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轮虫是水域生态系统重要的一类浮游动物,全球性分布。单巢目轮虫具有周期性孤雌生殖特点,既能孤雌生殖、繁殖速度快,又能有性生殖、产生休眠卵库,使得轮虫种群内的遗传变异和种群间基因流模式有别于其他动物--可体现持续的建立者效应,持续的建立者效应是指浮游动物拥有由少数雌体占据整个生境的潜力以及种群快速增长能力,因此种群在最初的建群事件中形成的等位基因频率,即使在基因流速率相当大的情况下,也可维持几千个世代不衰退。再加上拥有休眠卵库,可以抵御新基因型的进入,使得原来的建立者效应得以持续更长时间。持续的建立者效应可导致新建立的种群与母种群相比遗传多样性的降低,新移殖的种群之间遗传差异较大等结果.本研究的主要目的是探讨萼花臂尾轮虫Brachionus calyciflorus种群的遗传、生态性状对持续的建立者效应的影响。
我们首先利用线粒体细胞色素氧化酶亚基I(COI)(512bps)序列分析来研究了辽宁海城、河北河间、安徽凤台以及福建邵武四个地方的萼花臂尾轮虫种群休眠卵的遗传分化和分子系统地理格局,讨论了持续的建立者效应与有限的基因流对其遗传分化的影响。然后从5个主要的遗传分支中选取5个单倍型,分别在E2个食物浓度梯度(蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa,1×106cells/ml,6×106cells/ml2)、2个温度梯度(10℃,20℃)下研究了这些不同单倍型的生殖差异与形态差异,作为研究建立者效应的基础。最后选取两种单倍型在实验室中模拟建群事件,探讨了建群种群的初始遗传比例、环境条件等因素对持续的建立者效应的影响。
主要结果与结论如下:
1.由休眠卵孵化共得到80个克隆,对它们的线粒体COI基因进行测序,得到长度为512bps的序列片断,共发现24个单倍型。结果显示,这些序列中有55个变异位点,占总数的10.74%,绝大多数DNA置换发生在密码子的第三位点,占全部变异的67.5%。不同单倍型之间有2~34个碱基的变异,分别占核苷酸总数的0.390~6.63%。在这些单倍型中共有4个异义突变,各单倍型之间的遗传距离在0.002到0.07之间。这24个单倍型大致上可聚为5个相对独立的进化分支。
2.COI单倍型的分布有一定的地域特征,可间接反应出持久的建立者效应。辽宁海城(LN)发现9种单倍型,河北河间(HB)发现9种,安徽凤台(AH)发现13种,福建邵武(FJ)发现12种单倍型。单倍型的分布有差异也有重叠,使得地理间隔距离的远近不能完全解释遗传差异的大小,与前人提出的“高扩散力-氐基因流”悖论相符,从而间接反映了建立者效应对种群系统地理格局的影响。
3.所有克隆的平均遗传差异为0.017,LN种群内的遗传差异为0.023,HB种群的遗传差异为0.007,AH种群的遗传差异为0.016,FJ种群的遗传差异为0.015。核酸多样性Pi(Nucleotide acid diversity)为0.015。种群内的平均多样性(meandiversity within population)0.015,所有克隆的平均多样性(mean diversity for entirepopulation)0.016,种群间的平均多样性(mean interpopulational diversity)0.000,变异系数(coefficient of differentiati,on)0.022。LN--HB种群间的遗传距离为0.017,LN--AH、LN--FJ种群间的遗传距离为0.020,HB-AH、HB-FJ种群间的遗传距离为0.012,AH-FJ种群间的遗传距离为0.015。结果表明,中度的基因流与建群效应都是形成萼花臂尾轮虫系统地理格局的主要动力。
4.选取分别属于5个主要遗传进化分支的5种典型的单倍型([1]、[10]、[16]、[22]、[24]),研究它们在不同实验条件下的相关生殖参数。结果发现:种群增长率r和休眠卵产量这两个参数受温度、食物浓度影响较大。温度组实验说明,所有单倍型在20℃条件下都比较适宜孤雌繁殖,同一食物浓度下,通常随着温度的升高,其种群增长率r增高、受精率、休眠卵产量也随之升高;食物浓度组实验的数据表明,6×106cells/ml下这5个单倍型的种群增长率r与休眠卵产量都显著高于1×106cells/ml下的数值,两种食物浓度下,各单倍型萼花臂尾轮虫的混交雌体百分率基本无显著的差异。5个单倍型的生态位出现了一定程度的分化,和它们在系统进化树中的位置基本相符,它们所适应的温度食物浓度条件与它们休眠卵分布地区的地理环境是基本相符。生态位分化再加上存在休眠卵的因素这一因素,使得这些单倍型在同一有限生境中共存。
5.形态测量结果显示,在设定的实验条件下,单倍型类型对形态指标有重要影响,各个单倍型的形态指标在一定程度上都存在着差异。对所有条件下测得的各个单元型的各项指标作聚类分析所得到的树形图与分子进化树的趋势基本相同,轮虫被甲的形态和大小受生态因子和遗传背景双重因素的影响显著。20℃,1×106 cells/ml时,形态学指标基本满足个体越大,种群增长率r越小的规律。体现出轮虫在自身生长与生殖之间存在一个权衡。20℃,6×106 cells/ml浓度下,二者没有必然联系。轮虫背甲长与休眠卵产量也没有必然的联系,可能是因为休眠卵产量受不同单倍型的影响较大。
6.根据上述结果,选取了[22]、[24]两种单倍型模拟建群事件。这两个单倍型分别属于两个不同的遗传进化分支,地理分布有重叠也有差异,显示可能存在建立者效应。在20℃,1×106cells/ml下,两种单倍型的种群增长率没有显著差异,[24]的产休眠卵能力显著大于[22];20℃,6×106cells/ml下,[24]的r、休眠卵产量值均明显大于[22]。实验结果表明:种群遗传结构的变化与食物浓度显著相关(P=0.005),与起始比例相关、但相关性不是十分显著,只能显著影响高食物浓度下种群休眠卵库的遗传分化。
种群遗传结构的变化主要与建立者效应是否显著、是否存在持续的建立者效应有关。建立者效应导致单倍型频率变化显著,持续的建立者效应能维持建群后固定的单倍型频率达好几十个世代都不变。建立者效应、持续的建立者效应与最终种群遗传分化的显著性之间关系比较复杂,还要再加上其它一些生物因素(竞争、基因流)、非生物因素(温度、水分、食物浓度、生境大小)的影响,另外还要考虑是从哪个角度衡量(个体比例还是休眠卵比例)遗传变异显著性,使得具体结果要视具体情况分析,无法一概而论。
7.食物浓度、起始比例与建立者效应的显著性没有必然联系,与持续的建立者效应之间也没有必然联系,可能是通过影响竞争来影响种群中最终的单倍型组成及频率。