黃小芳 唐章生 劉俊丹 張宏燕 鐘一治 盧智發 侯樹鑒 王大鵬 陸專靈



摘要:【目的】了解當前廣西克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)群體的遺傳背景,為其人工養殖及種質資源保護提供參考依據。【方法】選取廣西5個地區(南寧、大塘、融水、柳州和來賓)的克氏原螯蝦群體作為研究對象,利用8對微衛星引物對各克氏原螯蝦群體基因組DNA進行PCR檢測,然后通過PopGene32和NTSYSpc 2.1等在線軟件分析廣西克氏原螯蝦群體的遺傳多樣性。【結果】南寧(NN)、大塘(DT)、融水(RS)、柳州(LZ)和來賓(LB)5個克氏原螯蝦群體的平均有效等位基因數(Ne)為2.5142~3.0574,平均期望雜合度(He)為0.5708~0.6489,平均多態信息含量(PIC)為0.4899~0.5843,存在中度至高度的遺傳多樣性,其中南寧群體和大塘群體的遺傳多樣性略低于融水群體、柳州群體和來賓群體。5個克氏原螯蝦群體的平衡偏離指數(D)均為負值,且發生一定程度的Hardy-Weinberg平衡偏離,雜合子缺失現象普遍存在。5個克氏原螯蝦群體間的基因流(Nm)為2.3898~6.0284,遺傳分化指數(Fst)為0.0398~0.0947,表明各群體間存在廣泛的基因交流,僅存在低度至中度的遺傳分化;各克氏原螯蝦群體間的遺傳相似系數和遺傳距離分別為0.6861~0.8583和0.1528~0.3768,其中,遺傳距離趨勢與Fst趨勢一致,而遺傳相似系數與Nm趨勢一致,均表明柳州群體與來賓群體具有高度的相似性,遺傳距離較近。UPGMA聚類分析結果也顯示,南寧群體和大塘群體聚類為一支,而柳州群體先與來賓群體聚類再與融水群體聚類成另一支。【結論】廣西不同地區克氏原螯蝦群體具有一定的遺傳多樣性,但其雜合子缺失現象普遍存在,應通過適當引種及加強不同地區群體間的遺傳交流,保護好克氏原螯蝦的優良種質資源。
關鍵詞: 克氏原螯蝦;遺傳多樣性;微衛星位點;雜合子缺失;廣西
中圖分類號: S917.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼: A 文章編號:2095-1191(2020)02-0437-08
Genetic diversity microsatellite analysis of Procambarus clarkii populations in different regions of Guangxi
HUANG Xiao-fang1,2, TANG Zhang-sheng1, LIU Jun-dan2, ZHANG Hong-yan2,
ZHONG Yi-zhi1,3, LU Zhi-fa1, HOU Shu-jian1, WANG Da-peng1*, LU Zhuan-ling1*
(1Guangxi Academy of Fishery Sciences/Guangxi Key Laboratory of Aquatic Genetic Breeding and Healthy Aquaculture, Nanning? 530021, China; 2College of Animal Science and Technology/State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources, Guangxi University, Nanning? 530004, China; 3Guangxi Nanning Yanleshang Biotechnology Co., Ltd., Nanning? 530004, China)
