江西三种红鲤群体遗传多样性及亲缘关系的SSR分析

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  【摘要】利用30对微卫星引物对江西三种红鲤群体进行了遗传多样性分析及亲缘关系的研究。结果表明:在30个基因座中,共检测到122个等位基因,每个座位检测到的等位基因数为1~7个,其中有28个座位具有多态性,多态位点百分率为93.33%,3个群体的平均等位基因数A为2.47,平均有效等位基因数Ne为2.4333~2.6000,平均观察杂合度Ho为0.4000~0.5566,平均期望杂合度He为0.4597~0.5002,平均多态信息含量PIC为0.3821~0.4191。根据Fst值表明群体间的遗传分化程度中等,根据基因频率(P)检验了各位点的Hardy-Weinberg平衡情况,所得P值说明3个群体均一定程度上偏离了平衡,各群体基因频率和基因型频率的稳定性较低,并且3个均处于不同程度的杂合子缺失状态,群体间的遗传分化程度较高,但遗传变异主要来自群体内。3个群体间的遗传相似系数为0.7965~0.9245,遗传距离为0.0655~0.1955,并根据遗传距离用UPGMA法对3个群体进行亲缘关系聚类。聚类结果表明,兴国红鲤和荷包红鲤的亲缘关系最近,玻璃红鲤和荷包红鲤的亲缘关系最远。
  【关键词】红鲤;微卫星;亲缘关系;遗传多样性
  
  微卫星分子标记是一种以1~6bp的核苷酸序列为核心序列的串联重复,因其在基因组中分布广泛,多态信息含量高,呈共显性遗传,检测方便快捷,遗传稳定等特点而备受青睐,已在遗传图谱的构建,分子标记辅助育种,QTL定位,群体遗传结构分析以及亲子鉴定等方面得到了广泛的应用[1-3]。
  鲤鱼(Cyprinus carpio L.)是中国境内分布范围最广的重要淡水经济鱼类之一。其养殖历史悠久,至今仍是中国传统淡水养殖业的重要养殖品种之一,其中,兴国红鲤( Cyprinus carpio var. singuonensis ),荷包红鲤( C. c. var. wuyuanensis) 和玻璃红鲤( C. c. var.wananensis) 均分布于江西省, 且体色为橘红色,因此而得名"江西三红"[5- 6]。红鲤是我国重要的遗传育种材料,容易与其它鲤杂交,杂种优势明显。鲤是世界上杂交育种工作做得最多、最有成效的一种鱼类,我国在鲤的杂种优势利用方面的研究富有成效,产生了一批在生产上有显著杂种优势的杂交种,如丰鲤(兴国红鲤×散鳞镜鲤) ,荷元鲤(荷包红鲤×元江鲤)等[7-8]。利用红鲤进行杂交育种产生的后代其经济性状优于它们的父母本,因此,进行红鲤的遗传背景分析尤其是遗传多样性和亲缘关系的研究就显得十分必要。本文利用30对微卫星引物对江西三种红鲤进行了群体遗传多样性和亲缘关系分析,检测其多态性参数。对江西三种红鲤的遗传多样性变化进行跟踪调查。以期能够为3个鲤鱼群体的遗传结构特征、种群历史及遗传种质资源的保护、开发和利用提供分子遗传学方面相关的信息和理论依据。
  
  1 材料与方法
  
  1.1 样品的采集与基因组DNA提取
  30尾兴国红鲤来自江西国家级兴国红鲤良种场,22尾荷包红鲤来自江西国家级荷包红鲤原种场,29尾玻璃红鲤来自江西万安县玻璃红鲤良种场。
  每个样品剪取鳍条约0.2g,加入0.4 mL裂解液(0.5 %十二烷基肌胺酸钠,0.5mol/L EDTA (pH=8.0),200μg/mL蛋白酶K,50℃温育8~12h,并不时轻摇至组织块完全消化,然后用酚、氯仿、异戊醇混合液(25∶24∶1)抽提2遍,对样品进行透析,然后无水乙醇沉淀,70%乙醇洗1次,自然干燥后加100μL0.1×TE(PH8.0)溶解,4℃保存备用。
  1.2 引物的筛选及群体的扩增
  用于3个鲤鱼群体遗传多样性分析的30对微卫星引物中29对根据鲁翠云等[9]克隆序列设计合成,另外一对引物Cca04见文献[10],由上海生工生物工程技术服务有限公司合成。
  PCR扩增反应总体积为25μL。反应体系为:DNA模板1μL(20~30 ng/μL),18μL PCR buffer(含适量的dNTP、Mg2 +)上下游引物各1μL(10 pmol/μL) , Taq polymerase 1U,补灭菌去离子水至25μL反应体系[11]。设计反应程序如下:94℃ 预变性5min;94℃ 变性30s,复性30s,72℃ 延伸30s,共30个循环;72℃延伸10min。用8 %聚丙烯凝胶电泳检测反应结果,并用Gel-Pro Analyzer 4.5软件分析数据。
  1.3 数据统计与分析
  计算并统计了30个微卫星基因位点上的等位基因数A、有效等位基因数Ne、多态位点百分率、观测杂合度Ho 、期望杂合度He、多态信息含量PIC、Fst值、Hardy-Weiberg 遗传偏离指数(d)、遗传相似系数、遗传距离等参数。所得数据使用POPGENE(Version 3.4)和PIC progame 软件进行分析计算,并使用Mega4.0软件对3个群体进行聚类。
  
