中国沿海近盲虾虎鱼亚科鱼类的系统发育及三个种类的分子系统地理学初步研究

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近盲虾虎鱼亚科(Amblyopinae)隶属于鲈形目(Perciformes)、虾虎鱼亚目(Gobioidei)、虾虎鱼科(Gobiidae),广泛分布于印度-西太平洋海域,在我国黄、渤海、东海、南海海域也有广泛分布。迄今该亚科已报道的国内有效种有9种,但近年来的研究发现,由于近盲虾虎鱼亚科鱼类在外部形态上颇为相似,有些种类存在同种异名现象;同时不少隐存种也被陆续发现,因此客观上需要对我国现存近盲虾虎鱼亚科物种分类及其系统发育进行深入研究,同时阐明其物种或种群的一般进化过程和驱动机制。因此本研究拟以中国沿海近盲虾虎鱼亚科鱼类为研究对象,首先采用DNA barcoding技术,结合形态学的测定对我国现存主要近盲虾虎鱼种类进行重新梳理和鉴定,发现可能存在的隐存种或同种异名现象;然后采用线粒体全基因组测定技术分析该亚科鱼类的线粒体基因组结构特征,构建系统发育树,阐明近盲虾虎鱼亚科的系统发育关系和物种演化过程,探讨其物种辐射进化的驱动机制;最后综合运用线粒体DLoop基因和核基因S7分子标记,对近盲虾虎鱼亚科三个种类的种群遗传学和分子进化进行研究,以期从种内群体水平探讨近盲虾虎鱼亚科物种的进化过程和驱动机制,为厘清我国近盲虾虎鱼亚科主要类群的系统发育关系和进化机制奠定基础。取得的主要结果如下:1.采用DNA barcoding技术对采集到的我国所有近盲虾虎鱼亚科种类的线粒体COI和ND2基因进行扩增,并构建其系统发育树,计算各种类间的K2P遗传距离,结果表明:系统发育树的构建支持将采集到的所有近盲虾虎鱼亚科种类划分为6属12种,在须鳗虾虎鱼属中鉴定到3个隐存种,它们分别是海南须鳗虾虎鱼(暂名Taenioides sp.hainan)、珠江口须鳗虾虎鱼(暂名Taenioides sp.zhujiang)和长江口须鳗虾虎鱼(暂名Taenioides.sp.changjiang)。遗传距离分析表明:基于COI基因,这3个隐存种与已知的须鳗虾虎鱼模式种的遗传距离达0.059-0.134,与各近盲虾虎鱼亚科种类间的平均遗传距离0.155相当;基于ND2基因,这3个隐存种与已知的须鳗虾虎鱼模式种的遗传距离达0.115-0.153,与各近盲虾虎鱼亚科种类间的平均遗传距离0.186也相近。进一步证实了鉴定到的3个隐存种可能为有效种。进一步采用形态学的测定方法对新发现的3个隐存种可数、可量性状进行测定,结果表明:鉴定到的海南须鳗虾虎鱼和珠江口须鳗虾虎鱼在头部腹面扁须数目上(7根)明显区别于须鳗虾虎鱼模式种(3对),珠江口须鳗虾虎鱼在椎骨数目上(27枚)也明显区别于其他须鳗虾虎鱼(29枚)。同时3种须鳗虾虎鱼在头高/体长、头宽/体长、体高/体长、吻至胸鳍起点/体长、吻至腹鳍起点/体长、吻至肛门起点/体长这6个标准化指标上也存在显著性差异(p<0.05)。因而进一步证实了珠江口须鳗虾虎鱼、海南须鳗虾虎鱼和长江口须鳗虾虎鱼可能是3个有效种,通过ND2基因片段的Blast比对发现珠江口须鳗虾虎鱼和海南须鳗虾虎鱼与已报道的Taenioides.sp.Thailand、Taenioides.sp.Gracilis同源性极高,但在我国却为首次报道,因此可能为新记录种,而长江口须鳗虾虎鱼与已报道的须鳗虾虎鱼基因序列有较大的差别,因而可能应归为须鳗虾虎鱼新种。2.进一步对近盲虾虎鱼线粒体全基因组序列进行分析,结果表明:近盲虾虎鱼亚科鱼类线粒体基因组长度(16552-17245bp)符合现存硬骨鱼mt DNA基因组长度范围,碱基组成、基因排序等也与硬骨鱼类mt DNA的典型结构基本一致。