基于微卫星标记的中华鲟亲子关系判别及案例分析.pdf
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1、收稿日期:2020-06-08修回日期:2023-06-12基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2015CB150701)。作者简介:赵娜,1978年,女,博士,研究员,主要从事分子生态学研究。E-mail:基于微卫星标记的中华鲟亲子关系判别及案例分析赵 娜1,常剑波2,陶江平1,孙 行1(1.水利部中国科学院水工程生态研究所,水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室,湖北 武汉 430079;2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072)摘要:利用野外和人工繁殖中华鲟(Acipenser sinensis)均有的产卵洄游入海特性,通过在长江口水域捕获滞留的中华
2、鲟幼鱼并区分人工繁殖放流个体和野外个体,可以评估其人工繁殖放流个体占比情况。基于孟德尔遗传模式,在应用前期开发中华鲟特异性四倍体微卫星标记的基础上,构建了基于四倍体微卫星位点遗传模式的亲子鉴定方法,并用全同胞家系、半同胞家系和非亲缘关系群体样本验证方法的有效性,将此方法用于1999年度中华鲟人工繁殖效果评估案例中,计算人工繁殖个体在长江口中华鲟幼鲟群体中的比例。结果显示,3个全同胞家系个体间的平均遗传距离分别为0.43、0.44和0.44,半同胞家系的遗传距离居中(0.57),长江口中华鲟幼鲟群体间的平均遗传距离为0.74。人工繁殖效果评估显示,在2000年度长江口幼鱼群体中,人工繁殖个体的比
3、例较低(03.8%)。研究表明,当年度中华鲟补充群体主要来源于自然繁殖,需要继续加大对中华鲟野生群体的保护力度,增加人工繁殖群体的放流规模。关键词:中华鲟;亲子鉴定;人工繁殖;自然群体;微卫星DNA中图分类号:Q503文献标志码:A文章编号:1674-3075(2023)05-0092-08DOI:10.15928/j.1674-3075.202006080164水 生 态 学 杂 志Journal of HydroecologyVol.44,No.5第 44 卷第 5 期2023年9月Sep.2023中华鲟属于大型溯河产卵洄游鱼类,其生活史复 杂(Wu,1963;Ke&Tian,1988;C
4、hang&Cao,1999);对长江群体而言,其生活史大多在中国黄海和东海大陆架海域度过(Wu,1963;Zhang,1988)。每年春夏季,即将成熟的繁殖群体进入长江口并溯河而上,在长江度过 1417 个月,繁殖后返回大海(Zhang,1988;危起伟,2003;Zhuang et al,2009)。秋季在葛洲坝坝下江段自然繁殖的中华鲟受精卵,在产卵场孵化后随水流向长江下游漂移(庄平,1999;Zhuang et al,2002);幼鲟一般于次年4月中旬到达或接近长江口浒浦江段,5月中下旬开始出现在长江口(危起伟,2003)。1981 年实现长江截流的葛洲坝一期工程阻断了中华鲟繁殖洄游通道,
5、随后天然种群数量急剧减少,1983年长江中华鲟人工繁殖放流工作开展。危起伟(2003)采用微型线码标志(Coded Wire Tag,CWT)和外挂银制标志牌的方法研究幼鲟迁移路线,发现人工放流的中华鲟2月龄幼鲟具有与自然种群相似的洄游特性,最早在第二年3月到达长江口。由于野外和人工繁殖中华鲟幼鲟有这种相似的归海洄游特性,在长江口捕获的滞留幼鲟中,包含了野外和人工繁殖放流个体,因此为评价人工繁殖放流个体占比提供了途径。前期已有学者分别应用荧光染色、微卫星和人工神经网络结合以及CWT 方法进行人工繁殖放流效果评估(常剑波,1999;Zhu et al,2002;危起伟,2003)。水工程生态研究
6、所实验室通过多年研究,积累了大量自行开发的中华鲟特异性微卫星DNA标记(Zhu et al,2005),并对其多倍体模式进行了深入分析(Zhao et al,2015)。本研究拟采用四倍体遗传模式的中华鲟特异性微卫星标记,构建其在亲子关系判别中的统计分析方法,并应用本方法鉴定和区分长江口幼鲟自然繁殖放流个体,评估当年度长江口中华鲟人工繁殖放流个体占比。1 材料和方法1.1 材料选取1.1.1人工繁殖家系样本本研究中的样本来自水利部中国科学院水工程生态研究所样本库。为检验本研究统计方法的准确性,将2001年长江水产研究所通过人工催产方法获得的3个人工繁殖家系作为检验样本,其中A和B是同父异母的半