Abstract:【Objective】To understand the genetic background of Procambarus clarkii populations in Guangxi, and provide reference for its artificial culture and germplasm conservation. 【Method】The P. clarkii populations in five regions (Nanning, Datang, Rongshui, Liuzhou and Laibin) of Guangxi were selected as research objects, and the genomic DNA of five populations was detected by PCR using eight pairs of microsatellite primers, then the genetic diversity of P. clarkii populations in Guangxi was analyzed using PopGene32 and NTSYSpc 2.1. 【Result】The results showed that the average effective number of alleles (Ne) in Nanning (NN), Datang (DT), Rongshui (RS), Liuzhou (LZ) and Laibin (LB) was 2.5142-3.0574, and the average expected heterozygosity (He) was 0.5708-0.6489, the average polymorphic information content (PIC) was 0.4899-0.5843, representing a moderate to high genetic diversity. Among them, the genetic diversity of NN and DT populations were slightly lower than those of RS, LZ and LB populations. The equilibrium indexes (D) of five populations were negative, indicating a certain degree of Hardy-Weinberg equilibrium deviation occurred, and he-terozygous deletion was ubiquitous. The gene flow(Nm) among different P. clarkii populations was 2.3898-6.0284, and the genetic differentiation index(Fst) was 0.0398-0.0947, demonstrating that there were extensive gene exchanges and only low or moderate differentiation between different populations. The genetic similarity coefficient and genetic distance between different populations were 0.6861-0.8583 and 0.1528-0.3768, respectively, among them, the trend of genetic distance was consistent with Fst, and the trend of genetic similarity coefficient was consistent with Nm, demonstrating that LZ and LB populations had high similarity and short genetic distance. UPGMA cluster analysis displayed that NN and DT populations belonged to the same branch; LZ and LB populations were grouped into one category and then merged with RS population into the other branch. 