DNA條形碼在長江口魚類浮游生物生態(tài)學(xué)研究中的意義

張 輝, 線薇微

(中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

長江口內(nèi)接長江, 外連東海, 是一個相對獨立的半咸水水系, 其復(fù)雜多變的非生物環(huán)境, 與生物群落構(gòu)成了一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能獨特的河口區(qū)生態(tài)系統(tǒng)[1]。長江口及其鄰近水域生產(chǎn)力高, 餌料豐富,是小黃魚、帶魚和銀鯧等經(jīng)濟種類的重要產(chǎn)卵場和育幼場, 也是夏、秋季銀鯧、刀鱭、鳳鱭、帶魚等魚類的重要索餌場, 又是鰣、松江鱸、中華鱘等珍稀魚類溯河或降海洄游的必經(jīng)水道[2]。由此可見, 長江口及其鄰近水域的魚類及其補充群體組成具有復(fù)雜性和多樣性, 這些奠定了長江口及其鄰近水域在漁業(yè)資源和魚類浮游生物生態(tài)學(xué)研究中的重要地位。

1 長江口魚類浮游生物生態(tài)學(xué)研究

魚類浮游生物包含魚卵和仔稚魚, 是魚類生命周期中最為脆弱的時期。這一階段魚類浮游生物成活率的高低、剩存量的多寡將直接影響到魚類補充群體資源量的豐歉。魚類資源的動態(tài)變化取決于世代強弱, 而世代強弱很大程度上取決于它們早期生活史階段即魚類浮游生物階段的補充狀態(tài)[3]。因此,魚類浮游生物的群落生態(tài)學(xué)研究早已成為漁業(yè)資源可持續(xù)利用必不可少的研究內(nèi)容。通過魚類浮游生物調(diào)查方法進行的資源評估能夠為合理解釋漁業(yè)資源現(xiàn)狀、確定魚類產(chǎn)卵場和產(chǎn)卵期、闡明魚類補充機制奠定基礎(chǔ)。而長江口及其鄰近水域是魚類重要的產(chǎn)卵、育幼場, 通過對該水域魚類浮游生物的調(diào)查,不僅能了解河口海區(qū)魚類資源種類組成的季節(jié)性時間序列動態(tài), 又能闡明當前漁業(yè)資源和魚類群落結(jié)構(gòu)的變化趨勢, 對我國漁業(yè)資源的保護和利用具有重要意義。

關(guān)于長江口及其鄰近水域魚類浮游生物的研究主要集中在物種組成、豐度及其影響因素。長江口水域魚類浮游生物種類組成記錄最多的是羅秉征和沈煥庭[2]于 1985~1986年的調(diào)查, 共捕獲魚卵 90萬個, 仔稚魚7萬尾, 約100種。此后, 有其他學(xué)者也相繼調(diào)查和分析了長江口及其鄰近水域的魚類浮游生物組成。如朱鑫華等[4]記錄了春季長江口仔稚幼魚20種; 蔣玫等[5]記錄了長江口及杭州灣附近水域魚類浮游生物 45種; 鐘俊生等[6]記錄了長江口碎波帶的仔稚魚組成 50種; 劉淑德等[7]記錄了長江口及其鄰近水域的17種魚類浮游生物。隨著對長江口及其鄰近水域重要性的不斷認識, 國內(nèi)學(xué)者對該水域的魚類浮游生物群落結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系、長江口及其鄰近水域魚類浮游生物群落種類組成和多樣性的季節(jié)變化進行了相關(guān)探討[7-8]。上述研究者在研究物種組成的同時也對魚類浮游生物出現(xiàn)的季節(jié)和分布區(qū)域進行了詳細的報道。從已有的研究成果來看: 長江口及其鄰近水域全年皆有魚類浮游生物出現(xiàn); 魚類浮游生物主要出現(xiàn)在春夏季, 秋冬季魚類浮游生物相對較少; 魚類浮游生物群落結(jié)構(gòu)變化存在一定的規(guī)律。

