內(nèi)蒙古地區(qū)不同地理種群布氏田鼠遺傳分化研究

魏文天　王玉民　何宏軒

摘要 [目的]探討布氏田鼠地理種群的遺傳分化。[方法]以MHCⅡ類(lèi)基因第二外顯子為分子標(biāo)記進(jìn)行序列分析和基因分型。結(jié)果：獲得了內(nèi)蒙古8個(gè)布氏田鼠地理種群460個(gè)樣品的MHCⅡ類(lèi)基因第二外顯子基因的261 bp核苷酸序列，經(jīng)單倍型分選后，共定義了21個(gè)單倍型，其中有3個(gè)單倍型為不同區(qū)域種群所共享，其余19個(gè)單倍型均為各區(qū)域種群所特有。單倍型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化關(guān)系分析顯示，8個(gè)布氏田鼠地理種群形成3個(gè)穩(wěn)定的進(jìn)化支，分別與采集的地理種群相吻合：同一地理種群內(nèi)單倍型之間遺傳差異小，而不同地理來(lái)源的單倍型之間存在較大區(qū)別。AMOVA分析顯示，遺傳變異主要發(fā)生在區(qū)域類(lèi)群間。對(duì)基因流和遺傳分化系數(shù)、種群遺傳距離和遺傳相似度分析表明，布氏田鼠種群出現(xiàn)了一定的遺傳分化，正鑲白旗種群因渾善達(dá)克沙漠的阻礙而分化最明顯。Mentel檢測(cè)揭示布氏田鼠的遺傳分化與地理距離無(wú)顯著相關(guān)性。[結(jié)論]棲息地的復(fù)雜地形和氣候變化可能是影響布氏田鼠群體間遺傳分化的主要因素，而種群間距離隔離對(duì)于布氏田鼠的遺傳分化作用不明顯。

關(guān)鍵詞 布氏田鼠；地理種群；MHCⅡ類(lèi)基因；遺傳分化；內(nèi)蒙古

中圖分類(lèi)號(hào) Q958.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）16-0220-04

Abstract [Objective]Explore the genetic differentiation of geographical populations of Lasiopodomys brandtii.[Methods]Sequences were analyzed based on MHC Class Ⅱ gene exon 2.[Results]261 bp nucleotide sequences of MHC ClassⅡexon 2 from 460 individuals of 8 L.brandtii populations were analyzed by the methods of polymerase chain reaction and direct sequencing. Result showed that 21 genotypes were detected from 460 individuals of 8 L.brandtii geo-populations in Inner Mongolia.Median-joining network grouped 21 haplotypes into three distinct clades，which corresponded to three geographic areas，indicating an obvious phylogeographic pattern. AMOVA showed that most of the genetic variation occurred among geographic groups.The analysis results of gene flow and F-Statistics，genetic similarity and genetic distance indicated that that genetic differentiation already occurred among geographic groups，Zhengxiangbaiqi population was separated geographically from all others，indicating that Hunshandake Sandy Land might make an effective barrier against gene flow.The result of Mantel test illustrated that there were no significant correlations between genetic distance and geographic distance.[Conclusions]Complex topographic configuration and climatic changes of habitat played the most important role and geographic distance was not significant in the genetic differentiation of L.brandtii populations.

Key words Lasiopodomys brandtii；geo-populations；MHC ClassⅡgene；genetic differentiation；Inner Mongolia

種群遺傳學(xué)認(rèn)為地理特征（地形障礙、空間距離等）或者歷史事件（棲息地片段化、冰期隔離、種群擴(kuò)張等）是限制基因流的重要因素，會(huì)影響種群遺傳結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，引起種群間的遺傳分化[1-2]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地形地貌復(fù)雜。在其中部地區(qū)、東部地區(qū)分布著毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地、烏珠穆沁沙地、科爾沁沙地、呼倫貝爾沙地，且氣候多變，具有降水量少而不勻、寒暑變化劇烈的顯著特點(diǎn)。本區(qū)分布的物種遺傳結(jié)構(gòu)受到了復(fù)雜的地質(zhì)歷史和地理特征的影響[3]。