【Conclusion】The P. clarkii populations in different regions of Guangxi have a certain high genetic diversity, however, the heterozygous deletion is very common. Therefore, it is necessary to protect the good germplasm resources of P. clarkii by suitable introduction and strengthening the genetic communication between different populations.
Key words: Procambarus clarkia; genetic diversity; microsatellite loci; heterozygote deletion; Guangxi
Foundation item: Guangxi Innovation Driven Development Project(Guike AA17204094-6,Guike AA17204095-4); Independent Project of Guangxi Key Laboratory of Aquatic Genetics Breeding and Healthy Aquaculture (18-A-04-07)
0 引言
【研究意義】克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)又稱淡水小龍蝦,原產于北美洲,因其味道鮮美、營養豐富、價格相對低廉,深受消費者喜愛,并迅速擴散至夏威夷、日本、歐洲和尼羅河流域(Yi et al.,2018;徐濱等,2019)。克氏原螯蝦于20世紀30年代末由日本引入我國南京(張愛軍和沈繼紅,2005),因其適應能力強,在長江流域一帶大量繁殖,現已廣泛分布于我國南方地區的湖泊和溝渠,是一種重要的水產資源(宋光同等,2018)。尤其是戴愛云(1983)首次提倡利用鰲蝦作為水產資源加以開發以來,克氏原螯蝦養殖業得到快速發展,目前全國養殖面積已超過100萬ha,且有進一步擴大的趨勢(嚴維輝等,2019)。隨著克氏原螯蝦養殖地域和規模的不斷擴大,其逆向選擇及種苗自繁自育的養殖模式導致克氏原螯蝦個頭逐年變小、病害頻發、種質退化嚴重,因此,迫切需要從基因水平上開展不同群體遺傳變異及遺傳關系研究,為其良品繁育提供種質資源,以促進克氏原螯蝦養殖業的健康發展。【前人研究進展】微衛星(Microsatellite)又稱簡單序列重復(Simple sequence repeats,SSR),是一類在真核生物基因組中高度變異的簡單重復DNA序列(Schl?tterer and Tautz,1992),符合孟德爾遺傳規律,具有共顯性和多態性,且穩定性較好,是簡單快速的基因型檢測對象(秦海峰等,2014),已廣泛應用于生物群體間的遺傳關系研究(Cruz et al.,2002;孫效文等,2008;熊良偉等,2018)。Belfiore和May(2000)、Zhu和Yue(2008)先后對克氏原螯蝦基因組文庫進行篩選,分別獲得23和11對可良好擴增微衛星位點的引物,均可用于研究克氏原螯蝦的物種入侵路線、遺傳多樣性和種群結構。王長忠等(2009)利用17對微衛星引物對長江下游地區4個克氏原螯蝦群體遺傳多樣性進行分析,結果表明其遺傳多樣性處于中等水平,群體間基因流水平較高、遺傳分化程度較小。曹玲亮等(2010)選用9對微衛星引物構建安徽三大水系的克氏原螯蝦種群遺傳格局,發現安徽地區的克氏原螯蝦遺傳多樣性水平較高,尤其是雜合度較高,認為水系間的交流是種群擴散的主要途徑。費騰等(2010)通過5個高多態性的微衛星分子標記研究封閉式小水體養殖對克氏原螯蝦的影響,證實3~5年的封閉性養殖還不足以顯著改變其遺傳多樣性。彭剛等(2010)基于7對微衛星引物對比分析3個克氏原螯蝦野生群體和養殖群體間的遺傳多樣性,結果發現野生群體相對于養殖群體具有較高的遺傳多樣性。