凡纳滨对虾在低氧环境下存活性状的遗传参数评估.pdf
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1、第 45 卷 第 1 期 渔 业 科 学 进 展 Vol.45,No.1 2 0 2 4 年2 月 PROGRESS IN FISHERY SCIENCES Feb.,2024 *湛江市海洋装备与海洋生物揭榜挂帅制人才团队项目(2021E05032)、蓝色粮仓“虾蟹类新种质创制技术平台”课题(2018YFD0901301)、财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系(CARS-48)、山东省农业重大应用技术创新项目(SD2019YY001)和中国水产科学研究院基本科研业务费项目(2020TD26)共同资助。段毓佳,E-mail: 通信作者:孔 杰,研究员,E-mail: 收稿日期:2022-
2、10-25,收修改稿日期:2022-12-01 DOI:10.19663/j.issn2095-9869.20221025002 http:/ DUAN Y J,TAN J,LUAN S,LUO K,WANG H J,SUI J,MENG X H,KONG J.Evaluation of genetic parameters for survival traits of Litopenaeus vannamei under hypoxic conditions.Progress in Fishery Sciences,2024,45(1):138147 凡纳滨对虾在低氧环境下存活性状的 遗传参
3、数评估*段毓佳1,2 谭 建2,3 栾 生2,3 罗 坤2,3 王宏杰4 隋 娟2,3 孟宪红2,3 孔 杰2,3(1.湖州师范学院 浙江省水生生物资源养护与开发技术研究重点实验室 中国水产科学研究院水生动物繁育与营养 重点实验室 浙江 湖州 313000;2.中国水产科学研究院黄海水产研究所 农业农村部海洋渔业与可持续发展 重点实验室 山东 青岛 266071;3.海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室 山东 青岛 266071;4.邦普种业科技有限公司 山东 潍坊 261000)摘要 在水产养殖中,尤其是高密度养殖情况下,缺氧会短期内造成个体的大量死亡,从而影响生产效益。本研究以凡纳滨对虾(
4、Litopenaeus vannamei)高抗和快大 2 个品系作为研究对象,利用高致死溶解氧(DO)胁迫的方式,对 2 个品系各 41 个家系共计 6 560 尾幼虾进行低氧耐受性测试,统计高致死溶解氧水平下幼虾的存活性状,分析不同品系间及同一品系不同家系间耐低氧性状的差异,评估其遗传参数;对耐受性有显著差异的家系个体的鳃、肌肉、肝胰腺组织进行组织学观察,并比较其细胞水平上的差异。结果显示,在 0.3 mg/L 低氧条件下,高抗品系和快大品系的家系半致死存活率 SS50均表现出显著差异(P0.05),高抗品系 SS50为 49.30%,快大品系 SS50为 42.52%;家系间存活时间的变异
5、系数分别为 60%和 45%。利用阈值性状动物模型,以半致死时的个体存活状态作为观测值(存活为 1,死亡为 0)估算的遗传参数为(0.3450.031)(0.3780.029),经过转换后在连续变化的观测值尺度上的遗传力为(0.2190.031)(0.2370.029),表现为中等遗传力水平。高抗品系中低氧耐受家系和低氧敏感家系的鳃、肌肉和肝胰腺组织均出现不同程度的损伤,但不同的家系间表现出不同程度的抗逆生理特征差异,这可能与高抗不同家系抗逆耐受力强弱有关。不同家系间在低氧胁迫下的存活时间、生理特性差异以及各品系遗传力估算结果表明,凡纳滨对虾对高致死溶解氧水平的耐受性状存在丰富的遗传变异,具有
6、选育的可行性。关键词 凡纳滨对虾;低溶解氧;遗传力;组织损伤;选育 中图分类号 S964 文献标识码 A 文章编号 2095-9869(2024)01-0138-10 凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei),又称南美白对虾、万氏对虾、白脚对虾(林红军等,2010),隶属第 1 期 段毓佳等:凡纳滨对虾在低氧环境下存活性状的遗传参数评估 139 于甲壳亚门(Crustacea)、十足目(Decapoda)、对虾科(Palaemonidae)、滨对虾属(Litopenaeus),因其具有耐高温、抗病力强、生长速度快和营养丰富等优越的经济性状(贾文涛,2018),现已成为我国最重要的