布氏田鼠（Lasiopodomys brandtii）屬嚙齒目（Rodentia）倉(cāng)鼠科（Cricetidae）田鼠亞科（Microtinae），為內(nèi)蒙古草原代表性小型哺乳動(dòng)物，是危害草原和鼠疫傳播的宿主。種群成呈點(diǎn)狀、片段化、間斷性分布于內(nèi)蒙古中部地區(qū)、東部地區(qū)，因其擴(kuò)散能力弱，對(duì)棲息地環(huán)境有很強(qiáng)的依賴性，因而是研究復(fù)雜生境中環(huán)境壓力對(duì)種群遺傳影響的典型生物物種[4-6]。由于布氏田鼠長(zhǎng)期受特定的地理環(huán)境條件脅迫和棲息地片段化的雙重作用，有可能導(dǎo)致種群在分子水平上的差異而分化為不同的適應(yīng)性種群，對(duì)草原的保護(hù)和疫病防治產(chǎn)生重要影響。Wang等[7]基于微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)內(nèi)蒙古4個(gè)布氏田鼠地理種群遺傳結(jié)構(gòu)分析表明，受草原荒漠化的影響，種群內(nèi)近交現(xiàn)象嚴(yán)重，基因流呈現(xiàn)海島模式，正鑲白旗種群與其他種群出現(xiàn)分化。endprint

主要組織相容性復(fù)合體（major histocompatibility complex， MHC）作為分子標(biāo)記已被廣泛應(yīng)用于物種間的系統(tǒng)關(guān)系、進(jìn)化歷史和種群遺傳結(jié)構(gòu)的研究[8-10]。為得到布氏田鼠種群遺傳分化的分子證據(jù)，為布氏田鼠的防治提供科學(xué)依據(jù)，本文基于MHCⅡ類(lèi)基因探討了內(nèi)蒙古地區(qū)布氏田鼠不同地理種群的遺傳相似性和遺傳差異、遺傳距離與地理距離之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和樣本采集

樣品采自8個(gè)種群，分別來(lái)源于錫林浩特（XL，44°50.351′N(xiāo)，115°13.673′E；n=68）、二連浩特（EL，43°53.245′N(xiāo)，112°23.564′E；n=65）、東烏珠穆沁旗（DW，44°59.454′N(xiāo)，116°10.846′E；n=54）、西烏珠穆沁旗（XW，44°5.211′N(xiāo)，117°57.324′E；n=53）、新巴爾虎左旗（XZ，49°18.152′N(xiāo)，118°03.776′E；n=56）、陳巴爾虎旗（CB，49°32.652′N(xiāo)，119°44.735′E；n=52）、新巴爾虎右旗（XY，48°21.625′N(xiāo)，118°22.573′E；n=50）、正鑲白旗（ZX，42°25.611′N(xiāo)，115°16.331′E；n=62）地區(qū)，共460只布氏田鼠，各取樣點(diǎn)間的距離不低于100 km。樣品采集信息及種群分布見(jiàn)圖1。

1.2 基因組DNA提取與PCR擴(kuò)增

用DNA試劑盒（TIANamp Genomic DNA Kit）提取基因組。從GenBank下載布氏田鼠親緣種的MHCⅡ類(lèi)基因第二外顯子序列（AJ003232，AF084934，U88933，M73960，BC132163，K0012，AJ634270）作為參考序列，經(jīng) Blast 比對(duì)篩選出保守片段，通過(guò)軟件Primer premier 5.0設(shè)計(jì)1對(duì)引物：5′-GGAA-TACGGTACATCTGAG-3′（上游引物MF）、5′-CAACTCTCC-GCCGCACAAGG-3′（下游引物MR），并由上海生工生物工程技術(shù)有限公司合成。PCR反應(yīng)在PTC-200型DNA擴(kuò)增儀上進(jìn)行，PCR反應(yīng)體系總體積為30 μL，其中含有1.0 mmol/L Tris-HCl（pH值8.3）、1.5 mmol/L MgCl2、50 mmol/L KCl、150 μmol/L dNTPs，引物各0.25 μmol，1U Taq DNA聚合酶，30 ng DNA。

