丹麥鋼頭鱒染色體核型分析

李秉鈞, 吳志昊, 尤 鋒, 王 波, 徐 彬

(1. 煙臺(tái)大學(xué) 海洋學(xué)院, 山東 煙臺(tái)264005; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 3. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

鋼頭鱒(Oncorhynchus mykiss)俗稱鋼頭三文魚、丹虹三文魚、鋼頭、鋼頭鮭、三文鱒等, 屬于鮭形目(Salmoniformes)、鮭科(Salmonidae)、鮭亞科(Salmoniae)、大麻哈魚屬(Oncorhynchus)。與虹鱒為同一種的不同品系, 其生活史的大部分時(shí)間在大洋或大湖區(qū)度過, 具有洄游性, 繁殖時(shí)溯河產(chǎn)卵; 而虹鱒為陸封型的, 不需要在不同水體間進(jìn)行長(zhǎng)距離洄游[1]。鋼頭鱒經(jīng)過馴化也可以完全在淡水中生長(zhǎng)繁殖,無需洄游[2]。從外部形態(tài)看, 鋼頭鱒沿體側(cè)側(cè)線下半部為銀白色, 上半部為暗綠色, 頭背部則為鐵灰色,身上斑點(diǎn)大而稀疏[3]; 而虹鱒成體沿體側(cè)側(cè)線有一明顯的棕紅色縱紋, 如同彩虹一樣, 也因此得名“虹鱒”。鋼頭鱒的肉質(zhì)爽滑且結(jié)實(shí), 肉呈鮮橙色, 可做成與極品鮭魚相媲美的生魚片, 經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高。在加拿大、美國(guó)、丹麥、英國(guó)、智利等國(guó)家都已經(jīng)開展了大規(guī)模養(yǎng)殖[4-7]。北京康鑫水產(chǎn)公司1998年從美國(guó)將類似種硬頭鱒引進(jìn)中國(guó), 并在北京密云水庫(kù)成功地進(jìn)行了培育[8]。由于其養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)效益突出, 近幾年在中國(guó)各省逐步推廣, 也開展了苗種培育技術(shù)、重金屬的急性毒性實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞體外培養(yǎng)、三倍體誘導(dǎo)等相關(guān)的研究[3,9-11]。作者所分析的鋼頭鱒是丹麥降海型 DK新品系之一, 它與國(guó)內(nèi)以前引進(jìn)并已開展大規(guī)模養(yǎng)殖的陸封型虹鱒品種, 如金鱒、硬頭鱒、道納爾遜優(yōu)質(zhì)虹鱒等均屬于同一物種虹鱒的不同品系, 具有耐高溫、易海水馴化、速生、抗病、高產(chǎn)等特點(diǎn), 因而更具廣闊的養(yǎng)殖前景。

染色體作為生物體中遺傳物質(zhì)的載體, 能在一定程度上反映物種的分化與形成過程、親緣關(guān)系、演化途徑及進(jìn)化歷史等特征[12]。所以, 有必要弄清鋼頭鱒的染色體核型和遺傳背景, 為進(jìn)一步開展該魚種種質(zhì)、遺傳育種研究和養(yǎng)殖生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。鮭亞科魚類共5屬22種[13], 其染色體主要分兩種類群, 一類二倍體染色體數(shù)接近 80, 臂數(shù)約為100(2n=80,NF=100); 另一類二倍體染色體數(shù)接近60,臂數(shù)也約為100(2n=60,NF=100)[14]。有關(guān)鋼頭鱒的核型研究報(bào)道不多, Colihueque等[6]曾對(duì)5個(gè)品系的虹鱒染色體數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)硬頭鱒的染色體數(shù)在58～61, 但并未進(jìn)行染色體組型分析; 國(guó)內(nèi)則僅有對(duì)其紅血細(xì)胞核大小和形狀變化的研究[15], 也未見到其染色體核型的報(bào)道。作者通過由丹麥引進(jìn)的鋼頭鱒的染色體數(shù)目和核型研究, 以期獲得其細(xì)胞遺傳學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

所用實(shí)驗(yàn)魚耐高溫鋼頭鱒由國(guó)家海洋局第一海洋研究所2011年從丹麥引進(jìn), 共10尾, 包括5尾雌魚和5尾雄魚, 體質(zhì)量為90～150 g。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 染色體分裂相制備