7、养殖对虾品种之一(Du et al,2015)。在养殖过程中,经常会发生水中溶解氧(DO)低甚至缺氧(Soanez-Organis et al,2010)的现象。特别是在高密度养殖的情况下,短期内急性缺氧就会导致凡纳滨对虾的大量死亡(王梦瑶等,2022)。开展遗传改良、筛选培育耐低氧的优良品种是促进凡纳滨对虾产业可持续发展的重要措施。目前,国内外凡纳滨对虾育种工作主要针对生长、存活、抗病抗逆等目标性状的遗传改良。王崇懿等(2021)研究表明,凡纳滨对虾的高盐耐受性状遗传力为 0.0320.031,属于低遗传力;生长相关性状遗传力在 0.1940.242 之间达到极显著水平;凡纳滨对虾收获体质量
8、和池塘成活率的遗传力分别为 0.170.24 和 0.040.10(Gitterle et al,2005)。有关凡纳滨对虾低氧耐受性状的遗传参数评估、品系筛选的研究仍然较少。张嘉晨等(2016)研究发现,凡纳滨对虾低氧耐受性状的遗传力为 0.070.15,其采用的 DO 浓度范围为 12 mg/L(4896 h 半数死时的DO 浓度),为相对长期的持续低氧胁迫实验。研究显示,凡纳滨对虾幼虾的 1 h 半数死 DO 浓度为 0.2 0.3 mg/L(Prez-Rostro et al,2004)。凡纳滨对虾在短期高致死DO浓度下耐受性能的遗传参数及关键组织的细胞学特征还未见报道。本研究以凡纳滨
9、对虾高抗和快大 2 个品系作为研究对象,通过短期致死 DO 浓度水平胁迫,比较品系间及不同家系间半致死存活时间和半致死存活率的差异,估计短期高致死 DO 浓度水平下凡纳滨对虾低氧耐受性状的遗传参数,观察关键组织的细胞学特征,以期为凡纳滨对虾耐低氧性状选育工作提供参考与依据。1 材料与方法 1.1 实验材料 本实验在山东省潍坊市昌邑市邦普种业科技有限公司凡纳滨对虾育种基地开展。实验材料为 2021 年凡纳滨对虾育种核心群体,包括 41 个高抗家系(GK)和41 个快大家系(K),日龄为 P60P63(仔虾 6063 d)。每个家系随机选取 80 尾体长为(4.50.3)cm、体重为(1.10.2
10、)g 的大小相近的健康个体,平均分为 4 组,包括 3 个平行实验组和 1 个对照组,每组 20 尾,共计 6 560 尾。1.2 实验方法 每组对虾分别置于 20 L 的塑料白桶中。桶内预先注入经沉淀、消毒的自然海水 15 L,盐度为 2930,pH 为 7.5 左右,通过水浴控制桶内温度为 28.0。正式实验前于桶内暂养 2 d,暂养期间连续充空气。实验期间,各实验桶的水质控制、日常管理均保持一致。1.2.1 低氧耐受性实验 通过预实验确定凡纳滨对虾 P60 时期 1 h 半致死 DO 浓度为 0.30.5 mg/L,选择 0.3 mg/L 作为低氧胁迫实验的 DO 浓度。通过向海水中充氮
11、气的方法调整水中 DO 浓度。水面上覆盖塑料薄膜,使用纳米级气石控制充氮气的速率,期间不断将薄膜下的气泡赶出。使用便携式溶氧仪每隔10 min 测量、记录 DO 读数并及时调整氮气和空气的比例,使 3 个平行实验组的 DO 水平经过 3 h 降至预设浓度(0.30.1)mg/L。从实验组停止充空气、开始充氮气时开始计时。在实验过程中,每隔 15 min 观察并记录对虾的死亡数、溶氧含量、死亡时间、家系号、桶号等数据,直至对虾死亡率达到 80%时停止实验。对照组正常充氧,控制 DO 水平为 6.66.7 mg/L。1.2.2 组织学观察 经低氧胁迫实验后,按照家系平均存活时间排名,选择排名前三和
12、后三分别作为低氧耐受家系和低氧敏感家系,各家系内随机选取 4 尾实验样品,将鳃、肌肉、完整的肝胰腺组织放入 4%的多聚甲醛固定液中固定,24 h 后换液一次,进行石蜡切片制作、HE 染色,并利用尼康 CI-S 光学显微镜(日本)观察。1.3 数据统计与分析 1.3.1 表型统计 以个体存活时间和家系半致死存活率为指标,评价家系对低 DO 的耐受能力。个体存活时间为从胁迫开始到死亡的时间(h),家系存活时间为家系内所有个体的平均存活时间(h),家系半致死存活率为全部测试个体死 50%时各个家系的存活率(SS50)(卢霞等,2018)。利用 SPSS 26.0 软件对凡纳滨对虾不同家系平均低氧存活