反應(yīng)程序?yàn)?4 ℃變性45 s，54 ℃復(fù)性50 s，72 ℃延伸50 s，共進(jìn)行30個(gè)循環(huán)。循環(huán)前95 ℃預(yù)變性5 min，循環(huán)后繼續(xù)延伸10 min。用1.5%瓊脂糖電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物，并送至生工生物工程（上海）股份有限公司進(jìn)行正反測(cè)序。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Chromas 軟件對(duì)測(cè)序原始結(jié)果進(jìn)行人工校對(duì)，用MEGA（version 5.0）軟件進(jìn)行序列比對(duì)分析；用Network 4.6.0.0軟件[11]構(gòu)建布氏田鼠種群的中介網(wǎng)絡(luò)圖（median-joining ne-twork）。

利用POPGENE version 1.32軟件分析計(jì)算種群的遺傳距離（GD）和遺傳相似度（GI）；用Arlequin 3.5 version[12]軟件計(jì)算區(qū)域種群間的基因流Nm（gene flow）和遺傳分化系數(shù)Fst（F-Statistics），用該軟件中的分子變異分析（analysis of mol-ecular variance， AMOVA）檢測(cè)地理種群內(nèi)和地理種群間的遺傳分化。以種群為單位，用Arlequin 3.5 version軟件的Mantel檢驗(yàn)（permutation=3 000）分析種群間遺傳距離（GD）和地理距離（GGD）的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 MHCⅡ類(lèi)基因第二外顯子序列特征

本研究測(cè)定了8個(gè)地理種群的460只布氏田鼠的MHCⅡ類(lèi)基因第二外顯子序列，序列長(zhǎng)261 bp。經(jīng)單倍型分選后，在460個(gè)樣品中共存在21種單倍型，分別命名為H01-21（圖2）。以單倍型H01（Haplotype 01）為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多態(tài)位點(diǎn)分析，有57個(gè)突變位點(diǎn)，包括10個(gè)單突變位點(diǎn)、47個(gè)簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)，突變位點(diǎn)百分率為21.84%。

2.2 單倍型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化關(guān)系分析

單倍型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化關(guān)系分析結(jié)果顯示，21個(gè)單倍型分為GroupⅠ、GroupⅡ和GroupⅢ三進(jìn)化枝。其中，位于內(nèi)蒙古東北部的陳巴爾虎等3個(gè)種群有10個(gè)單倍型，位于內(nèi)蒙古中部的錫林浩特等4個(gè)種群10個(gè)單倍型，位于渾善達(dá)克沙漠南部的正鑲白旗種群7個(gè)單倍型，8個(gè)地理種群有3個(gè)共享單倍型（圖3）。3個(gè)進(jìn)化枝分別與采集的地理種群相吻合。

2.3 布氏田鼠種群的遺傳分化

作為影響種群遺傳分化的重要因素——基因流，其流越弱，表明群體間的基因流水平較低，種群間遺傳分化較大。按單倍型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化關(guān)系分析劃分的3個(gè)區(qū)域類(lèi)群之間的基因流（Nm）和遺傳分化系數(shù)（Fst）值如表1所示。類(lèi)群間的遺傳分化指數(shù)FST值分析顯示，區(qū)域類(lèi)群GroupⅠ與GroupⅡ的Fst值為0.3646，區(qū)域類(lèi)群GroupⅢ與其他區(qū)域類(lèi)群的Fst值為0.823 2～0.834 7，布氏田鼠類(lèi)群Fst P值均<0.05的檢驗(yàn)水平。區(qū)域類(lèi)群GroupⅠ與GroupⅡ的Nm為0.234 2，區(qū)域類(lèi)群Group Ⅲ與其他區(qū)域類(lèi)群的Nm為0.098 8～0.103 7，各種群間的基因交流均<1，尤其是類(lèi)群Group Ⅲ與其他 2個(gè)種群之間的基因交流值最小。

