DNA條形碼技術在黑瞎子島鼠類鑒定中的應用*

劉潤吉 張榮波 李 明 劉麗娟 呼滿霞 王 靜 曹曉梅 郭天宇 張曉龍**

(1.安徽理工大學,安徽淮南 232000；2.中國檢驗檢疫科學研究院,北京 100123；3.黑龍江出入境檢驗檢疫局，哈爾濱 150001)

傳統(tǒng)形態(tài)分類方法用于日常物種鑒定，會出現(xiàn)表型可塑性和遺傳變異性引起的鑒定錯誤、忽略隱存種、受限于個體發(fā)育階段和性別等4個明顯的局限性(Hebertetal.,2003)。傳統(tǒng)形態(tài)學分類的固有局限性、地球上多達1000萬的龐大物種數(shù)量和不斷縮減的分類學家隊伍，預示著對一種新的分類方案的巨大需求。20世紀后半葉，遺傳物質核酸登上了自然科學史的舞臺，人們對基因的認識和操作水平突飛猛進，系統(tǒng)分類學開始了以基因或基因產物解析物種演化歷史的新歷程。DNA測序和PCR問世后，對基因進化速率的研究也幾乎同時展開(Zinneretal.,2009; 劉海龍，2009; Wangetal.,2011)。由于線粒體沒有內含子，較少受到重組影響，且為單倍型遺傳模式，所以比細胞核基因更適合用作分類標準。線粒體12S和16S核糖體基因存在大量的插入和缺失現(xiàn)象，使序列比對陷入困境，制約了它們在分類中的應用。線粒體細胞色素c氧化酶亞基Ⅰ基因(COⅠ)比其他線粒體基因擁有更多的系統(tǒng)發(fā)育信號，COⅠ基因密碼子的第3位核苷酸表現(xiàn)出很高的堿基置換率，這使得COⅠ基因在分子進化速率方面超出12S rDNA和16S rDNA兩倍之多(Hebertetal.,2003)。COⅠ基因的氨基酸序列變化率要比cytb和任何其他線粒體基因更慢一些，這使得COⅠ基因能夠提供更廣闊的有關系統(tǒng)發(fā)生的視角。2003年，加拿大生物學家Hebert在總結前人工作的基礎上，以加拿大37種蚊蟲、北美260種魚類、南美531種熱帶蝴蝶和87種蝙蝠為研究對象，提出以COⅠ基因為主要標準基因的DNA條形碼技術。 (Hebertetal.,2003; Lecompteetal.,2008; Pereiraetal.,2010)。

目前DNA條形碼研究的重點是界定種內種間遺傳差異和物種之間的變異范圍。在分析種內種間差異閾值時，往往出現(xiàn)樣本量太少的情況，以致不能做出有效的統(tǒng)計分析，無法進行精確評估(陳春生等，2012；馬英等，2012)。

鼠類是多種自然疫源性疾病的儲存宿主?？焖贉蚀_地鑒別鼠類，是防控疾病的關鍵。針對鼠類的傳統(tǒng)形態(tài)學鑒定十分依賴于對鼠類的頭骨、牙齒和外形的辨別，具有很強的專業(yè)性。本研究通過DNA條形碼技術，對黑瞎子島地區(qū)常見的2科3屬4種41只鼠類的序列進行種內種間遺傳距離的計算和聚類分析，以便積累鼠類條形碼數(shù)據(jù)，建立COⅠ基因條形碼數(shù)據(jù)庫。

1 材料與方法

1.1 標本采集

所用實驗樣品為2011年在黑瞎子島地區(qū)采集的鼠類，形態(tài)學鑒定為：棕背Clethrionomysrufocanus5只，紅背C.rutilus8只，東方田鼠Microtusfortis28只，花鼠Eutamiassibiricus3只。現(xiàn)場鑒定后，分離肝臟和脾臟組織，保存于-80℃。從GenBank和BOLD systems下載用于分析的其他條形碼序列，詳見表1。

表1 實驗樣本信息Tab.1 Information of samples in this research

1.2 基因組DNA提取

取鼠肝臟或脾臟組織20 mg，研磨均勻。用北京天根生物公司基因組DNA提取試劑盒，提取組織DNA，并保存于-20℃。

1.3 PCR反應和序列測定

COⅠ基因擴增所使用的通用引物為COⅠ-L(5′-ACTTCTGGGTGTCCAAAGAATCA-3′)和COⅠ-H(5′-CCTACTCRGCCATTTTACCTATG-3′)(Robinsetal.,2007)。在50 μL反應體系中，Premix Taq(Takara)25 μL，上下游引物各1 μL(10 μmol/L)，模板3 μL，去離子水20 μL。 PCR反應參數(shù)為：94℃預變性5 min; 94℃變性30 s，55℃退火40 s，72℃延伸1min，共35個循環(huán)；72℃延伸10 min。隨后用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物，并送北京華大基因測序。

1.4 COⅠ序列分析和系統(tǒng)樹構建

用Chromos軟件查看COⅠ基因序列峰圖，判斷峰圖質量。用Clustal X軟件進行多重序列比對。校正后的COⅠ序列在NCBI上用BLAST程序進行同源性比對。用MEGA5.0軟件計算COⅠ序列的堿基組成?；贙imura-2-parameter模型計算種內和種間遺傳距離，以鄰接法(Neighbour-joining,NJ)構建系統(tǒng)進化樹。最大簡約法分析使用啟發(fā)式搜索，參數(shù)如下：1 000 逐步加入法隨機加入序列構樹方法采用二等分再連接(Tree-bisection reconnection,TBR)，可靠性由1 000次自展分支檢驗。鄰接法分析采用HKY85遺傳距離，自展檢驗1 000次。