采用稍加修改的PHA活體直接注射法制備染色體標(biāo)本[16]。按 5 μg/g魚體質(zhì)量活體往腹腔內(nèi)注射PHA, 20 h后按2.5 μg/g魚體質(zhì)量注射秋水仙素溶液,3 h后斷尾放血, 解剖取其頭腎并用生理鹽水沖洗2次,充分剪碎后, 用 200目尼龍網(wǎng)過濾細(xì)胞懸液至刻度離心管中, 經(jīng)低滲、固定、滴片、自然干燥、Giemsa染色等處理后, 光學(xué)顯微鏡下觀察、計(jì)數(shù)、測(cè)量和拍照。

1.2.2 核型分析

核型分析選取實(shí)驗(yàn)魚的染色體中期分裂相50個(gè)進(jìn)行染色體計(jì)數(shù)(3～6個(gè)/尾實(shí)驗(yàn)魚), 并選出 10個(gè)分散良好的中期分裂相進(jìn)行染色體配對(duì)和長(zhǎng)度測(cè)量,根據(jù)Levan等[17]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核型分析。染色體相對(duì)長(zhǎng)度計(jì)算公式; 染色體相對(duì)長(zhǎng)度=(實(shí)測(cè)單條長(zhǎng)度×2/全部染色體長(zhǎng)度總和)×100。利用測(cè)得的染色體相對(duì)長(zhǎng)度, 在Excel中繪制實(shí)驗(yàn)魚的核型模式圖[18]。

2 結(jié)果

2.1 染色體數(shù)目的確定

在顯微鏡下對(duì)鋼頭鱒中期分裂相進(jìn)行計(jì)數(shù),共計(jì)數(shù)50個(gè)分裂相, 其染色體總數(shù)為58, 即2n=58(表1)。雌魚和雄魚染色體數(shù)目無差異, 也未觀察到異形染色體。

表1 鋼頭鱒染色體數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 1 Chromosome numbers of Domsea steelhead trout O.mykiss

表2 鋼頭鱒染色體相對(duì)長(zhǎng)度和臂比值Tab. 2 Relative length and ratio of chromosomes of Domsea steelhead trout O. mykiss

2.2 染色體相對(duì)長(zhǎng)度的分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)魚的10個(gè)分散良好的中期分裂相進(jìn)行顯微攝像, 統(tǒng)計(jì)獲得的染色體的相對(duì)長(zhǎng)度和臂比見表 2,實(shí)驗(yàn)魚中期染色體相對(duì)長(zhǎng)度最長(zhǎng)為(5.69±0.17), 最短為(1.92±0.09)。染色體配對(duì)和核型分析如圖1, 染色體組型為 2n=44m+14t, 臂數(shù)NF=102。對(duì)實(shí)驗(yàn)魚的 29對(duì)同源染色體按相對(duì)長(zhǎng)度遞減趨勢(shì)進(jìn)行編號(hào), 獲得了染色體核型模式圖(圖2)。

圖1 鋼頭鱒染色體中期分裂相(左)和核型(右)Fig.1 Metaphase chromosomes (left)and karyotype (right)of Domsea steelhead trout O. mykiss

圖2 鋼頭鱒的核型模式圖Fig.2 The schema chart of chromosome of Domsea steelhead trout O. mykiss

3 討論

染色體是遺傳物質(zhì)的主要載體, 特定的生物體具有特定數(shù)目、形態(tài)特征的染色體, 一般認(rèn)為魚類染色體的核型結(jié)構(gòu)與其演化程度是一致的[12]。小島吉雄[19]按染色體形態(tài)將真骨魚類劃分為低位類、中位類和高位類3個(gè)演化類群。高位類群的魚類染色體的特點(diǎn)是其數(shù)目分布呈收斂狀態(tài), 較集中, 峰值是2n=48,M型染色體(包括m和sm染色體)少, 平均為7.5; A型染色體(包括st和t染色體)多, 平均為38.3, NF平均值為53.4; 而低位類群的魚類染色體的數(shù)目相對(duì)較多, M型染色體多而A型染色體少。鮭科魚類屬典型的冷水性魚類, 約有36種, 是世界三大養(yǎng)殖魚類之一, 其養(yǎng)殖產(chǎn)量?jī)H在鯉魚和羅非魚之后[20]。國(guó)內(nèi)外許多研究均認(rèn)為鮭形目魚類是多倍體起源的魚類, 在進(jìn)化過程中經(jīng)歷了四倍化的進(jìn)程[21]。目前已有染色體核型相關(guān)報(bào)道的鮭科魚類中, 染色體數(shù)總體變化較大(表3)。其中白點(diǎn)鮭(Salvelinus pluvius)、哲羅鮭(Hucho taimen)和高白鮭(Coregonus peled)染色體數(shù)較多, 屬于低位類群; 孟蘇大馬哈魚(Oncorhynchus masu)、虹鱒和鋼頭鱒雖然染色體數(shù)略少于以上3種魚, 但其M型染色體相對(duì)較多(超過70%), 其演化類群也趨向低位類群; 大西洋鮭(Salmo salar)的染色體數(shù)為56, M型染色體相對(duì)較少, 僅占32%, 其演化類群相對(duì)其他鮭科魚類趨向高位類群。但其染色體數(shù)與高位類群魚類染色體數(shù)的峰值48相比仍不夠收斂, 并不能將其劃分為高位類群。因此, 無法將鮭科魚類在魚類系統(tǒng)進(jìn)化上統(tǒng)一歸于某一位類群。李樹深[22]研究認(rèn)為,在特定的分類階元中, 具有較多端部著絲粒染色體的為原始類群; 而具有較多中部或亞中部著絲粒染色體的為特化類群, 其中臂數(shù)少的為較特化類群,臂數(shù)多的為特化類群。在已報(bào)道的鮭科魚類中(表3),染色體核型表現(xiàn)出高度的多樣性, 進(jìn)化并不保守。大西洋鮭具有較多端部著絲粒染色體, 屬于較原始的類群。而虹鱒和鋼頭鱒具有較多中部或亞中部著絲粒, 屬于特化類群。這種染色體數(shù)目和形態(tài)的差異可能是不同物種由于隔離造成的長(zhǎng)期的基因交流缺失導(dǎo)致的。Philips等[14]在對(duì)鮭科魚類的染色體進(jìn)化研究表明, 魚類棲息的環(huán)境對(duì)其染色體多態(tài)性有很大影響。