7、同胞家系(表1)。研究中分别用 Af、Bf 和 Cf 代表 3 个家系的母本,ABm代表A、B家系的同一父本,Cm为C家系父本。家系子代个体分别用A1A27,B1B26和C1C43编号。亲本取鳍条或肌肉样本保存在无水乙醇中。子代样本用70%乙醇溶液浸泡,置于4冰箱中备用。2023 年第 5 期1.1.2 人工繁殖和放流亲本 1999年度中华鲟人工繁殖放流工作由葛洲坝中华鲟研究所和长江水产研究所共同承担。当年一对亲本 1999-YL-103()1999-YR-402()配对繁殖成功;1999年12月28日,中华鲟研究所成功放流这对亲本繁殖的子代30 000尾。1.1.3 长江口幼鲟群体样本 20
8、00年5-7月,在长江口崇明岛东旺沙和团结沙地区,通过插网方式和收集渔民误捕共采集到幼鲟90尾,以Juv表示幼鲟个体。每尾幼鲟剪取24 cm2的尾鳍或胸鳍作为样本,浸泡于无水乙醇中保存,活体重新放回长江口,已死亡的个体用乙醇浸泡后带回实验室保存。样本编号为Juv01Juv90。表1 研究用家系样本Tab.1 Family samples used in this study父本2001-SL-9ABm2001-SL-13 Cm母本2001-SR-8AfA家系(27)2001-SR-16 BfB家系(26)2001-SR-19 CfC家系(43)注:括号中数字表示家系中子代数目。Note:Num
9、bers in the bracket represent the number of offspring.1.2 微卫星引物来源水工程生态研究所实验室自行开发的中华鲟微卫星特异性引物As-073、As-074和As-102扩增图谱清晰、稳定,并具有较强的个体识别能力(Zhao et al,2005;2015)。微卫星位点特征(Zhu et al,2005)见表2。表2 3个应用的微卫星位点特征Tab.2 Characteristics of three microsatellite loci位点As-073As-074As-102GenBank收录号AY921041AY921042AY921
10、053重复序列(CTAT)12(CTTT)13(GATA)15退火温度/5856581.3 PCR方法使用DNeasy 组织试剂盒(Qiagen,Valencia,CA,USA)提取DNA样本。PCR 10 L反应体系包括正反向引物各1 M,dNTP 0.2 mM,0.4 U Taq DNA聚合酶和1015 ng模板DNA。反应条件如下:94预变性 5 min,45 个循环,包括 94变性 40 s,56或58退火40 s,72延伸50 s;72最后延伸10 min。以H2O为模板设置PCR阴性对照。采样阴性对照和PCR阴性对照,扩增结果均为阴性。扩增产物上样于10%聚丙烯酰胺凝胶(19:1)
11、,于200 V电压下电泳3.5 h,溴化乙锭染色20 min,用Gene Genius凝胶成像系统(SynGene,英国)扫描记录。通过GeneTool凝胶分 析 软 件(SynGene)比 对 pBR322 DNA/Msp Markers并确定片段大小。根据微卫星片段长度进行基因分型。1.4 数据分析研究中应用的微卫星位点均在中华鲟上呈现四倍体孟德尔遗传模式(Zhao&Chang,2006;Zhaoet al,2015),即每个亲本在1个位点上携带4个等位基因,形成配子时,都会有任意 2 个等位基因随机组合并遗传给子代(图1)。因此,可以通过计算长江口子代个体与葛洲坝放流亲本之间的遗传距离来
12、判断是否存在亲子关系,从而评估人工繁殖放流个体占比。图1 四倍体遗传模式下的等位基因分离Fig.1 Allele segregation under tetrasomicinheritance首先,明确所有研究个体的基因型。如在1个微卫星位点检测到6个等位基因,分别是220 bp(等位基因1)、224 bp(等位基因2)、228 bp(等位基因3)、232 bp(等位基因4)、236 bp(等位基因5)、240 bp(等位基因 6)长度的片段,可以用片段长度(220/224/232/240)表示1个个体的基因型,也可以用基因编号(1/2/4/6)表示,本研究采用基因编号型。如同二倍体中的纯合子