2 結果

2.1 41個鼠類標本COⅠ基因擴增結果

通過通用引物成功擴增出41個鼠類標本的COⅠ基因片段，大小約為750 bp。電泳結果未發(fā)現(xiàn)非特異性雜帶。通過測序，進一步驗證了擴增結果。

2.2 COⅠ基因的BLAST比對結果

將41個鼠類樣本COⅠ基因序列同NCBI上鼠類條形碼序列進行同源性比對，結果顯示，5只紅背被誤判為棕背，24只莫氏田鼠被誤判為東方田鼠，1只大林姬鼠被誤判為東方田鼠。其余樣本形態(tài)學鑒定結果和DNA條形碼比對結果一致。

2.3 種內與種間遺傳距離

用MEGA5.0軟件，基于Kimura-2-parameter模型計算黑瞎子島地區(qū)41個鼠類標本的平均種內和種間遺傳距離，見表2。

表2 黑瞎子島地區(qū)鼠類兩兩比對的種間平均遺傳距離和種內遺傳距離Tab.2 Average intraspecific genetic distance and average interspecific genetic distance

注：棕背樣本數(shù)據(jù)來自BOLD systems數(shù)據(jù)庫
Note: TheC.rufocanussample date comes from BOLD systems

2.4 系統(tǒng)發(fā)育樹構建

鄰接法構建的系統(tǒng)發(fā)育樹可以反映序列之間的真實距離。本研究利用黑瞎子島地區(qū)4種鼠類共41個COⅠ基因序列，連同BOLD systems和GenBank中的鼠類序列，用NJ法構建系統(tǒng)發(fā)育樹，結果如圖1。聚類分析結果表明，黑瞎子島地區(qū)常見4種鼠類的同種個體聚為單獨的一支，同屬不同種的個體聚為更大的一支，同科不同屬的分支聚為一總支。

圖1 NJ法構建的黑瞎子島地區(qū)常見鼠類分子系統(tǒng)樹Fig.1 NJ tree based on COⅠ gene fragments from 41 individuals of 4 rat species

3 討論

黑瞎子島地區(qū)41個鼠類樣本COⅠ基因序列在NCBI數(shù)據(jù)庫進行BLAST比對后，結果顯示，相似性在99%～100%。在對鼠類樣本進行PCR擴增時，花鼠樣本未能出現(xiàn)特異性條帶，推測原因可能是擴增體系不完全合適，以后研究中將加以改善。

基于COⅠ基因DNA條形碼技術的檢驗標準之一是種間差異遠大于種內差異。Hebert等(2003)對GenBank中13 320個親緣關系很近的同屬物種的COⅠ序列進行了分析，結果表明種內差異大多小于1%，極少大于2%，而種間差異則高達11.3%。本研究中通過對黑瞎子島地區(qū)2科3屬4種41個鼠類個體COⅠ基因序列進行分析，同一種鼠類不同個體的DNA條形碼序列差異很小，為0.003～0.008，平均為0.005；種間差異則很大，為0.108～0.346，平均為0.258。平均種間遺傳距離是種內遺傳距離的51倍，完全符合Hebert所作出的關于DNA條形碼有效性的檢驗標準。

DNA條形碼技術鑒定物種時，種間遺傳距離和種內遺傳距離之間的分離程度十分重要，有效的鑒定意味著種間遺傳距離和種內遺傳距離沒有重疊(Aliabadianetal.,2009)。本研究對黑瞎子島地區(qū)常見的4種41個鼠類標本的條形碼序列進行了分析，結果表明4種鼠類的種內遺傳距離和種間遺傳距離沒有重疊區(qū)域，這些數(shù)據(jù)提示DNA條形碼為有效區(qū)分鼠類提供了可能的手段。

構建系統(tǒng)發(fā)育樹進行分子鑒定是非常直觀的方法。NJP法構建的系統(tǒng)發(fā)育樹聚類分析結果表明，不同種類的鼠位于不同的分支，不同種屬的鼠類區(qū)別明顯。每一個單系分支對應一個特異的物種，節(jié)點支持率為100%。在分支長度上，種間分支較長，種內分支則很短。本研究以實驗所得的41個COⅠ序列和從NCBI和BOLD systems中得到的14個相關鼠類COⅠ序列構建系統(tǒng)發(fā)育樹，每種鼠類形成的獨立分支進一步驗證了DNA條形碼鑒定鼠類的有效性。

本研究以黑瞎子島地區(qū)41個鼠類個體為樣本，擴增COⅠ基因，結合Genbank和BOLD systems中相關的鼠類COⅠ序列，計算種內種間遺傳距離，并進行序列聚類和系統(tǒng)發(fā)育分析，證明基于COⅠ基因的DNA條形碼技術不僅能夠方便、快捷、準確的鑒定鼠類，糾正形態(tài)學鑒定中的失誤，而且還能很好的鑒別形態(tài)相近的近緣種。DNA條形碼技術必將在口岸檢驗檢疫、保護農業(yè)生產安全、保護生態(tài)安全方面發(fā)揮重大的作用。