Li等(2012)通過線粒體基因序列和12對微衛星位點對克氏原螯蝦進入我國的起始地點、傳播方式、遺傳多樣性和遺傳結構進行分析,結果證實南京是克氏原螯蝦最初在我國傳播的起始地點,且與日本來源的克氏原螯蝦含有相似遺傳成分,但至今并未經歷明顯的種群擴張。邢智珺等(2014)使用8個微衛星分子標記分析江蘇省8個主要產區克氏原螯蝦野生群體的遺傳多樣性,結果發現江蘇主要產區克氏原螯蝦野生群體的遺傳多樣性較高,且存在群體間中度分化現象。李喜蓮等(2016)基于微衛星分子標記對桐廬、太湖、湖北、江西、洪澤湖、崇明、廣西和海鹽等8個克氏原螯蝦群體的遺傳多樣性和遺傳結構進行研究,結果表明8個群體的平均觀測雜合度(Ho)為0.5257~0.7400,平均期望雜合度(He)為0.6238~0.7434,其中以廣西群體的遺傳多樣性最高。【本研究切入點】目前,國內已有較多關于克氏原螯蝦遺傳多樣性分析的報道,但只有李喜蓮等(2016)的研究涉及到廣西群體,即廣西地區的克氏原螯蝦遺傳多樣性尚未得到系統研究。【擬解決的關鍵問題】選取8個微衛星分子標記對廣西不同地區的克氏原螯蝦群體進行遺傳多樣性分析,旨在了解當前廣西克氏原螯蝦群體的遺傳背景,為其人工養殖及種質資源保護提供參考依據。
1 材料與方法
1. 1 試驗材料
收集廣西5個地區的克氏原螯蝦群體樣本,每個地區20~30尾,分別取自南寧(NN)、大塘(DT)、融水(RS)、柳州(LZ)和來賓(LB)的小龍蝦養殖場,其蝦苗均未經過人工選育。不同地區的克氏原螯蝦蝦苗來源、采集時間和數量信息詳見表1。
1. 2 微衛星引物篩選與合成
從Belfiore和May(2000)已發表的克氏原螯蝦微衛星位點中挑選出8對微衛星引物用于克氏原螯蝦群體遺傳多樣性分析,并委托生工生物工程(上海)股份有限公司合成。微衛星引物信息見表2。
1. 3 基因組DNA抽提
根據天根生化科技(北京)有限公司的DNA抽提試劑盒(#DP304)說明抽提克氏原螯蝦基因組DNA,具體步驟:取20 mg背部肌肉剪碎,加入200 μL緩沖液GA和20 μL Proteinase K溶液,混勻,56 ℃水浴鍋消化3 h;加入200 μL緩沖液GB,充分混勻,70 ℃作用10 min后加入200 μL無水乙醇,充分振蕩混勻15 s;將所得溶液加入吸附柱CB3中,12000 r/min離心1 min,棄廢液;將吸附柱CB3放回收集管中,加入500 μL緩沖液GD,12000 r/min離心1 min,棄廢液;將吸附柱CB3放回收集管中,再加入600 μL漂洗液PW,12000 r/min離心1 min,棄廢液;將吸附柱CB3放回收集管中,12000 r/min空離2 min,室溫靜置5 min,向吸附柱CB3中央滴加80 μL滅菌ddH2O,12000 r/min離心2 min洗脫DNA;最后在NanoDrop 1000分光光度計(Thermo)上測定DNA濃度,選擇OD260/280在1.8~2.2的樣品,-80 ℃保存備用。
1. 4 PCR擴增
采用8對微衛星引物對待檢測的克氏原螯蝦樣品進行PCR擴增,反應體系20.0 μL:10×Taq PCR MasterMix聚合酶[天根生化科技(北京)有限公司]10.0 μL,正、反向引物(10 μmol/L)各0.5 μL,DNA模板3.0 μL(400 ng),ddH2O 6.0 μL。擴增程序:95 ℃預變性5 min;95 ℃ 30 s,56 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,進行35個循環;72 ℃延伸10 min。取出PCR擴增產物,制備2.0%瓊脂糖凝膠,并按樣品編號順序,以20和50 bp DNA Ladder(TaKaRa)為參考,每孔加樣8.0 μL,90 V下電泳3~5 h(不同微衛星座位的電泳時間有所不同),待條帶分離開后用GE Healthcare ImageQuant LAS500(Uppsala)成像儀進行成像,并采用ImageQuant TL進行條帶分析。
1. 5 統計分析