13、,四倍体中也有携带相同等位基因的情况出现,称之为“剂量”,可以通过测序图谱的峰值或者电泳凝胶的亮度判断(如图2中个体4和个体5)。在这种情况下,用(1/1/2/3)表示基因型。如果有无效等位基因的存在,可能会出现(1/2/3)情况。第二步,根据Lynch(1990)公式计算个体之间的遗传距离:Dxy=1-2NxyNx+Ny式中:Dxy表示个体x和个体y之间的遗传距离;Nxy表示个体x和y在一个微卫星位点上共有的等位基因数目;Nx和Ny分别表示个体x、y在这个位点上所拥有的所有等位基因数目。本研究中使用的3个微卫星位点是四倍体位点,因此N应该是4。在双亲基赵 娜等,基于微卫星标记的中华鲟亲子关系
14、判别及案例分析932023 年 9 月水 生 态 学 杂 志第 44 卷第 5 期因型完全相同的情况下,子代与亲本的遗传距离可能是0(D=1-2 44+4)。在没有无效等位基因和双亲不共享任一等位基因的情况下,子代与亲本的遗传距离应该是0.5(D=1-2 24+4)。但也存在1个无效等位基因的情况下,N 会是 3(更多无效等位基因的情况不考虑)。因此,若子代与成体存在亲子关系,则至少会共有1个(有无效等位基因存在)或2个(正常情况)等位基因,其遗传距离可能会是0.714(D=1-2 13+4)或者0.429(D=1-2 23+4)。所以,只有当子代个体同繁殖父本、母本之间距离都在这个范围内时,
15、才可以判定其是真实子代。M:pBR322 DNA/MspMarkers,m:父本,f:母本,112为家系A中的子代个体图2 中华鲟人工繁殖家系A在As-073位点上的等位基因分离M:pBR322 DNA/MspMarkers,m:male parent,f:female par-ent,1-12:offspring in familyAFig.2 As-073 allele segregation in artificial crossesof Chinese sturgeon为检验方法的准确性,首先用引物 As-073 对3个家系样本进行验证;另外,分析全同胞、半同胞和无亲缘关系3种情况下个
16、体之间的遗传距离;最后,分析长江口幼鲟和葛洲坝放流亲本之间的遗传距离,判断是否存在亲子关系,评估人工繁殖的子代在长江口幼鲟群体中的占比。2 结果与分析2.1 已知亲缘关系的家系子代与亲本的遗传距离在As-073位点上3个已知亲缘关系的家系中个体之间的遗传距离见表3。家系A中,绝大多数子代个体与亲本的遗传距离是0.5,由于父本和母本的基因型分别为2/3/11/11 和2/5/6/8,共享一个等位基因2,因此有部分子代与亲本的遗传距离是0.25。在家系B中,同样是双亲(2/3/11/11 1/2/10/12)共享等位基因2,因此也有部分子代与亲本的遗传距离表现为0.25。在家系C中,双亲的基因型分
17、别为2/3/5/9 和4/4/7/8,不共享任何等位基因,子代个体从双亲中遗传任意2个等位基因的组合;在这些组合中,没有等位基因相同的可能性,因此所有子代都一致性地表现出与亲本的遗传距离为0.5;子代C16和C41个体DNA样品提取不成功,因此没有获得遗传学数据;除 5 个个体(C9、C12、C20、C36和C42)与C家系双亲遗传距离为0.5外,同时与A家系亲本之间的遗传距离也为0.5,这是因为家系 A 双亲的基因型为 2/3/11/11 和2/5/6/8,家系 C 双亲的基因型为 2/3/5/9 和 4/4/7/8,2 个家系的双亲之间共有等位基因2、3、5、8;以家系C9 子代为例,具有
18、基因型 2/3/4/8,那么其与 Af、ABm、Cm和Cf任一亲本都共有2个等位基因,因此遗传距离均为0.5。在As-073位点上,3个家系的遗传图谱没有揭示无效等位基因的存在。因此,如果疑似亲本是真实的,子代与疑似双亲之间的遗传距离都应在00.5,单是与一方亲本的遗传距离不在这个范围内都将被排除。照此标准判断,A家系的27个子代都准确地定位于双亲AfABm中,准确率为100%;B家系的26个子代也全部归属于双亲BfABm中;C家系43个子代中的38个个体判断为亲本CmCf 的后代,准确率为88.4%。对于其余5个个体(C9、C12、C20、C36、C42),若要正确判断是双亲CmCf 的后代
19、,还是双亲AfABm的后代,需要使用更多的微卫星位点。2.2 不同亲缘关系的个体间遗传距离全同胞家系、半同胞家系以及无亲缘关系的个体间遗传距离分布见图3。其中,A、B、C为3个全同胞家系,其内部同胞个体间平均距离分别为0.43、0.44、0.44,平均值为0.437;A和B是同父异母的半同胞家系,个体间平均距离为 0.57;A 和 C 家系个体间平均距离为0.73,B和C家系间平均距离为0.83;长江口随机采样的中华鲟幼鲟个体间平均距离为0.74。2.3 长江口幼鲟群体人工繁殖放流个体占比2000 年长江口采集的 90 尾幼鲟中,只有 52 尾在As-073、As-074和As-102全部3个