  2 结果
  
  2.1 电泳结果
  引物在3个群体中经PCR特异扩增和聚丙烯凝胶电泳检测后均可以表现出清晰的片段大小和一定的多态性。电泳结果见图1。
  图 1引物HLJ-055在兴国红鲤群体内的PCR扩增结果
  Fig.1 PCR result of HLJ-055 in Xiangjiang population of Cyprinus carpio var. singuonensis
  2.2 30个微卫星位点的遗传多样性
  3个群体各位点的等位基因数、有效等位基因数、观测杂合度、期望杂合度、多态信息含量统计结果见表1。30个微卫星位点上共检测到122个等位基因,其中兴国红鲤、荷包红鲤、玻璃红鲤分别具有105、92、101个等位基因,其中82个为3个群体所共有。每个座位检测到的等位基因数1~7个不等,其中引物HLJ393在三个群体中扩增片段为单态;引物HLJ372和HLJ400为部分单态,引物HLJ-372在荷包红鲤群体为单态座位,而在其它两个群体中表现为多态,引物HLJ-400在玻璃红鲤群体为单态座位。其余27对引物在3个群体中均表现为多态。兴国红鲤的观察杂合度,期望杂合度和多态信息含量最高。3个群体的多态位点百分率分别为96.67 %,90.90 %,93.11 %。根据基因型频率(P)检验了3个红鲤群体各位点的Hardy-Weinberg平衡情况(表2),所得P值说明3个群体中偏离极显著的位点数分别有14、10、10,表明各群体均在一定程度上偏离了Hardy-Weinberg平衡。
  2.3 群体间的Fst值、遗传相似系数与遗传距离
  固定值数与初始基因频率有关。在有限的中小群体中,遗传漂变可以逐代增加基因频率在群体间变异,而群体内的变异逐渐减少。群体间的Fst值(表3)表明3个群体间的遗传分化程度在0.0505~0.0631,表明在总的遗传变异中93.69%~94.95%来自群体内,有5.05%~6.31%来自群体间。兴国红鲤与荷包红鲤群体间遗传分化较弱。利用popgene(Version 3.4)软件计算了3个群体间的Nei氏遗传距离与相似系数,具体结果见表4。根据表4可以看出,荷包红鲤与玻璃红鲤之间的遗传距离最大,兴国红鲤和荷包红鲤群体间的遗传距离最小。
  2.4 聚类分析结果
  根据表5所列的遗传距离,对3个群体进行UPGMA聚类分析,聚类结果见图2。由图可知,兴国红鲤和荷包红鲤的亲缘关系最近(0.9245),兴国红鲤和玻璃红鲤次之(0.8182),而荷包红鲤和玻璃红鲤最远(0.7963)。
  
