947.1
  鲑科鱼类COⅡ碱基组成的比较
  序列共检测到2个多态位点,占分析位点总数的0.3%,单倍型多态性为0.978,核苷酸多态性为0.000 1。 亚东鲑线粒体COⅠ、COⅡ序列遗传多样性参数
  类群样本数亚东鲑线粒体COⅠ单倍
  型数单倍型
  多样性多态
  位点平均核苷
  酸差异数核苷酸多
  样性指数亚东鲑线粒体COⅡ单倍
  型数单倍型
  多样性多态
  位点平均核苷
  酸差异数核苷酸多
  样性指数养殖151000010000野生151000020.93310.066 670.000 1总体301000030.97820.066 670.000 1
  2.4 鲑科鱼类COⅠ、COⅡ遗传距离及系统进化关系根据Kimura双参数模型构建基于亚东鲑鱼COⅠ序列构建的系统进化树(),得到5种鲑科鱼类遗传距离,其中野生和养殖亚东鲑共30尾序列完全相同,在进化树上位于同一位置。而与大西洋鲑、红点鲑、虹鳟遗传距离为0.03~0.06,彼此之间距离均大于种间鉴定最小遗传距离(2%)[7]。说明野生和养殖亚东鲑基本无分化。
  根据COⅠ基因序列构建的NJ 系统树根据Kimura双参数模型构建基于亚东鲑鱼COⅡ序列构建的系统进化树(),得到5种鲑科鱼类遗传距离,其中亚东鲑与褐鳟遗传距离最小,均小于0.002 4;与北极红点鲑遗传距离最大,为0.054 2;亚东鲑与大鳞大马哈鱼、虹鳟遗传距离分别为0.031 2、0.039 0。结果显示,野生型和养殖型交错在一起,未表现出明显差异,说明野生和养殖亚东鲑基本无分化。
  安徽农业科学2014年根据COⅡ基因序列构建的NJ 系统树3结论与讨论
  3.1 线粒体 COⅠ序列同质性该研究结果显示,COⅠ基因在野生和自繁F1后代养殖亚东鲑种群之间无任何差异。这种同质性可能是由于一个相似的亚分化[13]造成的,而这种同质性产生原因可能是由2个种群内在的亲缘关系。亚东鲑鱼引入我国西藏后,在高原环境下繁衍生殖了100多年,随着人工捕捞和自然灾害的频频发生,自然选择压力之下野生种群数量势必下降。人工繁殖的亲鱼均是从河中捕撈引进,它们大多数个体是同一尾或者几尾雌鱼产生的后代。另外对野生和养殖的30尾鱼COⅠ基因测序,没有检测到不同的单倍形个体。这表明亚东鲑还没有达到在线粒体 DNA水平的较大变异。
  3.2 亚东鲑COⅡ序列差异序列没有发生任何碱基的插入和缺失,A、T、C、G 4种核苷酸在线粒体基因组中的分布呈不均一性,是动物线粒体基因组的一个共性[14]。该研究所得到的亚东鲑COⅡ区中,A+T的含量(56%)显著高于G+C含量(44%),这与其他鱼类线粒体COⅡ基因序列结果类似[15],也与邵爱华等[16]统计的15种鱼类碱基平均组成相似,表明A+T含量高可能也是鱼类mtDNA COⅡ基因碱基组成中普遍存在的现象。在DNA进化过程中,碱基转换(TS)发生的频率高于颠换(TV),该研究结果与此相符。
  该试验样本来自于西藏自治区亚东鲑养殖站,其亲本来源于亚东河,系多代养殖品种。扩增的30尾亚东鲑COⅡ序列几乎完全相同,只有2个位点出现碱基变异,这可能与其长期近亲繁殖导致种质资源退化遗传多样性降低有关。
  3.3 亚东鲑群体COⅠ、COⅡ的遗传多样性水平 核苷酸多态性(Pi)和单倍型平均遗传距离(P)是衡量一个种群mtDNA遗传变异的2个重要指标。其中Pi考虑了各种mtDNA单倍型在群体中所占的比例,所以在反映一个群体的mtDNA多态程度时往往比单纯的遗传距离平均值更精确[17]。该研究结果显示,基于线粒体COⅠ基因片段亚东鲑群体均具有较低的核苷酸多样性(Pi<0.005) 和较低的单倍型多样性(Hd<0.8),而基于线粒体COⅡ基因片段,亚东鲑群体均具有较低的核苷酸多样性(Pi<0.005) 和较高的单倍型多样性(Hd >0.8),因此笔者分析得出亚东鲑养殖群体和自繁F1后代野生群体均具有较低的遗传多样性水平,这与其他物种养殖群体较低的遗传多样性结果一致,说明该研究中的亚东鲑受人工养殖环境的及近亲繁殖等影响,养殖过程中出现轻微衰退,同时也预示着保护亚东鲑遗传多样性工作的重要性。
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