20、位点得到清晰并可准确计带的指纹图谱,因此只对这些幼鲟的遗传学数据进行分析。2000年长江口捕获的幼鲟个体与1999年参与人工繁殖放流亲本之间的遗传距离见表4。1999年成功参与人工繁殖的一对亲鲟用、表示。在As-073和As-074位点上都只扩增出3个亮度相同的条带,因此存在1个无效等位基因;在随后的距离分析中,疑似子代与、之间遗传距942023 年第 5 期个体编号A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A24A25A26A27B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B12B13B14B15B16B17B
21、18B19B20B21Af0.50.50.50.50.50.50.50.50.250.50.50.250.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.250.50.50.50.750.750.750.750.750.750.7510.7510.750.7510.750.7510.750.750.750.750.75ABm0.50.50.250.50.250.50.50.50.50.50.250.50.50.50.50.250.250.50.250.250.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.250.250.50.250.50.50.50.250.5
22、0.50.50.50.50.50.250.50.250.25Bf0.750.750.750.750.751110.750.750.750.750.7510.750.750.750.750.750.7510.750.750.7510.750.750.250.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.250.50.250.50.50.50.50.50.50.5Cm0.50.50.750.50.50.750.750.50.50.250.50.50.750.50.750.50.50.50.50.250.750.50.750.250.50.750.750.50.50.50.50.50.
23、750.50.750.510.750.750.750.750.510.750.50.750.750.5Cf0.7510.75110.7510.750.7511110.7510.7511110.750.750.751110.75111111111111111111111个体编号B22B23B24B25B26C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C14C15C17C18C19C20C21C22C23C24C25C26C27C28C29C30C31C32C33C34C35C36C37C38C39C40C42C43C44C45Af0.750.750.750.750.750.750
24、.50.50.750.750.750.50.50.50.750.50.50.50.50.750.7510.250.50.750.750.750.750.750.50.50.510.25110.750.750.50.50.50.250.750.750.50.510.75ABm0.50.50.50.50.510.750.7510.750.750.750.750.50.50.750.50.7510.7510.750.750.50.7510.50.50.750.750.750.750.750.750.750.750.750.7510.50.750.750.750.750.510.750.75Bf0.5
25、0.50.250.50.25110.7510.75110.750.750.750.750.75111110.750.75110.750.7510.7510.7510.751110.7510.750.750.750.7510.75111Cm0.50.750.750.50.750.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.5Cf111110.50.50.50.50.50.50.50.50.5
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