中国蚌科动物的分子系统进化及遗传多样性研究

摘要

蚌科(Unionidae)属于软体动物门(Mollusca)，双壳纲(Bivalvia)，真瓣鳃目(Eulamellibranchia)，是淡水生态系统中大型的底栖动物之一，也是受到威胁最严重的生物类群之一，它们分布于全世界各地，全球有142属600多种，其中北美和亚洲种类较多。由于其生态学、经济上的重要性，以及其复杂的生活史和种群数量急剧下降的现象引起了动物生态学家、分类学家、保护生物学家、贝类学家和遗传学家的广泛兴趣。中国蚌科物种丰富，以往物种的鉴定及种上阶元的分类主要依据贝壳的形态特征，由于贝壳的形态特征往往会随着环境变化而有差异，具有一定的可塑性，因而容易导致分类上的混乱，一些物种的分类地位也需进一步研究。对我国蚌科的分子系统学和遗传多样性进行研究，将能完善我国蚌科的分类系统，也能提供蚌科动物的群体遗传学研究和种质资源保护的分子遗传学基础。
　　 本研究以中国蚌科21个物种为材料，应用测序的方法，对各个种的单个个体的线粒体基因(包括CO1和ND1)和核核基因组DNA的内转录间隔区(包括ITS1和ITS2)序列进行分析，同时应用11对引物，对其中的8个种，240个样本进行了微卫星分子标记分析，构建了中国蚌科动物的分子系统发育树，并揭示了8个蚌种的遗传多样性特征。主要结果如下：
　　 1.基于线粒体基因CO1、ND1序列的蚌科系统学与遗传多样性研究
　　 测序所得的CO1、ND1两个线粒体基因部分DNA片段的A+T含量明显高于G+C含量，这一结果与前人报道的淡水贝类研究结果基本一致。线粒体基因CO1序列的碱基转换与颠换的比值(R)略比ND1的小，分别为1.4和1.6。
　　 基于CO1和ND1两个基因同源序列分析的种内遗传距离结果表明，在CO1基因序列中，橄榄蛏蚌的种内遗传距离最大，为0.0639，可能是因为其样本地理来源不同(来源于江西省和湖北省两个省)造成的，因为其它物种的样本都来自于江西省。其次，圆顶珠蚌和洞穴丽蚌两个种的种内遗传距离也较大，分别为0.0622和0.0408，说明圆顶珠蚌和洞穴丽蚌这两个物种种内个体间的遗传变异较大，即遗传多样性较丰富。已被列入动物保护名录中的濒危动物微红楔蚌的种内遗传距离最小，为0.0001，说明微红楔蚌种内个体间的遗传变异较小，即缺乏遗传多样性。
　　 基于CO1和ND1两个基因同源序列分析结果表明，两个基因的种间平均遗传距离都为种内平均遗传距离的10多倍，说明CO1和ND1两个基因的DNA序列均能够对被研究的蚌科动物进行有效的物种鉴定。在两个基因中，蛏蚌属(包括河蛏蚌、三角蛏蚌、橄榄蛏蚌和龙骨蛏蚌)和无齿蚌属(包括蚶形无齿蚌、圆背角无齿蚌和椭圆背角无齿蚌)之间都存在着较大的种间遗传距离。同时在ND1基因中，射线裂脊蚌与蛏蚌属的遗传距离也较大。依据两个基因可知，种间遗传距离小于平均种内遗传距离的物种为：三角蛏蚌和河蛏蚌的种间遗传距离，中国尖嵴蚌和卵形尖嵴蚌的种间遗传距离。而圆背角无齿蚌和椭圆背角无齿蚌之间的遗传距离则介于种间平均遗传距离和种内平均遗传距离之间，表明对这两个亚种的分类地位是合理的。而在ND1中，矛蚌属各物种间的遗传距离比较小。