以上分析揭示區(qū)域類(lèi)群GroupⅠ與GroupⅡ間出現(xiàn)了分化的趨勢(shì)，但遺傳分化水平相對(duì)較低，而Group Ⅲ的正鑲白旗種群與其他種群之間有較高的遺傳分化。根據(jù)地理分布及系統(tǒng)分析結(jié)果，將3個(gè)地理種群和8個(gè)小種群進(jìn)行遺傳變異的分子變異等級(jí)分析（AMOVA），結(jié)果見(jiàn)表2。區(qū)域類(lèi)群間的遺傳變異占總變異比率的64.08%，區(qū)域內(nèi)種群間的變異組分為7.78%，小群體內(nèi)的變異組分為28.14%。區(qū)域內(nèi)種群間小種群之間的遺傳變異要小于區(qū)域類(lèi)群間的遺傳變異，布氏田鼠具有很高的遺傳結(jié)構(gòu)。遺傳變異主要發(fā)生在區(qū)域之間和種群內(nèi)，且P值顯著。endprint

種群間的遺傳距離（GD）、遺傳相似度（GI）和地理距離（GGD）見(jiàn)表3。各種群間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近可以通過(guò)Nei′s標(biāo)準(zhǔn)遺傳距離（GD）和遺傳相似度（GI）的大小反映，當(dāng)GI≥0.6時(shí)，認(rèn)為各種群間的基因交流非常頻繁。遺傳距離分析揭示，布氏田鼠種群之間的遺傳距離最小值為0.092 1，最大值為0.246 7，其中正鑲白旗種群與其他種群的遺傳距離在0.197 9～0.246 7之間，遺傳距離大，分化明顯。遺傳相似度分析顯示，布氏田鼠種群之間的遺傳相似度在0.507 4～0.921 1之間，除正鑲白旗種群與其他種群遺傳相似度均<0.6，其他種群之間的遺傳相似度均>0.6。以上分析結(jié)果反映正鑲白旗種群與其他種群間基因交流較低，與上述遺傳分化的結(jié)果基本一致。

2.4 Mantel test分析

種群間的遺傳距離（GD）與地理距離（GGD）見(jiàn)表3。在地理距離隔離的Mantel檢驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)遺傳距離和地理距離后，將遺傳距離同地理距離之間做相關(guān)性檢驗(yàn)，判斷布氏田鼠地理種群間是否存在地理隔離因素。應(yīng)用SPSS對(duì)8個(gè)種群遺傳距離與各采樣點(diǎn)間地理距離做回歸分析，得到了地理距離與遺傳距離的關(guān)系圖（圖4）。可以看出，數(shù)據(jù)點(diǎn)比較分散的分布于折線周?chē)瑳](méi)有明顯的規(guī)律性。Mantel檢驗(yàn)結(jié)果顯示R2=0.315 9，P>0.05，表明種群間的遺傳距離和地理距離無(wú)顯著相關(guān)性。

3 結(jié)論與討論

遺傳結(jié)構(gòu)是種群中遺傳變異分布的時(shí)空格局，它受突變、基因流、自然選擇和遺傳漂變的影響，或者是取決于種群?jiǎn)挝婚g的擴(kuò)散規(guī)模[13-15]。種群遺傳結(jié)構(gòu)的改變和種群分化是研究微進(jìn)化過(guò)程的核心內(nèi)容[16-18]，也是物種形成過(guò)程中具有決定意義的一步。Wang等[7]對(duì)內(nèi)蒙古3個(gè)布氏田鼠地理種群遺傳結(jié)構(gòu)分析顯示，種群呈現(xiàn)較高水平的遺傳分化，遺傳分化與地理距離沒(méi)有顯著相關(guān)性，布氏田鼠有限的遷徙能力和棲息地破碎化是引起種群遺傳分化的重要因素。