與此同時, 部分學(xué)者開始將研究的焦點轉(zhuǎn)向了長江口及其鄰近水域魚類浮游生物的分布格局及其影響因素。例如, 蔣玫等[5]在研究長江口水域魚類浮游生物時指出鹽度對魚卵產(chǎn)生的間接效應(yīng)更為明顯,仔魚對溫度變化的敏感性較鹽度高, 長江徑流、臺灣暖流等水系的消長作用對魚卵仔魚的分布有顯著影響。劉淑德等[9]利用TWINSPAN分類方法將春季長江口及其鄰近水域魚類浮游生物群落劃分為 3個類群, 并用典范對應(yīng)分析(CCA)排序給出了各類群與環(huán)境因子的相互關(guān)系, 結(jié)果表明影響這一海域魚類浮游生物分布的主要環(huán)境因子為鹽度、水深、溶解氧和懸浮物。

2 魚類浮游生物的傳統(tǒng)鑒定方法存在瓶頸

盡管魚類浮游生物具有非常重要的生態(tài)地位和研究價值, 但不可否認的是魚類浮游生物的鑒定仍存在較大難度。目前已鑒別的成魚種類超過 28 700余種[10], 但能夠鑒別的仔稚魚種類僅占成魚種類的1/10, 而能夠鑒別的魚卵種類則不到成魚種類的1/10[11]。即使已經(jīng)鑒定到種類的魚類浮游生物, 其準確度也存在較大偏差。例如中國臺灣學(xué)者對臺灣沿海的100種仔稚魚同時運用形態(tài)學(xué)和DNA條形碼進行鑒定, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)根據(jù)形態(tài)學(xué)結(jié)果鑒定到科的準確率為 80.1%, 鑒定到屬的準確率為 41.1%, 而鑒定到種的準確率僅為 13.5%[12]。由于缺乏足夠的可用于形態(tài)分類的特征, 魚類浮游生物形態(tài)分類研究工作開展較少。通常在資源調(diào)查及環(huán)境評估中將不同種類的魚卵通常全部稱為魚卵, 導(dǎo)致相關(guān)的資源評估、種群動力學(xué)研究、產(chǎn)卵場調(diào)查等研究工作不能準確開展[13]。由此可見魚類浮游生物能否準確鑒定已成為漁業(yè)資源評估與海洋生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)研究的瓶頸。因此, 尋找魚類浮游生物準確鑒定的有效方法是開展上述研究的基本前提和根本保障。

3 DNA條形碼在魚類浮游生物鑒定中的適用性

DNA條形編碼(DNA Barcoding)是一種基于分子生物學(xué)技術(shù)進行物種鑒定的新方法。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及 DNA序列的大量積累,Tautz[14]最早提出可以運用 DNA序列進行物種鑒定或者分類。Hebert[15]研究表明線粒體 DNA cytochrome c oxidase I(COI)基因中的一個片段可以作為物種鑒別的有效工具, 并認為地球上的所有物種均可以像商品一樣進行條形編碼。這主要是基于兩方面原因: 一方面該片段足夠保守, 能夠利用通用引物進行大范圍的擴增; 另一方面該片段有足夠的變異來區(qū)分不同物種DNA序列, 從而進行物種的準確鑒定。在隨后的研究中, Hebert[16]證明除了刺胞動物門, COI基因序列的分化程度能夠?qū)ζ渌袆游锏挠H緣種進行鑒別。盡管DNA條形碼的構(gòu)想和實施一直存在爭議[17], 然而因為它便捷可行, 且對基礎(chǔ)和應(yīng)用研究均可帶來深遠的影響, 所以受到國際學(xué)術(shù)界的廣泛重視。大量的研究結(jié)果表明, 運用 COI基因可以對超過 95%的物種進行準確鑒定[18-20]。目前國際上已經(jīng)提出或形成了眾多的DNA條形碼研究計劃, 分別對鳥類、魚類、鱗翅類等重要生物類群展開DNA條形碼研究。盡管目前國內(nèi)外對于魚類浮游生物的 DNA條形碼研究較少, 仍有理由相信DNA條形碼的廣泛使用將為魚類浮游生物的準確鑒定提供有效的解決途徑。