經電泳獲得各樣品微衛星位點信息后,采用PopGene32和NTSYSpc 2.1等在線軟件分析不同地區克氏原螯蝦群體微衛星位點的等位基因數(Na)、有效等位基因數(Ne)、Shannon?s信息指數(I)、Ho、He、基因流(Nm)、遺傳分化指數(Fst)、遺傳相似性系數及遺傳距離等參數,使用PHYLIP v3.5進行聚類分析。Hardy-Weinberg平衡偏離指數(D)是反映群體在某個微衛星位點偏離Hardy-Weinberg平衡程度的參數,計算公式為D=(Ho-He)/He;多態信息含量(PIC)反映微衛星DNA的變異程度,是衡量微衛星位點多樣性的重要指標(Botstein et al.,1980)。
2 結果與分析
2. 1 PCR擴增電泳結果
采用8對微衛星引物對廣西不同地區克氏原螯蝦群體共140份樣品進行PCR擴增,經電泳凝膠成像均獲得清晰的電泳條帶,部分微衛星位點的PCR擴增電泳結果如圖1所示。
2. 2 不同地區克氏原螯蝦群體的等位基因分析結果
選取8個微衛星位點對廣西不同地區克氏原螯蝦群體的等位基因及有效等位基因進行分析,結果發現5個克氏原螯蝦群體的8個微衛星位點共檢測到37個等位基因,平均Na為3.925個,每個微衛星位點的Na在3~6個,其中,PclG02的Na最少(3個),PclG07的Na最多(6個),各地區克氏原螯蝦群體的平均Na為3.750~4.250(表3),不存在明顯差異。8個微衛星位點的平均Ne為1.5267~4.6997;各地區克氏原螯蝦群體的平均Ne為2.5142~3.0574,其中柳州群體和融水群體的Ne較高(2.9328和3.0574),而南寧群體的Ne較低(2.5142)。
2. 3 不同地區克氏原螯蝦群體內的遺傳多樣性分析結果
通過PopGene32對廣西不同地區克氏原螯蝦群體8個微衛星位點進行群體內遺傳多樣性分析,結果顯示,南寧克氏原螯蝦群體的平均 I 為0.9843,大塘、融水、柳州和來賓4個克氏原螯蝦群體的平均 I 則在1.1000以上(表3)。從表4可看出,5個克氏原螯蝦群體在8個微衛星位點中均存在不同程度的多態性。其中,5個群體的平均Ho在0.3563~0.5208,以南寧群體和柳州群體最高、來賓群體最低;但南寧群體的平均He最低(0.5708),而其他4個群體均在0.6200以上。南寧克氏原螯蝦群體的平均PIC為0.4899,呈中度多態性(0.25
5個克氏原螯蝦群體的平均D均為負值,表明廣西克氏原螯蝦群體總體上處于雜合子缺失狀態。南寧群體中有4個微衛星位點的雜合子缺失,平均D最接近于0,相對于其他群體而言較平衡;其他4個群體的8個微衛星位點中有6~7個處于雜合子缺失狀態,以來賓群體最明顯,D為-0.4418,雜合子缺失及偏離Hardy-Weinberg平衡最嚴重(表4)。經卡方檢驗,發現南寧群體有4個微衛星位點處于極顯著水平(P<0.01,下同)及1個微衛星位點處于顯著水平(P<0.05,下同),其他4個群體則存在6~8個微衛星位點處于顯著或極顯著水平(表5),表明廣西不同地區克氏原鰲蝦已發生不同程度的Hardy-Weinberg平衡偏離。
2. 4 不同地區克氏原螯蝦群體間的遺傳分化分析結果
采用PopGene32對廣西不同地區克氏原螯蝦群體進行種群間的遺傳分化分析,結果顯示,5個群體間的Nm在2.3898~6.0284(表6),說明不同群體間存在一定程度的交流;其中,柳州群體與來賓群體的Nm最高(6.0284),其次是融水群體與柳州群體的Nm(5.2530)及南寧群體與柳州群體的Nm(4.2289),說明這些地區屬于隨機交配的群體;而其他群體間的Nm在2.0000~4.0000,屬于高度交流的群體。群體間的Nm越大,則Fst越小。5個克氏原螯蝦群體間的Fst在0.0398~0.0947,其中,柳州群體與來賓群體的Fst最小,其次是柳州群體與融水群體(0.0454),而其他群體間處于中度分化水平,其所有群體間尚未出現高度分化現象。
由表7可知,廣西不同地區克氏原螯蝦群體間的遺傳相似系數在0.6861~0.8583,均具有較高的親緣關系,對應的遺傳距離為0.1528~0.3768。其中,柳州群體與來賓群體的遺傳相似系數最高,遺傳距離最近,表明這兩個群體間的親緣關系最近,遺傳變異程度較小;大塘群體與來賓群體的遺傳相似系數最低,遺傳距離最遠,表明這兩個群體間在5個群體中的親緣關系較遠,變異程度相對較大。
2. 5 不同地區克氏原螯蝦群體的遺傳聚類分析結果