  3 讨论
  
  群体的遗传多样性主要表现在杂合度和等位基因数两方面[12]。杂合度是群体在随机交配情况下,每个个体的两个等位基因处于杂合状态的概率。杂合度期望值越高,群体的遗传结构越复杂[13]。利用30个微卫星位点上共检测到122个等位基因,每个座位检测到的等位基因数为1~7个,其中82个等位基因为3个群体所共有,它们是红鲤在进化过程中较保守的一部分等位基因,对于维持红鲤物种的稳定有着重要的意义。引物HLJ-372在不同地理群体间扩增结果存在着一定的特异性,表现为引物HLJ-372在荷包红鲤群体为单态座位,而在其他两个群体中表现为多态。表明在此座位上荷包红鲤比其他2个群体的变异程度高;引物HLJ-393在3个群体中均扩增出两条带,说明在此位点江西三种红鲤无多态性。对于位点HLJ-372的进一步研究对于区分不同地理位置的鲤鱼群体具有一定的指导作用。基因杂合度表示群体在某座位为杂合子的比例。平均基因杂合度大小近似的反映出遗传结构变异程度的高低。在3个群体之中,平均观测杂合度和平均期望杂合度最高的为兴国红鲤;这说明兴国红鲤的群体杂合度高于其他两个群体,遗传多样性高于其他两个群体。而在3个群体之中,平均观测杂合度均低于各自相对应的平均期望杂合度,表明3个群体当中纯合子个体所占的比例较大, 存在着一定程度上表现出近交现象,杂合子缺失现象。因为兴国红鲤、玻璃红鲤和荷包红鲤均为人工选育品种,兴国红鲤于1973~1985 年进行了6 代选育,玻璃红鲤于1973~1983 年进行了6代选育,荷包红鲤于1969~1979 年进行了6 代选育[6 ]。人工育成品种是从有限的原始群体中经过多代近交而获得的,势必造成了部分等位基因的丧失,从而使群体纯合子的频率增加,杂合子的频率下降,出现瓶颈效应。从遗传学的角度来讲,瓶颈效应的发生首先表现为稀有等位基因的消失,随着瓶颈效应的加剧就会表现出平均杂合度的降低,继而会造成物种生长速度和抗病力的下降[14]。从三种红鲤的平均观测杂合度和平均期望杂合度的数值可以反映出种群保护的现状不容乐观,应对其采取有效的保种措施。
  多态信息含量(PIC)是衡量位点多样性的另外一种很好的指标。在某一群体中,当PIC > 0.5 时该位点表现为高度多态;当0.25 < PIC < 0.5 时该位点表现为中度多态;当PIC < 0.25 时该位点表现为低度多态[15 ]。在江西3种红鲤群体的30个位点中,22个位点表现为高度多态性;8个位点表现为中度多态性。在遗传连锁分析中,PIC > 0.7的微卫星DNA标记为最理想的选择标记,标记HLJ-049、HLJ-806、HLJ-809、HLJ-848 、HLJ-855、HLJ-873、HLJ-878、HLJ-900的平均PIC值均大于0.7,这8个标记对鲤鱼遗传多样性的进一步分析以及鲤鱼遗传图谱的构建有着重要意义。同时多态信息含量关系到该座位可用性及使用效率,多态信息含量越大,在一个群体中,该座位杂合子比例则越大,提供的遗传信息就越高。
  根据3个群体所检测的位点可知,在3个群体中偏离极显著的位点数分别有14、10、10,表明各群体均在一定程度上偏离了Hardy-Weinberg平衡,在发生偏离现象的位点上均存在杂合子缺失现象。这是因为这三个群体均为人工育成品种,人工强度使群体内的基因型频率发生了较大的改变;选育过程中的非随机交配,群体近交等也会导致杂合子缺失;也可能与无效等位基因的存在有关 [16 ],出现显著偏离哈迪一温伯格平衡的微卫星位点极有可能存在无效等位基因。在微卫星群体遗传分析中,如果无效等位基因存在而不被考虑,就会出现把杂合子计数为纯合子的错误,在结果中产生纯合子过剩,从而影响哈迪一温伯格平衡。
  根据群体间Fst值可知,兴国红鲤和荷包红鲤两个群体间的遗传分化度最低为0.0505。表明在总的遗传变异中有94.95%来自群体内,有5.05%来自群体间。根据公式Nm=(1-Fst)/4Fst。计算出群体间的基因流等于4.700。基因流大于1时,就可以阻止遗传漂变而引起种群间的分化。
  通过计算群体间的遗传相似性指数和遗传距离指数能够反映群体间的亲缘关系,发现兴国红鲤和荷包红鲤的遗传距离比较近(0.065),群体间的遗传相似性指数最高;兴国红鲤和玻璃红鲤次之(0.172),而荷包红鲤和玻璃红鲤最远(0.195)。实验结果基本与孙景春[17 ]应用RAPD技术,常玉梅[18 ]应用微卫星技术,王成辉[19]单核苷酸标记(SNP)得出的结果一致,而且"江西三红"之间的遗传差异较小(表3),说明三者之间的分化时间不长,这与孙景春和常玉梅等的观点也是相符的,本试验从样本容量上是常玉梅等[18 ]的二到三倍,分子量检测时应用的是聚丙烯凝胶电泳,而常玉梅应用的是琼脂糖凝胶电泳,因此,得到的数据可靠性更高,从遗传距离上看三种红鲤群体的遗传距离有变小的趋势,这可能与近几年在养殖过程中不同群体之间有遗传漂变的可能,本人认为在以后的养殖过程中要加强种资资源的保护,防止各群体间的遗传漂变,保护物种原有的独特性。
  根据遗传距离指数对三个红鲤群体间的亲缘关系进行聚类分析,3种红鲤群体亲缘关系的远近可以通过聚类图(图2)可以更直观的表现,兴国红鲤和荷包红鲤先聚为一类,而后再与玻璃红鲤聚类。
  江西三种红鲤的遗传距离的计算对于人工繁殖有着重要意义,可以避免因近亲交配而造成的稀有基因的丢失和群体遗传多样性的下降。遗传多样性,是生物适应环境的基础和物种进化动力。对一个物种来说,其遗传多样性越高,则其对生存环境变化所产生的适应能力越强,进化的潜力也越大。因此,江西三种红鲤遗传多样性的研究对于鲤鱼种质资源的保护和指导遗传育种都有着重要的意义。
  
  【参考文献】
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