13、时间的描述性参数进行统计及方差分析,利用 LSD 法对不同家系间的存活时间进行多重比较,P0.05 为达到显著水平。1.3.2 遗传力评估 利用 ASReml 4.2 软件通过阈值性状动物模型估计凡纳滨对虾不同家系低氧半致死存活率性状的遗传参数,育种分析模型如下:0,0;1,0ijijijjijijye (1)式中,ijy表示第 i 尾虾的存活状态(活为 1,死为 0);ij为ijy的潜在变量,假设其符合累积标准正态分布;140 渔 业 科 学 进 展 第 45 卷 表示总体均值;j为个体 j 的加性遗传效应,(0,2A),其中,A 为所有个体之间的加性遗传相关矩阵,由谱系信息构建;ije表示
14、随机残差,e(0,2e),其中,2e为残差方差,I 为单位矩阵。(=1)=0()rijrijjijP YP le (2)式中,rP为个体存活的概率,()为累积标准正态分布函数(degrd et al,2006)。耐低氧性状的遗传力计算(Trygve,2005):2222eh (3)式中,2表示加性遗传方差,2e为残差方差。存活阈值性状经过转换后在观测值(连续)尺度上的遗传力(2ph):222(1)pzhhpp (4)式中,p是群体半致死时平均存活率,z是累积标准正态分布最高点的纵坐标。1.3.3 遗传力显著性检验 遗传力显著性检验利用公式:ii (5)式中,i表示其对应的遗传力,i为对应的标准
15、误,检验遗传力与 0 的差别是否显著。如果 Z1.96,遗传力与 0 存在显著差异;如果 Z2.58,遗传力与 0 存在极显著差异(Lu et al,2017)。2 结果 2.1 低氧胁迫对不同品系存活性状的影响 为探究凡纳滨对虾在极限低氧条件下的耐受性,本实验利用低 DO 浓度(0.30.1)mg/L开展对凡纳滨对虾的胁迫测试。结果显示,高抗品系及快大品系各家系平均存活时间存在显著差异(P0.05)(图 1、图 2):高抗品系 1.2 h 达到 50%死亡率,家系间平均存活时间变异系数为 60%;快大品系 0.95 h 时达到 50%死亡率,家系间平均存活时间变异系数为 45%。高抗品系2.
16、31 h 达到 80%死亡率,家系间变异系数为 49%;快大品系 1.57 h 达到 80%死亡率,家系间变异系数为40%(表 1)。整体半致死时高抗品系 SS50为 49.30%,快大品系为 42.52%,2 个品系间平均存活率存在显著差异(P0.05)(表 2)。2.2 不同品系耐低氧遗传力的估计 凡纳滨对虾不同品系间耐低氧性状的遗传力见表 3。通过阈值性状动物模型计算出高抗品系和快大品系的耐低氧性状的遗传力分别为 0.3450.031 和0.3780.029,经过转换后在观测值(连续)尺度上的遗传力分别为 0.2190.031 和 0.2370.029,属于中等遗传力性状。Z-score
17、 检验表明,2 个品系计算的遗传力与 0 相比均达到极显著水平(P0.01),且 2 个品系间的遗传力差异与 0 相比也达到极显著水平(P0.01)。由于无法剖分出共同环境效应,计算遗传力时并没有将家系共同环境效应加入模型中。实验时对虾难以辨别性别,模型中也未包含性别效应。图 1 凡纳滨对虾快大家系间平均低氧存活时间的 LSD 多重比较 Fig.1 LSD multiple comparison of mean survival time to hypoxia among different K families of L.vannamei 不同字母代表不同家系之间的差异显著(P0.05)。下
18、同。Different letters show significant differences between different families(P0.05).The same below.第 1 期 段毓佳等:凡纳滨对虾在低氧环境下存活性状的遗传参数评估 141 图 2 凡纳滨对虾高抗家系间平均低氧存活时间的 LSD 多重比较 Fig.2 LSD multiple comparison of mean survival time to hypoxia among different GK families of L.vannamei 表 1 凡纳滨对虾不同品系间低氧耐受存活时间的描述性
19、统计 Tab.1 Descriptive statistics of hypoxic tolerance survival time among different strains of L.vannamei 品系 Strain 50%死亡时间 Time of 50%death/h 最小值 Min 最大值 Max 标准差SD 变异系数CV/%80%死亡时间 Time of 80%death/h最小值 Min 最大值 Max 标准差SD 变异系数CV/%高抗 GK 1.20a 0.23 4.07 0.7260 2.31a 0.62 6.37 1.1449 快大 K 0.95b 0.19 2.33