　　 用NJ法建立的两个基因的分子系统树结果基本一致。各物种明显形成三个分支。珠蚌属、楔蚌属、裂脊蚌属、尖丽蚌属、矛蚌属、尖嵴蚌属形成一支；无齿蚌属单独形成一支；蛏蚌属、帆蚌属和丽蚌属的洞穴丽蚌形成一支。这三支分别隶属于珠蚌亚科、无齿蚌亚科和小方蚌亚科，其中珠蚌亚科和无齿蚌亚科形成姐妹群，而小方蚌亚科是珠蚌亚科和无齿蚌亚科共同的姐妹群。
　　 在蛏蚌属内，河蛏蚌和三角蛏蚌二者的种间距离小于种内距离，且分子树显示两个物种也聚在一起，说明这两个物种可能是一个物种。同时系统树也显示，橄榄蛏蚌和龙骨蛏蚌关系较近，而河蛏蚌、三角蛏蚌与橄榄蛏蚌、龙骨蛏蚌的关系均较远。
　　 2.基于内转录间隔区ITS1、ITS2序列的蚌科系统学与遗传多样性研究
　　 通过测定内转录间隔区ITS1和ITS2的部分序列，分析了蚌科动物这两个基因的碱基组成，种内与种间遗传距离，并应用NJ建树法建立了蚌科动物的两个分子系统树。结果表明，被研究的蚌科动物在这两个基因中的碱基组成均是GC含量高于AT含量，符合动物内转录间隔区这部分基因序列的特征。平均种间距离大于种内距离，能对物种亲缘关系的远近作出准确的判断。基于ITS1和ITS2部分同源序列分析的结果表明，研究的21种蚌科动物属于三个亚科，分别为珠蚌亚科，包括珠蚌属、楔蚌属、裂脊蚌属、尖丽蚌属、矛蚌属、尖嵴蚌属；无齿蚌亚科，即无齿蚌属；小方蚌亚科，包括蛏蚌属、帆蚌属和丽蚌属。其中，珠蚌亚科和无齿蚌亚科形成姐妹群，而小方蚌亚科是珠蚌亚科和无齿蚌亚科共同的姐妹群。这与基于线粒体DNA基因CO1和ND1的序列分析的结果基本一致。虽然在属间亲缘关系的远近上，两个基因有所差异，但两个基因基本都能对蚌科动物的系统发育和遗传多样性作出明确的判断，因而也是较好的分子标记。
　　 对于蛏蚌属的分类地位，基于ITS1和ITS2的内转录间隔区序列分析结果与基于CO1和ND1这两个线粒体基因部分同源序列分析结果也基本一致。
　　 3.基于微卫星标记的蚌科遗传多样性和系统学分析
　　 采用11对微卫星标记对蚌科的8个物种进行了遗传多样性研究，结果表明，圆顶珠蚌、洞穴丽蚌和中国尖嵴蚌的观测杂合度(分别为0.558、0.533和0.497)和多态信息含量值(分别为0.512、0.44.3和0.429)相对较高，这三个物种的遗传多样性丰富，适应能力较强。而橄榄蛏蚌的观测杂合度(0.467)和多态信息含量(0.351)都较低，说明其遗传多样性较低，适应环境的能力较弱，需要重点保护。另外，鱼尾楔蚌、三角帆蚌、短褶矛蚌、椭圆背角无齿蚌这4个物种的遗传多样性居于中等位置，属于较稳定的物种。
　　 分子系统树结果表明，8个物种分为三支，分别属于三个亚科，即椭圆背角无齿蚌属于无齿蚌亚科；洞穴丽蚌、三角帆蚌和橄榄蛏蚌属于小方蚌亚科；鱼尾楔蚌、圆顶珠蚌、短褶矛蚌、中国尖嵴蚌属于珠蚌亚科。种间关系中，椭圆背角无齿蚌与橄榄蛏蚌的关系最远(遗传距离为1.7843)，短褶矛蚌与中国尖嵴蚌的关系最近(遗传距离为1.0722)。