但近盲虾虎鱼亚科鱼类线粒体基因组也有其自身特点,首先在近盲虾虎鱼亚科鱼类非编码的轻链复制起始区(OL区)中t RNA-Cys的5’端发现RNA引物与DNA合成转换区的保守序列5’-CCCGG-3’,这与大多鱼类中报道的5’-GCCGG-3’序列相比已出现了碱基的变异,推测碱基的替代可能形成了一种新的样式,从而影响轻链复制时RNA引物的合成功能或影响线粒体核糖核酸酶H的活性。其次在控制区识别到终止序列区(TAS)以及保守序列区块(CSB-1、CSB-2和CSB-3),而并未识别到在其它硬骨鱼中普遍存在的中心保守序列(CSB-D、CSB-E和CSB-F),这可能与其线粒体代谢及重链的复制有关。采用线粒体全基因组序列对我国近盲虾虎鱼亚科鱼类的系统发育与进化进行分析,结果表明:近盲虾虎鱼亚科在进化树中并不是单系群,与其亲缘关系最近的是背眼虾虎鱼亚科,并在系统发育树中相互嵌套,之后与瓢虾虎鱼亚科、拟虾虎鱼亚科形成姐妹群,最后与虾虎鱼亚科构成虾虎鱼科。该结果说明,近盲虾虎鱼亚科本身并不能独立构成单系群,对于近盲虾虎鱼亚科与背眼虾虎鱼亚科的分类关系,可能需要重新界定。为更深入揭示近盲虾虎鱼亚科的进化机制,我们进一步在线粒体基因组层面对近盲虾虎鱼亚科的适应性进化进行分析,以构建的虾虎鱼科ML系统进化树的聚类结果为基础,结合虾虎鱼生态型,将近盲虾虎鱼亚科与背眼虾虎鱼亚科分支标定为前景支,其他剩余的分支则为背景枝进行分支-位点模型检测。对每个基因分别进行正选择检测,结果显示,与其它类群相比,前景支在4个基因(ATP6、ATP8、ND2和ND4)中均筛选到了正选择位点,共检测到显著的正选择位点共16个(p<0.05),这些变异或导致氨基酸的极性变化或导致蛋白质结构的变化,推测可能已使线粒体ATP合成和功能受到影响,该进化过程可能与近盲及背眼虾虎鱼亚科鱼类适应滩涂及潮间带洞穴中的耐低氧生活和对能量需求变化有关。该结果表明适应性进化可能在近盲虾虎鱼亚科的辐射进化和物种形成中扮演着重要角色。3.采用线粒体D-Loop基因和核基因S7对近盲虾虎鱼亚科中三种重要种类的种群遗传结构与分子进化进行研究。对中国沿海4个群体(丹东、青岛、连云港、上海崇明岛)的拉氏狼牙虾虎鱼(Odontamblyopus lacepedii)共89个样本进行种群遗传学和分子进化研究,结果表明:线粒体D-Loop基因共定义了47个单倍型,总单倍型多样性指数达0.950,总核苷酸多样性指数达0.0054,展示了较高的遗传多样性。ML聚类分析表明在研究海域内拉氏狼牙虾虎鱼群体间仅青岛群体有部分个体出现了明显的遗传分化,而其它群体间并无显著分化,群体间FST值也较小,在0.0175-0.1798之间,而群体间基因流Nm均较大,在2.2802-28.0877之间,仅青岛群体与其它群体的遗传分化达到了极显著(p<0.01)。AMOVA检验进一步证实分化主要来自于群体内部(90.36%)。基于分子钟理论推算,拉氏狼牙虾虎鱼群体的扩张时间大约在5.5-11.1万年前,处于更新世晚期,推测更新世晚期黄、渤海浅海陆架区裸露成陆,冰期后黄、渤海区拉氏狼牙虾虎鱼发生种群重植和群体扩张事件可能是拉氏狼牙虾虎鱼无显著种群遗传结构的重要原因。而核基因S7的分析结果则表明:基于83个个体共定义了74个单倍型,总单倍型多样性指数达0.997,总核苷酸多样性指数达0.0086,展示了较高的遗传多样性。ML聚类分析表明在研究海域内拉氏狼牙虾虎鱼群体间无显著分化,群体间FST值也较小,在-0.0053-0.0037之间,且均不显著,而群体间基因流Nm均较大,在-240.885-161.312之间。AMOVA检验进一步证实分化主要来自于群体内部(100.08%)。4个地理群体间的遗传距离均小于0.01,表明群体间几乎不存在遗传分化。该结果与D-Loop基因的研究结果稍有不同,其原因可能与核基因相比于线粒体基因的进化速率较慢,因而分辨率相对较低有关,但由于线粒体D-Loop基因的研究结果表明,青岛群体相对于其它群体已有统计学意义的显著分化,因而在今后的资源管理和保护中可能应区别对待。