表3 幾種鮭科魚類的染色體核型Tab. 3 Chromosomal numbers and karyotypes of some species of Salmonidae

作者研究的鋼頭鱒為丹麥學(xué)者經(jīng)過幾十年選育出來的降海型新品系。不同品系的虹鱒除在外形上略有差異外, 在染色體核型上也存在一定差異。對(duì)于不同品系虹鱒染色體數(shù)目的研究已有較多報(bào)道,1955年Wright[29]首次利用囊胚細(xì)胞研究了虹鱒的染色體, 顯示其染色體數(shù)為 60。之后又有許多學(xué)者研究了不同虹鱒地理群體或品系的核型, 得到不盡相同的結(jié)果。Minciu等[30]對(duì)采自羅馬尼亞的兩個(gè)虹鱒群體染色體的研究發(fā)現(xiàn)其數(shù)目在群體間存在差異,有 2n=60和 2n=61兩個(gè)群體。Vasilyev等[31]發(fā)現(xiàn)勘察加半島的虹鱒染色體數(shù)目為 2n=62。Thorgaard[32]分析了從阿拉斯加到加利福尼亞的 29個(gè)虹鱒群體,發(fā)現(xiàn)其染色體數(shù)目從 58～64不等。Colihueque等[6]對(duì)包括硬頭鱒在內(nèi)的 5個(gè)虹鱒品系染色體數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)它們的染色體數(shù)在 58～63, 其中硬頭鱒的染色體數(shù)在58～61。作者所分析的鋼頭鱒染色體數(shù)目為 58。這種不同品系間染色體數(shù)目的差異可能與羅伯遜易位(Robertsonian translocation)有關(guān)。羅伯遜易位現(xiàn)象是指同一細(xì)胞核內(nèi)兩條端部著絲點(diǎn)染色體在著絲點(diǎn)位置融合為一條中部或亞中部著絲點(diǎn)染色體,以及由一條中部或亞中部著絲點(diǎn)染色體在著絲點(diǎn)處斷裂為兩條端部著絲點(diǎn)染色體的現(xiàn)象, 這一變化或易位是正反兩方向變化的。從物種進(jìn)化看, 羅伯遜易位會(huì)導(dǎo)致種內(nèi)出現(xiàn)染色體核型的多樣性, 再經(jīng)過一定的地理隔離, 這些具有不同染色體核型的群體間經(jīng)過獨(dú)立的進(jìn)化, 進(jìn)而衍生出亞種, 乃至新物種[33]。

已有文獻(xiàn)報(bào)道[26], 虹鱒屬雌性同配雄性異配型XX-XY, 但是否有異形性染色體還缺乏足夠的證據(jù),目前大多研究報(bào)道中均未發(fā)現(xiàn)性染色體, 僅Thorgaard[34]發(fā)現(xiàn)虹鱒雄性個(gè)體的亞端部著絲點(diǎn)染色體在短臂存在異形現(xiàn)象, 并認(rèn)為其為虹鱒性染色體分化的早期階段。本研究中同時(shí)對(duì)雄性和雌性剛頭鱒的染色體分裂相進(jìn)行了觀察, 也未發(fā)現(xiàn)異形染色體。

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