20、 0.4345 1.57b 0.73 3.50 0.6240 注:同一列上标不同字母为差异显著(P0.05),下同。Note:Data with different superscript within the same column are significantly different.The same below.表 2 凡纳滨对虾半致死时平均存活率 SS50的差异比较 Tab.2 Comparison of average survival rate at half lethal time of L.vannamei 品系 Strain 半致死平均存活率 Survival rate a
21、t half lethal time(SS50)/%高抗 GK 49.3025.25a 快大 K 42.5227.46b 2.3 不同低氧耐受性凡纳滨对虾的组织学观察 与凡纳滨对虾对照组鳃、肌肉和肝胰腺组织相比(图 3A、D、G),耐受家系和敏感家系在胁迫后表现出不同程度的变化,耐受家系鳃上皮细胞呈无规则排列,鳃丝的顶端囊状结构易被破坏(图 3B),肝胰腺组织管腔体积变大,B 细胞增多(图 3E),肌肉组织形态无明显差异(图 3I);而敏感家系实验组对虾整个鳃丝鳃腔增大,囊状结构进一步增大,上皮层结构逐渐被破坏甚至解体(图 3C),肝胰腺的空泡化现象严重,管腔变为不规则变形(图 3F),肌肉组
22、织肌束间隔变宽(H),并发生一定程度变形现象。表 3 凡纳滨对虾不同品系的遗传力 Tab.3 Heritability of different strains of L.vannamei 方差组分 品系 Family 2p 2 2e 2h 2ph 快大 K 1.6080.0770.608 0.077 1.00 0.3780.029*0.2370.029*高抗 GK 1.5270.0720.527 0.072 1.00 0.3450.031*0.2190.031*注:2p为表型方差;2为加性遗传方差;2e为残差方差;2h为潜在变量尺度上的遗传力;2ph为观测值尺度上的遗传力;*表示差异极显著(
23、P0.01)。Note:2p is phenotypic variance;2 is additive genetic variance;2e is residual variance;2h is the heritability at the scale of latent variables.2ph is the heritability on the observed scale.*indicates highly significant difference(P1),其原因可能与共同环境效应无法剖分有关。通过对凡纳滨对虾不同品系(高抗品系和快大品系)比较分析发现,高抗品系对高致死溶解氧
24、浓度的耐受性能明显高于快大品系。这可能与 2 个品系的选育方法与标准的不同有关。高抗品系育种过程中,经过病毒及弧菌的感染测试,选出抗病家系进行下一代繁育。根据卢霞等(2018)的研究报道,抗病性状与氨氮急性胁迫之间存在正相关性,对氨氮急性胁迫应激耐受力高的群体对病毒的抵抗力也高。而本研究中高抗品系低氧耐受性能明显高于快大品系,推测抗病性状与耐低氧性状之间亦可能存在正相关,其他抗性性状的选育对耐低氧性状具有正选择作用。3.3 低氧对凡纳滨对虾细胞水平的影响 在生物体面临低氧胁迫时,其体内不同组织由于其结构与功能的不同而产生一定的应激反应来应对逆环境(杨明等,2019)。研究表明,三疣梭子蟹(Po
25、rtunus tritverruca)的鳃上皮细胞向鳃腔突起形成“隔”,将鳃腔分为许多小通道,通道内含有游离的血细胞(李太武,1996),血细胞通过吞噬作用或释放糖供鳃细胞利用并保护鳃组织,同时泌氯细胞数目增多且形态由椭圆形转化为圆形,以此增加细胞与水的接触面积来应对逆环境(Bubel,1976),这与本研究中凡纳滨对虾在低氧胁迫下的鳃组织应激表现一致。且本研究中低氧敏感家系实验组肌束间隙变大,肌纤维排列较为疏松,出现一定弯曲状态。同时,相关虾蟹类胁迫研究中发现,日本沼虾中肝胰腺组织因低氧胁迫导致 B 细胞数量逐渐增加,胞内运转泡体积逐渐变大(杨明等,2019);在克氏原螯虾(Procamba
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