基于核基因数据重建鲱形目鱼类系统发育关系和太平洋西部鳓鱼群体遗传多样性分析

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鲱形目主要分布在世界各地近海、河口及部分淡水环境,既是当今鱼类家族中分布最广泛的一个目,也是研究海洋生物地理和鱼类从海水入侵淡水进化机制的理想对象。鲱形目隶属于鲱形总目Clupeomorphe,鲱形总目包括白垩纪的化石类群和鲱形目,鲱形目则主要是指全部的现生类群。鲱形目被普遍划分为2亚目,5个科,84属,约402种。针对鲱形目的系统发育关系学界争议颇多,传统分类学与分子系统学观点不一,不同的分子系统学研究结果各异。以往的研究主要是采用形态学的方法,使用分子学数据,不过仅采用线粒体数据或少数几个位点数据,信息量明显不足,而将鲱形目作为一个整体系统发育的研究很少。Lavoue等人的数次研究结果中,宝刀鱼的系统分类地位互不相同,并且鲱形目中很多谱系的自举支持率非常低,鲱形目内部各科之间的关系无法确定。分子分类研究的共同结论是鲱科不再是单系群,而是分为几个类群,但是这几个类群之间的关系以及鲱形目各科之间的关系基于线粒体基因组和核基因的研究结果相互矛盾,没有确定的结论。这样所造成的分类混乱,不仅大大影响对鲱形目系统进化研究,而且无法解释化石数据与生物地理推演结论之间的矛盾,以及适应性进化研究中产生假阳性结果等。此外,鲱形目鱼类具有很高的经济价值和生态价值,如鳀鱼、沙丁鱼、鳓鱼和鲱鱼在我国海洋捕捞的主要鱼类产量中一直名列前茅,可是用于鲱形目鱼类遗传资源研究的分子标记却非常匮乏,这严重制约对物种有效保护和合理利用等方面深入研究。本研究主要包括两个方面,首先是鲱形目鱼类的系统发育,其次是太平洋西部的鳓鱼的群体遗传。本研究采用实验室自主研发的跨物种靶基因富集技术获取鲱形目62个代表物种的上千个单拷贝核基因序列,并创造新的分析方法,致力解决鲱形目系统分类中悬而未决的关键问题,以及验证鲱形目各科和属的分类地位。与此同时,为了验证开发的鲱形目鱼类的核基因标记,本研究对我国鲱形目主要经济物种的群体样本测序,选出一批通用的基因标记,并以鳓鱼为例进行验证,因为鳓鱼属于鲱形目,锯腹鳓科,是我国一种重要的鲱形目经济物种,并且广泛的分布在太平洋西部。目前关于鳓鱼在太平洋西部的群体遗传结构,主要集中在生活习性的研究或者用线粒体单个位点的研究,研究结果不一致也有很多矛盾的地方。因此本研究采用鲱形目开发的核基因位点,用于研究太平洋西部鳓鱼的群体遗传结果,为进一步研究清楚太平洋西部鳓鱼群体的生物地理、种群遗传和资源保护打下扎实基础。本研究涵盖鲱形目主要类群(已收集到5科48属的样本),从两方面解决上述问题:(1)提高数据量,通过比较已有鱼类基因组开发数千个“单拷贝”核基因标记,应用跨物种靶基因富集和Illumina测序获得相应序列;(2)设计新分析方法,筛选各物种间GC含量较均衡的位点,以降低数据中系统误差的影响,从而重建鲱形目系统发育关系,为相关生物地理分布和适应性进化研究奠定基础。本研究采用了跨物种靶基因富集的方法,每个样本都富集到核基因1000个以上,并且采集了 18个鳓鱼群体(分别是黄海2个群体,东海4个群体,台湾海峡2个群体,南海6个群体,日本1个群体,韩国2个群体),覆盖了太平洋西部的各个海域,采集鳓鱼144尾。每个位点随机提取一个SNP数据,共得到了 1877个SNPs。18个群体,144条SNP数据,共得到89个单倍型,并且也对16个鳓鱼群体的线粒体D-loop序列进行了扩增,16个鳓鱼群体,125条D-loop序列,共计84个单倍型,对核基因SNP数据和线粒体D-loop数据,同时进行遗传多样性统计和遗传结构分析,两种数据的分析结果都显示丹东群体与其它鳓鱼群体遗传差异最大,其它鳓鱼群体之间差距不显著。