对中国沿海4个群体(温岭、瑞安、九龙江、珠江口)的瑞贝卡狼牙虾虎鱼(Odontamblyopus rebecca)共89个样本进行种群遗传学和分子进化研究,结果表明:线粒体D-Loop基因共定义了54个单倍型,总单倍型多样性指数达0.954,总核苷酸多样性指数达0.0087,展示了较高的遗传多样性。ML聚类分析表明在研究海域内瑞贝卡狼牙虾虎鱼4个群体分化成2个类群,类群A由九龙江群体、珠江口群体与温岭群体、瑞安群体部分个体组成,类群B由剩余温岭群体与瑞安群体个体组成。此外,单倍型网络图也佐证了这两个类群的分化。AMOVA检验进一步证实分化主要来自于群体内部(88.5%),两个类群的分化指数为0.115,且达极显著(P<0.01),表明瑞贝卡狼牙虾虎鱼种群存在中等程度的遗传分化。基于分子钟理论推算,两个类群的分化时间大约在5.5-11.0万年前,处于更新世晚期,推测更新世晚期海平面升降造成的地域分隔导致瑞贝卡狼牙虾虎鱼不同地理群体分化,随后分化的类群发生二次接触形成现有的瑞贝卡狼牙虾虎鱼谱系地理格局。核基因S7的分析结果表明:基于90个个体共定义了45个单倍型,总单倍型多样性指数达0.899,总核苷酸多样性指数达0.0057,展示了较高的遗传多样性。但基于核基因S7的ML聚类分析则表明:在研究海域内瑞贝卡狼牙虾虎鱼群体间无显著分化,群体间FST值也较小,在-0.0095-0.0015之间,且均不显著,而群体间基因流Nm均较大,在-82.3331-344.3276之间。AMOVA检验进一步证实分化主要来自于群体内部(100.71%)。4地理群体间的遗传距离均小于0.01,进一步表明群体间几乎不存在遗传分化。该结果与D-Loop基因的研究结果有所不同,其原因可能与核基因相比于线粒体基因的进化速率较慢,因而分辨率相对较低有关,但由于线粒体D-Loop基因的研究结果表明,温岭与瑞安群体相对于其它群体已有统计学意义的显著分化,因而在今后的资源管理和保护中可能应区别对待。对长江口及联通水域的6个群体(微山湖、骆马湖、洪泽湖、高邮湖、巢湖和太湖)的须鳗虾虎鱼(Taenioides.sp.changjiang)共104个样本进行种群遗传学和分子进化研究,结果表明:线粒体D-Loop基因共定义了12个单倍型,总单倍型多样性指数达0.748,总核苷酸多样性指数达0.0055,展示了较低的遗传多样性。ML聚类分析表明:在研究范围内须鳗虾虎鱼群体间已呈现显著的遗传分化,其中太湖与其他群体、骆马湖及微山湖与其他群体间的遗传分化最为显著(p<0.05)。各群体间的Fst值在-0.0340-0.6355之间,群体间的基因流在0.4117-9.6051之间。AMOVA检验进一步证实分化主要来自于群体内部(69.4%),但仍有相当比重的遗传分化来自于群体间(30.6%)。推测须鳗虾虎鱼可能借助调水工程入侵到各大淡水湖泊后,种群遗传结构已发生了显著性改变,提示须鳗虾虎鱼可能是通过遗传物质的改变来适应新的入侵环境。核基因S7的分析结果则表明:基于111个个体共定义了17个单倍型,总单倍型多样性指数达0.501,总核苷酸多样性指数达0.0013,展示了较低的遗传多样性。ML聚类分析再次表明在研究区域内须鳗虾虎鱼种群间无显著的遗传分化,群体间FST值也较小,在-0.0287-0.2222之间,而群体间基因流Nm均较大,在-345.3276到209.5840之间。AMOVA检验进一步证实分化主要来自于群体内部(95.89%)。6个地理群体间的遗传距离均小于0.01,其原因可能也与核基因S7相比于线粒体基因的进化速率较慢,因而分辨率相对较低有关。但由于线粒体D-Loop基因的研究结果表明,须鳗虾虎鱼入侵过程中各群体间已有显著的遗传分化,对该遗传分化与其入侵成功的相关性还有待于今后进一步的深入研究。
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