DNA條形碼在長江口魚類浮游生物生態學研究中的意義

張 輝, 線薇微

(中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

長江口內接長江, 外連東海, 是一個相對獨立的半咸水水系, 其復雜多變的非生物環境, 與生物群落構成了一個結構復雜、功能獨特的河口區生態系統[1]。長江口及其鄰近水域生產力高, 餌料豐富,是小黃魚、帶魚和銀鯧等經濟種類的重要產卵場和育幼場, 也是夏、秋季銀鯧、刀鱭、鳳鱭、帶魚等魚類的重要索餌場, 又是鰣、松江鱸、中華鱘等珍稀魚類溯河或降海洄游的必經水道[2]。由此可見, 長江口及其鄰近水域的魚類及其補充群體組成具有復雜性和多樣性, 這些奠定了長江口及其鄰近水域在漁業資源和魚類浮游生物生態學研究中的重要地位。

1 長江口魚類浮游生物生態學研究

魚類浮游生物包含魚卵和仔稚魚, 是魚類生命周期中最為脆弱的時期。這一階段魚類浮游生物成活率的高低、剩存量的多寡將直接影響到魚類補充群體資源量的豐歉。魚類資源的動態變化取決于世代強弱, 而世代強弱很大程度上取決于它們早期生活史階段即魚類浮游生物階段的補充狀態[3]。因此,魚類浮游生物的群落生態學研究早已成為漁業資源可持續利用必不可少的研究內容。通過魚類浮游生物調查方法進行的資源評估能夠為合理解釋漁業資源現狀、確定魚類產卵場和產卵期、闡明魚類補充機制奠定基礎。而長江口及其鄰近水域是魚類重要的產卵、育幼場, 通過對該水域魚類浮游生物的調查,不僅能了解河口海區魚類資源種類組成的季節性時間序列動態, 又能闡明當前漁業資源和魚類群落結構的變化趨勢, 對我國漁業資源的保護和利用具有重要意義。

關于長江口及其鄰近水域魚類浮游生物的研究主要集中在物種組成、豐度及其影響因素。長江口水域魚類浮游生物種類組成記錄最多的是羅秉征和沈煥庭[2]于 1985~1986年的調查, 共捕獲魚卵 90萬個, 仔稚魚7萬尾, 約100種。此后, 有其他學者也相繼調查和分析了長江口及其鄰近水域的魚類浮游生物組成。如朱鑫華等[4]記錄了春季長江口仔稚幼魚20種; 蔣玫等[5]記錄了長江口及杭州灣附近水域魚類浮游生物 45種; 鐘俊生等[6]記錄了長江口碎波帶的仔稚魚組成 50種; 劉淑德等[7]記錄了長江口及其鄰近水域的17種魚類浮游生物。隨著對長江口及其鄰近水域重要性的不斷認識, 國內學者對該水域的魚類浮游生物群落結構特征及其與環境因子的關系、長江口及其鄰近水域魚類浮游生物群落種類組成和多樣性的季節變化進行了相關探討[7-8]。上述研究者在研究物種組成的同時也對魚類浮游生物出現的季節和分布區域進行了詳細的報道。從已有的研究成果來看: 長江口及其鄰近水域全年皆有魚類浮游生物出現; 魚類浮游生物主要出現在春夏季, 秋冬季魚類浮游生物相對較少; 魚類浮游生物群落結構變化存在一定的規律。

與此同時, 部分學者開始將研究的焦點轉向了長江口及其鄰近水域魚類浮游生物的分布格局及其影響因素。例如, 蔣玫等[5]在研究長江口水域魚類浮游生物時指出鹽度對魚卵產生的間接效應更為明顯,仔魚對溫度變化的敏感性較鹽度高, 長江徑流、臺灣暖流等水系的消長作用對魚卵仔魚的分布有顯著影響。劉淑德等[9]利用TWINSPAN分類方法將春季長江口及其鄰近水域魚類浮游生物群落劃分為 3個類群, 并用典范對應分析(CCA)排序給出了各類群與環境因子的相互關系, 結果表明影響這一海域魚類浮游生物分布的主要環境因子為鹽度、水深、溶解氧和懸浮物。

2 魚類浮游生物的傳統鑒定方法存在瓶頸

盡管魚類浮游生物具有非常重要的生態地位和研究價值, 但不可否認的是魚類浮游生物的鑒定仍存在較大難度。目前已鑒別的成魚種類超過 28 700余種[10], 但能夠鑒別的仔稚魚種類僅占成魚種類的1/10, 而能夠鑒別的魚卵種類則不到成魚種類的1/10[11]。即使已經鑒定到種類的魚類浮游生物, 其準確度也存在較大偏差。例如中國臺灣學者對臺灣沿海的100種仔稚魚同時運用形態學和DNA條形碼進行鑒定, 結果發現根據形態學結果鑒定到科的準確率為 80.1%, 鑒定到屬的準確率為 41.1%, 而鑒定到種的準確率僅為 13.5%[12]。由于缺乏足夠的可用于形態分類的特征, 魚類浮游生物形態分類研究工作開展較少。通常在資源調查及環境評估中將不同種類的魚卵通常全部稱為魚卵, 導致相關的資源評估、種群動力學研究、產卵場調查等研究工作不能準確開展[13]。由此可見魚類浮游生物能否準確鑒定已成為漁業資源評估與海洋生態系統科學研究的瓶頸。因此, 尋找魚類浮游生物準確鑒定的有效方法是開展上述研究的基本前提和根本保障。