本研究的主要结果总结如下:1.对于62种鲱形目鱼类以及7个骨鰾鱼类的外群,涵盖鲱形目5科,48属,共富集到4408个基因,分别构建所有基因的RaxML基因树和RSTRAL物种树。鲱形目鱼类GC含量比较特殊,其中齿鲱科鱼类GC含量比较均匀,但是其它各科GC含量普遍较高,高达70%左右,为检测GC含量不均匀的基因序列是否会导致系统发育树的偏差,编写perl脚本程序,分别按编码子位置对GC含量进行排序筛选,并且筛选了 2416个GC含量较均匀的位点,以及1346个GC含量均匀并且完整的基因,分别构建基因树和物种树。结果显示与全部基因构建的基因树和物种树结果几乎一致。并且用4408个基因建树和筛选的GC含量均匀的基因建树,结果显示,基因树和物种树都高度一致。证明本研究中GC含量对建树效果没有影响。2.4408个核基因的基因树和物种树都显示鲱形目中最古老的一支是齿鲱科,在系统发育树的根部跟骨鰾鱼类的外群聚在一起,并且支持率很高。3.4408个核基因的基因树和物种树都清晰的反应出鳀科是单支系的,这与很多分子研究,无论是线粒体数据、还是少数的核基因数据构建的系统发育树,结果是一致的。4.在本研究结果中,宝刀鱼科和鲱科混在一起,并没有单独分化出来,与之前的很多研究也是一致的,宝刀鱼科已经不能再继续单独划分为一科。5.研究结果显示,鲱科已不再是单支系,圆腹鲱亚科单独分化出的时间比较早,圆腹鲱亚科的分类地位,与Joshua P等利用ragl,rag2,slc和cytb构建的系统发育树结果是一致,圆腹鲱亚科和鲱亚科关系很近,并且支持率都很高,并且很多研究都表明鲱科并不再是单支系,因此要重新定义鲱科。6.以前研究结果中,比如Sundasalax这一科的位置不够明确,不同的研究中存在不同的分类地位。本研究结果中,Sundasalax分类地位已经很稳定,跟绣眼银带鲱聚在一起,并且在鲱科的最外面。这与近期的最新研究也是一致的,JoshuaP等利用rag1,rag2,slc,zic1,cytb,16s 6基因和ragl,rag2,slc,cytb四基因,研究都支持绣眼银带鲱属是其它所有鲱科的姐妹群。Bloom等人利用16s,cytb,rag1和rag2四基因的研究结果也强烈支持绣眼银带鲱是其它所有鲱科的姐妹群。7.锯腹鳓科也不能再继续被定义为单独一科,锯腹鳓科跟宝刀鱼科聚在一起,并且都混在鲱科的里面,且自举支持率都很高。这与研究者Joshua P利用6个基因rag1,rag2,slc,zic1,cytb,16s不再支持锯腹鳓科的分类地位是一致的。Lavoue’S和Bloom的研究中,对于锯腹鳓科是鲱科的姐妹群支持率超低也是一致的。8.对鲱形目的海水鱼和淡水鱼富集到的基因,本研究也进行对比分析,还进行GO功能分析,筛选出56种功能显著地基因,其中淡水鱼和海水鱼相同功能的基因11个,不同功能的34个。其中与生物过程功能相关的18基因中,仅有1个是淡水鱼特有的,其余17种,都是海水鱼所独有的。10.通过靶基因富集技术获取平均每个样本1000多个以上的核基因,为了挑选多态性高的位点,本研究每个位点随机挑选一个SNP位点,共得到1877个SNPs,SNPs结合线粒体数据,为探明太平洋西部鳓鱼群体的遗传学结构提供坚实的基础。11.144尾鳓鱼分别来自太平洋西部的18个群体,对16个鳓鱼群体(125尾)的D-loop数据的分析,以及对18个鳓鱼群体(144尾)的核基因SNPs位点的分析,都表明丹东群体与其它群体间存在显著的遗传差异,其它群体之间混在一起,遗传结构不明显。
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