海藻栽培对野生群体的遗传影响——以紫菜、羊栖菜为例

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全球气候变化导致海洋环境发生广泛变化,直接影响着海藻等水生生物的生存和分布。野生海藻资源因其经济价值遭到人类无节制的开采,再加上海藻栽培规模的逐年扩大,这些自然和人为因素可能会在种群和物种水平上对大型海藻的生物多样性产生重大的影响,导致其遗传资源退化、环境适应能力降低。紫菜和羊栖菜是我国自然分布区域较广的两种代表性大型海藻,且是我国栽培历史较长、栽培面积较大、产量较高的重要经济海藻。本研究广泛地采集了我国紫菜和羊栖菜的自然群体及代表性的人工栽培群体,通过DNA条形码和微卫星标记技术对其进行了种质资源及遗传多样性分析,这对于紫菜和羊栖菜种质资源的保护、可持续利用以及遗传改良均具有十分重要的意义。本研究采集的紫菜样品分别为黄渤海沿岸的8个城市的54个紫菜群体,以及东海和南海海域3个海岛的8个紫菜群体。基于叶绿体基因组1,5-二磷酸核酮糖羧化酶大亚基(rbc L)和真核生物核糖体DNA亚基(18S r DNA)两种基因条形码技术,可鉴定出在黄渤海区域采集到的栽培紫菜群体均为条斑紫菜(Neopyropia yezoensis),采集到的野生紫菜群体中可鉴定出条斑紫菜(占比大于90%)、圆紫菜(Calidia suborbiculata)、甘紫菜(Neopyropia tenera)、半叶紫菜(Neopyropia katadae)和木下紫菜(Neopyropia kinositae)。在日照和东营沿岸采集到的野生紫菜群体均为条斑紫菜;在威海沿岸采集到的紫菜种类较多,包含条斑紫菜、甘紫菜、半叶紫菜和木下紫菜;大连沿岸的紫菜群体间遗传多样性较高,而日照沿岸的紫菜群体间遗传多样性较低。另外,在东海和南海海域采集到的野生紫菜群体中可鉴定出坛紫菜(Neoporphyra haitanensis)、圆紫菜、种子岛紫菜(Calidia tanegashimensis)和Calidia acanthophora,而在该海域采集到的栽培紫菜群体鉴定为坛紫菜。以所采集的黄渤海条斑紫菜群体(8个栽培群体和10个野生群体)为样品,开发出11个具有中高度多态性的微卫星标记,在375个条斑紫菜个体中共扩增出60个等位基因。8个栽培群体的平均Shannon’s多样性指数为0.471,平均条带多态性比率为77.27%,并且其中有5个栽培群体的多态性比率为90.91%,表明栽培群体具有中高等水平遗传多样性。而野生群体平均Shannon’s多样性指数为0.381,平均条带多态性比率为73.64%,其中仅有2个野生群体的多态位点百分率为90.91%,70%野生群体间有较高的遗传相似度。来自大连大长山岛和连云港赣榆的2个条斑紫菜栽培群体之间遗传相似系数最高(0.989),推测其来源于同一栽培品系。基于聚类分析发现,部分栽培群体与野生群体在系统进化树中亲缘关系较近。为探究同一海域条斑紫菜栽培群体与野生群体间的基因交流情况,分别对黄海北部长山群岛海域、青岛海域、海州湾三个海域的栽培群体与野生群体间的基因交流情况分析发现,从北往南,栽培群体与野生群体间的基因交流呈增加的趋势。但栽培群体与野生群体间基因流动不对称,从栽培群体到野生群体的基因流动较少,暗示条斑紫菜栽培生产的规模和栽培历史的长短对周边的紫菜自然群体的遗传多样性产生的影响较小。以所采集的东海和南海海域紫菜群体(3个栽培群体和5个野生群体)为样品,筛选出6个具有中等多态性水平的紫菜种间通用的微卫星标记,平均多态信息指数为0.347,并且在150个紫菜个体中共扩增出32个等位基因。5个坛紫菜群体的遗传多样性水平较低,其Shannon’s多样性指数、实际杂合度和多态位点百分率等遗传多样性指数均显著低于圆紫菜、种子岛紫菜和Calidia acanthophora这3个紫菜群体。5个坛紫菜群体的Shannon’s多样性指数为0.072-0.238,多态位点百分率为16.67%-50.00%,群体间遗传相似系数为0.987-1.000,表明东海和南海海域坛紫菜群体的遗传多样性水平均较低,且栽培群体与野生群体间存在较高基因交流,但栽培群体与野生群体之间没有明显的基因流动趋向,不足以证明是坛紫菜的栽培对野生群体多样性产生了影响。另外,基于高通量测序获得的羊栖菜转录组数据,利用浙江洞头1个栽培羊栖菜群体和山东木也岛、广东平屿岛、浙江南麂岛的3个野生羊栖菜群体,共开发11个具有较高多态性的微卫星标记,在82个羊栖菜个体中共扩增出44个等位基因,其平均Shannon’s多样性指数为0.835,平均多态信息指数为0.417。洞头栽培羊栖菜与平屿岛野生羊栖菜两个群体间遗传分化程度最低,亲缘关系最近,表明洞头栽培群体的原始野生苗种来源可能包括平屿岛的野生羊栖菜群体。4个羊栖菜群体间的遗传分化系数为0.094-0.393,分子方差分析结果也显示群体间的遗传遗传变异程度较高。洞头栽培群体与南麂岛野生群体间具有一定的基因交流,表现为从洞头流向南麂岛,可能是造成南麂岛野生群体观测杂合度高于理论杂合度的原因之一。本研究对不同的DNA条形码在紫菜种质资源中的鉴定能力进行了检验,考虑到鉴定效果与鉴定成功率,认为rbc L和18S r DNA这两种DNA条形码最适合对紫菜种质资源进行鉴定。在紫菜和羊栖菜中开发的微卫星标记均具有较高的多态性,可为这两种海藻的群体遗传多样性分析提供可靠的保障,也为其遗传图谱构建及种质资源评价、保护和开发利用等提供更多标记选择。微卫星标记分析结果显示,条斑紫菜群体和羊栖菜群体的群体多样性水平均较高,但栽培群体的多样性均略高于野生群体,而坛紫菜野生群体与栽培群体的遗传多样性均处于较低水平。长期的紫菜栽培对野生资源没有造成明显的遗传渐渗影响,而由于羊栖菜栽培生产中种苗来源的复杂性,其栽培和野生群体间的基因交流程度较高。
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