基于遺傳距離通過PHYLIP v3.5對廣西不同地區克氏原螯蝦群體進行UPGMA聚類分析,結果顯示5個克氏原螯蝦群體可分為兩大分支(圖2),其中,南寧群體和大塘群體聚類為一支,而柳州群體先與來賓群體聚類再與融水群體聚類成另一支。由各克氏原螯蝦群體間的遺傳距離長度(在各自線條上方)也可知,柳州群體與來賓群體的遺傳距離最近。
3 討論
明確克氏原螯蝦的生物多樣性,可提高其育種篩選效率,進而增強克氏原螯蝦的適應能力。廣西克氏原螯蝦的生物多樣性至今尚未得到系統研究,僅有李喜蓮等(2016)曾報道廣西克氏原螯蝦群體相對于其他省份的克氏原螯蝦群體具有較高遺傳多樣性,但廣西不同地區克氏原螯蝦群體間并未進行系統比較。開展廣西不同克氏原螯蝦群體生物多樣性分析除了有利于促進優勢物種繁育外,對了解克氏原螯蝦在華南地區的遺傳多樣性也具有重要意義。王長忠等(2009)研究表明,長江中下游地區克氏原螯蝦群體的遺傳多樣性均處于中等水平,而南京地區是我國最早引進克氏原螯蝦的地方,故其群體具有較高遺傳多樣性。彭剛等(2010)研究發現,長江流域4個克氏原螯蝦群體均已發生一定程度的Hardy-Weinberg平衡偏離,群體內的基因型頻繁發生變動,且野生群體的遺傳多樣性高于養殖群體。本研究選取廣西5個地區(南寧、大塘、融水、柳州和來賓)的克氏原螯蝦群體作為研究對象,利用8個微衛星位點進行生物多樣性分析,結果發現5個克氏原螯蝦群體的Na在30~34個,平均Ne在2.5142~3.0574,與王長忠等(2009)、費騰等(2010)、彭剛等(2010)的研究結果相似。廣西不同地區克氏原螯蝦群體的平均He均較高,即存在一定程度的遺傳多樣性;PIC在0.4899~0.5843,高于王長忠等(2009)、費騰等(2010)的研究結果,而與彭剛等(2010)的研究結果相似,說明廣西克氏原螯蝦群體的多態性高于封閉式養殖群體;5個克氏原螯蝦群體的 I 在0.9843~1.1856,也說明廣西克氏原螯蝦群體具有較高的遺傳多樣性。此外,進一步分析發現廣西不同地區克氏原螯蝦群體的平均D均為負值,總體上處于雜合子缺失狀態,與王長忠等(2009)的研究結果相似,究其原因可能是群體數量較少且瓶頸效應的出現導致稀有基因缺失。
Fst是衡量群體間遺傳分化的重要參數,Fst在0.05~0.15屬于中等分化水平,其與Nm呈負相關;Nm則反映群體間基因交流的程度,Nm越大基因交流越頻繁(劉倩倩等,2018)。本研究結果顯示,柳州群體與來賓群體的Nm最大、Fst最小,說明兩個群體間進行交流的程度最高,其次是柳州群體與融水群體,可能是由于地理距離較近及頻繁人為引種所致;而來賓群體與南寧群體及大塘群體的基因交流相對較少,可能是這些群體是不同的種群,且具有各自獨特的遺傳多樣性。遺傳距離可反映群體間的變異情況和分化程度(Crawford and Littlejohn,1998),與其遺傳相似系數呈對立關系,而遺傳相似系數代表著群體間的親緣關系。廣西不同地區克氏原螯蝦群體的遺傳距離趨勢與Fst趨勢一致,而遺傳相似系數與Nm趨勢一致,均表明柳州群體與來賓群體具有高度的相似性,遺傳距離較小,與這兩個地區的地理距離最近相符。UPGMA聚類分析結果也顯示,南寧群體和大塘群體聚類為另一支,而柳州群體先與來賓群體聚類再與融水群體聚類成一支,其聚類分析結果符合地理區域分布。廣西5個地區的克氏原螯蝦群體雖然聚類分成兩支,但各群體間均有不同程度的基因交流,保持著中度至高度的遺傳多態性。其中,南寧群體和大塘群體的遺傳多樣性略低于融水群體、柳州群體和來賓群體,可能與其引種有關,為提高克氏原螯蝦遺傳多樣性,可適當從遺傳多樣性較高的融水、柳州或來賓等地引種進行雜交,選育出多樣性豐富的群體進行繁殖,保證各地區克氏原螯蝦群體的遺傳多樣性。廣西不同地區克氏原螯蝦群體均處于雜合子缺失狀態,與南京克氏原螯蝦群體雜合子缺失的結論(王長忠等,2009)相似,可能與養殖環境和養殖時間有關,為避免雜合子缺失,還建議適當從國外引進優良品種,并加強不同地區間克氏原螯蝦群體的遺傳交流。
4 結論
廣西不同地區克氏原螯蝦群體具有一定的遺傳多樣性,但其雜合子缺失現象普遍存在,應通過適當引種及加強不同地區群體間的遺傳交流,保護好克氏原螯蝦的優良種質資源。
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