4 結(jié)語

綜上所述, DNA條形碼技術(shù)的發(fā)展將成為魚類浮游生物傳統(tǒng)分類學(xué)強有力的補充, 給該領(lǐng)域系統(tǒng)分類學(xué)發(fā)展提供新的機遇。DNA條形碼技術(shù)在魚類浮游生物中的應(yīng)用將突破傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分類的局限,成為傳統(tǒng)物種鑒定強有力的補充。由于DNA條形碼采用數(shù)字化形式, 使樣本鑒定過程能夠?qū)崿F(xiàn)自動化和標準化, 突破了對經(jīng)驗的過度依賴, 能夠在較短時間內(nèi)建立易于利用的數(shù)據(jù)庫。分類學(xué)家和非專業(yè)人士均可以根據(jù)國際數(shù)據(jù)庫及時查找長江口及其鄰近水域魚類浮游生物的物種信息, 鑒別潛在的隱存種或新種。DNA條形碼技術(shù)的發(fā)展將極大的緩解目前魚類浮游生物形態(tài)學(xué)鑒定的局限性和傳統(tǒng)分類學(xué)家隊伍日益縮減的局面。

[1]盧繼武, 羅秉征, 薛頻, 等.長江口魚類群落結(jié)構(gòu)、豐盛度及其季節(jié)性變化研究[C]//中國科學(xué)院海洋研究所.海洋科學(xué)集刊: 第 33卷.北京: 科學(xué)出版社,1992: 303-340.

[2]羅秉征, 沈煥庭.三峽工程與河口生態(tài)環(huán)境[M].北京:科學(xué)出版社, 1994.

[3]Hjort J.Fluctuations in the great fisheries of northern Europe[M].Copenhagen: Andr.Fred.H?st & Fils,1914.

[4]朱鑫華, 劉棟, 沙學(xué)坤.長江口春季魚類浮游生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系[J].海洋科學(xué)集刊, 2002, 5:169-179.

[5]蔣玫, 沈新強, 王云龍, 等.長江口及其鄰近水域魚卵、仔魚的種項組成與分布特征[J].海洋學(xué)報, 2006,28(2): 171-174.

[6]鐘俊生, 吳美琴, 練青平.春、夏季長江口沿岸碎波帶仔稚魚的種類組成[J].中國水產(chǎn)科學(xué), 2007, 14(3):436-443.

[7]劉淑德, 線薇微.長江口及其鄰近水域魚類浮游生物群落的時空格局[J].生物多樣性, 2009, 17(2):151-159.

[8]單秀娟, 金顯仕.長江口近海春季魚類群落結(jié)構(gòu)的多樣性研究[J].海洋與湖沼, 2011, 42(1): 32-42.

[9]劉淑德, 線薇微, 劉棟.春季長江口及其鄰近海域魚類浮游生物群落特征[J].生態(tài)學(xué)報, 2008, 19(10):2284-2292.

[10]Jalabert B.Particularities of reproduction and oogenesis in teleost fish compared to mammals[J].Reprod Nutr Dev, 2005, 45: 261-279.

[11]Shao K, Yang J, Chen K, et al.An identification guide of marine fish eggs from Taiwan [M].Taipei :Academia Sinica, Institute of Zoology, 2001: 1-24.

[12]Ko H, Wang Y, Chiu T, et al.Evaluating the accuracy of morphological identification of larval fishes by applying DNA barcoding[J].PLoS ONE, 2013, 8: e53451.

[13]Shao K, Chen K, Wu J.Identification of marine fish eggs in Taiwan using light microscope, scanning electric microscope and mtDNA sequencing[J].Mar Fresh Res, 2002, 53: 355-365.

[14]Tautz D, Arctander P, Minelli A, et al.DNA points the way ahead in taxonomy[J].Nature, 2002, 418: 479.

[15]Hebert P D N, Cywinska A, Ball S, et al.Biological identifications through DNA barcodes[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2003a, 270: 313-321.

[16]Hebert P D N, Ratnasingham S, deWaard J R.Barcode animal life, cytochrome c oxidase subunit I divergences among closely related species[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci (Supp1), 2003b, 270: S96-S99.

[17]Moritz C, Cicero C.DNA Barcoding: promise and pitfalls[J].Plo S Biol, 2004, 2: e354.

[18]Hebert P D N, Penton E, Burns J, et al.Ten species in one, DNA barcode reveals cryptic species in the neotropical skipper butterflyAstraptes fulgerator[J].Proc Natl Acad Sci, 2004, 101: 14812-14817.

[19]Ward R, Zemlak T, Innes B, et al.DNA barcode Australia’s fish species[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2005, 360: 1847-1857.

[20]Hajibabaeia M, Alexsmith M, Janzen D, et al.A minimalist barcode can identify a specimen whose DNA is degraded[J].Mol Ecol Notes, 2006, 6: 959-964.