本研究采集來(lái)自內(nèi)蒙古中部和東北部的8個(gè)布氏田鼠種群，構(gòu)建的單倍型中介網(wǎng)絡(luò)圖直觀的表明布氏田鼠種群21種單倍型分布于3個(gè)類(lèi)群，分別與采集的地理種群相吻合：同一地理種群內(nèi)單倍型之間遺傳差異小，而不同區(qū)域種群間的單倍型之間存在較大區(qū)別。基于基因流、遺傳分化系數(shù)等數(shù)據(jù)分析表明，正鑲白旗種群與其他種群間的分化較顯著，而GroupⅠ和GroupⅡ區(qū)域類(lèi)群間已呈現(xiàn)分化趨勢(shì)。導(dǎo)致種群分化可能有以下因素：首先，田鼠形成于8～7 MaBP以前，在第三紀(jì)（距今800萬(wàn)年至250萬(wàn)年前）田鼠棲息地呈廣泛、連續(xù)分布[19]。第四紀(jì)（距今248萬(wàn)年前）青藏高原抬升及多次冰期、間冰期的影響，使原連續(xù)分布的田鼠呈現(xiàn)隔絕、間斷、點(diǎn)、片狀、不連續(xù)分布[19]。內(nèi)蒙古高原為田鼠提供了冰期避難場(chǎng)所，而生物避難場(chǎng)所由于種群空間分離形成異域種群，為新種或新亞種形成提供條件[20]，這是引起種群遺傳分化的地質(zhì)因素。其次，布氏田鼠的遷徙在很大程度上受到內(nèi)蒙古草原復(fù)雜多變的地形地貌的影響，削弱了種群間的基因交流。尤其是渾善達(dá)克沙地形成了布氏田鼠的遷徙地理屏障，逐漸把GroupⅢ與其他區(qū)域類(lèi)群隔離開(kāi)來(lái)，在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生遺傳分化，這是引起種群遺傳分化的地理因素。再次，內(nèi)蒙古自治區(qū)地形狹長(zhǎng)，不同地理區(qū)劃內(nèi)的氣候、地形、植被條件對(duì)布氏田鼠的分布和生存有重要影響。因此，棲息地片段化和復(fù)雜多變的地理氣候形成的生境隔離在很大程度上影響了本來(lái)就很有限的布氏田鼠遷徙能力，從而削弱了種群間的基因交流，這是引起布氏田鼠種群遺傳分化的生態(tài)因素。最后，布氏田鼠是一種營(yíng)聚集生活的小型哺乳動(dòng)物，雖然分布區(qū)域廣、繁殖力強(qiáng)，但擴(kuò)散能力相對(duì)較弱，因而可能較易受距離隔離的影響而限制了種群間基因交流，這是產(chǎn)生遺傳分化的物種因素。距離隔離[21]理論認(rèn)為，空間距離因素會(huì)限制基因流在種群間發(fā)生，導(dǎo)致種群產(chǎn)生遺傳分化，并隨著種群間地理距離的增加，其遺傳差異性也不斷增大。

古生物學(xué)和生態(tài)學(xué)證據(jù)表明，一些小型嚙齒類(lèi)動(dòng)物會(huì)強(qiáng)烈地依賴特定的棲息地生境，環(huán)境的影響會(huì)改變其遺傳模式[22]。黃 翔等[23]對(duì)蒙新區(qū)子午沙鼠種群遺傳結(jié)構(gòu)的研究表明，子午沙鼠種群遺傳結(jié)構(gòu)與地理距離沒(méi)有顯著的相關(guān)性，而影響種群遺傳結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素是蒙新干的海拔。

本文研究的8個(gè)布氏田鼠種群之間的地理距離基本超過(guò)200 km，遺傳距離與地理距離的回歸分析和Mantel檢驗(yàn)顯示，布氏田鼠種群遺傳分化與地理距離沒(méi)有顯著相關(guān)性，表明地理距離對(duì)該研究區(qū)域的布氏田鼠種群分化格局影響微小，即使在地理上相距較遠(yuǎn)的種群間也沒(méi)有顯著的遺傳差異，說(shuō)明種群間隔距離對(duì)于布氏田鼠的遺傳分化影響不是主要因素。

4 致謝

感謝中國(guó)科院內(nèi)蒙古錫林郭勒草原生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站，中科院動(dòng)物所農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害鼠害國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張強(qiáng)博士和鄭州大學(xué)謝東明研究生在樣品采集過(guò)程中的幫助。

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