3 DNA條形碼在魚類浮游生物鑒定中的適用性

DNA條形編碼(DNA Barcoding)是一種基于分子生物學技術進行物種鑒定的新方法。隨著分子生物學技術的不斷發展以及 DNA序列的大量積累,Tautz[14]最早提出可以運用 DNA序列進行物種鑒定或者分類。Hebert[15]研究表明線粒體 DNA cytochrome c oxidase I(COI)基因中的一個片段可以作為物種鑒別的有效工具, 并認為地球上的所有物種均可以像商品一樣進行條形編碼。這主要是基于兩方面原因: 一方面該片段足夠保守, 能夠利用通用引物進行大范圍的擴增; 另一方面該片段有足夠的變異來區分不同物種DNA序列, 從而進行物種的準確鑒定。在隨后的研究中, Hebert[16]證明除了刺胞動物門, COI基因序列的分化程度能夠對其他所有動物的親緣種進行鑒別。盡管DNA條形碼的構想和實施一直存在爭議[17], 然而因為它便捷可行, 且對基礎和應用研究均可帶來深遠的影響, 所以受到國際學術界的廣泛重視。大量的研究結果表明, 運用 COI基因可以對超過 95%的物種進行準確鑒定[18-20]。目前國際上已經提出或形成了眾多的DNA條形碼研究計劃, 分別對鳥類、魚類、鱗翅類等重要生物類群展開DNA條形碼研究。盡管目前國內外對于魚類浮游生物的 DNA條形碼研究較少, 仍有理由相信DNA條形碼的廣泛使用將為魚類浮游生物的準確鑒定提供有效的解決途徑。

4 結語

綜上所述, DNA條形碼技術的發展將成為魚類浮游生物傳統分類學強有力的補充, 給該領域系統分類學發展提供新的機遇。DNA條形碼技術在魚類浮游生物中的應用將突破傳統形態學分類的局限,成為傳統物種鑒定強有力的補充。由于DNA條形碼采用數字化形式, 使樣本鑒定過程能夠實現自動化和標準化, 突破了對經驗的過度依賴, 能夠在較短時間內建立易于利用的數據庫。分類學家和非專業人士均可以根據國際數據庫及時查找長江口及其鄰近水域魚類浮游生物的物種信息, 鑒別潛在的隱存種或新種。DNA條形碼技術的發展將極大的緩解目前魚類浮游生物形態學鑒定的局限性和傳統分類學家隊伍日益縮減的局面。

[1]盧繼武, 羅秉征, 薛頻, 等.長江口魚類群落結構、豐盛度及其季節性變化研究[C]//中國科學院海洋研究所.海洋科學集刊: 第 33卷.北京: 科學出版社,1992: 303-340.

[2]羅秉征, 沈煥庭.三峽工程與河口生態環境[M].北京:科學出版社, 1994.

[3]Hjort J.Fluctuations in the great fisheries of northern Europe[M].Copenhagen: Andr.Fred.H?st & Fils,1914.

[4]朱鑫華, 劉棟, 沙學坤.長江口春季魚類浮游生物群落結構與環境因子的關系[J].海洋科學集刊, 2002, 5:169-179.

[5]蔣玫, 沈新強, 王云龍, 等.長江口及其鄰近水域魚卵、仔魚的種項組成與分布特征[J].海洋學報, 2006,28(2): 171-174.

[6]鐘俊生, 吳美琴, 練青平.春、夏季長江口沿岸碎波帶仔稚魚的種類組成[J].中國水產科學, 2007, 14(3):436-443.

[7]劉淑德, 線薇微.長江口及其鄰近水域魚類浮游生物群落的時空格局[J].生物多樣性, 2009, 17(2):151-159.

[8]單秀娟, 金顯仕.長江口近海春季魚類群落結構的多樣性研究[J].海洋與湖沼, 2011, 42(1): 32-42.

[9]劉淑德, 線薇微, 劉棟.春季長江口及其鄰近海域魚類浮游生物群落特征[J].生態學報, 2008, 19(10):2284-2292.

[10]Jalabert B.Particularities of reproduction and oogenesis in teleost fish compared to mammals[J].Reprod Nutr Dev, 2005, 45: 261-279.

[11]Shao K, Yang J, Chen K, et al.An identification guide of marine fish eggs from Taiwan [M].Taipei :Academia Sinica, Institute of Zoology, 2001: 1-24.

[12]Ko H, Wang Y, Chiu T, et al.Evaluating the accuracy of morphological identification of larval fishes by applying DNA barcoding[J].PLoS ONE, 2013, 8: e53451.

[13]Shao K, Chen K, Wu J.Identification of marine fish eggs in Taiwan using light microscope, scanning electric microscope and mtDNA sequencing[J].Mar Fresh Res, 2002, 53: 355-365.

[14]Tautz D, Arctander P, Minelli A, et al.DNA points the way ahead in taxonomy[J].Nature, 2002, 418: 479.

[15]Hebert P D N, Cywinska A, Ball S, et al.Biological identifications through DNA barcodes[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2003a, 270: 313-321.

[16]Hebert P D N, Ratnasingham S, deWaard J R.Barcode animal life, cytochrome c oxidase subunit I divergences among closely related species[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci (Supp1), 2003b, 270: S96-S99.

[17]Moritz C, Cicero C.DNA Barcoding: promise and pitfalls[J].Plo S Biol, 2004, 2: e354.

[18]Hebert P D N, Penton E, Burns J, et al.Ten species in one, DNA barcode reveals cryptic species in the neotropical skipper butterflyAstraptes fulgerator[J].Proc Natl Acad Sci, 2004, 101: 14812-14817.

[19]Ward R, Zemlak T, Innes B, et al.DNA barcode Australia’s fish species[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2005, 360: 1847-1857.

[20]Hajibabaeia M, Alexsmith M, Janzen D, et al.A minimalist barcode can identify a specimen whose DNA is degraded[J].Mol Ecol Notes, 2006, 6: 959-964.