河流對黃胸鼠遺傳格局的影響

趙芳, 林恭華, 吳愛國

(1.中國科學(xué)院西北高原生物研究所，高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008；2. 云南省地方病防治所，云南大理671000)

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DOI:10.11984/j.issn.1000-7083.20150286

河流對黃胸鼠遺傳格局的影響

趙芳1, 林恭華1, 吳愛國2*

(1.中國科學(xué)院西北高原生物研究所，高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008；2. 云南省地方病防治所，云南大理671000)

河流可能會阻礙陸生動物的遷移并導(dǎo)致其遺傳分化，很多研究證明了河流屏障假說，但是也有少數(shù)研究不支持這個假說。本研究采集了云南省384只黃胸鼠Rattustanezumi樣本，分別來自于被5條主要河流隔開的6個地理區(qū)域。通過對mtDNA和IRBP兩個基因的測序分析，檢驗(yàn)云南省主要河流對黃胸鼠種群遺傳格局的影響。共鑒定得到81個mtDNA單倍型和135個IRBP單倍型，其中很多單倍型都被2個或2個以上區(qū)域共享。AMOVA分析顯示，大多數(shù)的變異源于種群內(nèi)部或種群之間，只有少數(shù)變異(<15%)源于6個區(qū)域之間。SAMOVA分析將mtDNA種群分成了3組，但每一組都被2個或2個以上的區(qū)域共享；對IRBP的分析則沒有檢測到明顯的譜系地理結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，河流屏障對黃胸鼠的遺傳格局幾乎無影響。

河流；黃胸鼠；mtDNA；IRBP；遺傳分化

河流屏障假說(riverine barrier hypothesis)認(rèn)為，河流作為一種地理隔離，可能會阻礙陸生動物的遷移以及基因流動，從而引起種群分化，促進(jìn)種群格局的形成(Gasconetal.，2000；Hayes & Sewlal，2004；Lietal.，2009)。針對這一假說，前人的研究得到了2種完全對立的結(jié)論。通過對哺乳動物、鳥類、爬行動物、兩棲動物和昆蟲的反復(fù)驗(yàn)證，大多數(shù)的研究支持這一假說(Knoppetal.，2011；Díaz-Muoz，2012；Fernandesetal.，2012)。然而，少數(shù)研究并不認(rèn)為河流能構(gòu)成影響陸生動物種群格局的屏障。例如，對法國阿爾卑斯山脈中山溪兩岸的一些鼩鼱Sorexaraneus遺傳結(jié)構(gòu)的研究證明，這些山溪并沒有明顯影響鼩鼱的基因流(Lugon-moulinetal.，1999)。

大家鼠屬Rattus現(xiàn)存66個物種，廣泛分布于全球各地，通常被認(rèn)為是遷移擴(kuò)散能力最強(qiáng)的哺乳動物之一(Wilson & Reeder，2005)。作為各種鼠傳病菌(如鼠疫桿菌Yersiniapestis)和體外寄生蟲(如跳蚤)最重要的宿主，它們是各種重大動物疾病的元兇(Pagèsetal.，2010)，而且還會嚴(yán)重破壞生活環(huán)境內(nèi)的建筑物，并且污染和毀壞人類的糧食儲存(Hindsetal.，2003)。因此，了解大家鼠屬生物多樣性形成的機(jī)制對疾病的預(yù)防和鼠害的防控至關(guān)重要。

黃胸鼠Rattustanezumi是主要分布在東南亞的大家鼠，其生境廣泛，包括城區(qū)、農(nóng)村、農(nóng)田以及森林邊緣(Wilson & Reeder，2005),因攜帶很多鼠傳病菌和對人類設(shè)施巨大的破壞力而臭名昭著(鄭智民等，2008)，其中最為人們所熟悉的是，它們是東南亞鼠疫的主要宿主(賀雄，王虎，2010)。黃胸鼠主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，這些地區(qū)的大江大河常年不結(jié)冰。然而，這些河流是否能影響黃胸鼠的種群遺傳分化，目前還沒有系統(tǒng)的調(diào)查和分析資料。本研究中，我們從云南省捕獲了一定數(shù)量的黃胸鼠，以線粒體基因和核基因共同作為分子標(biāo)記來驗(yàn)證云南省內(nèi)5條大江(怒江、瀾滄江、李仙江、元江和南盤江)對黃胸鼠種群遺傳格局的影響。

1 材料和方法

1.1 樣品采集、DNA提取、基因擴(kuò)增和測序

用活捕籠(20 cm×12 cm×9 cm)捕獲黃胸鼠，乙醚麻醉，斷頸法處死并收集大腿內(nèi)側(cè)肌肉樣品，保存在95%乙醇中，帶回實(shí)驗(yàn)室用于分子實(shí)驗(yàn)。

采用動物組織基因組DNA提取試劑盒(Qiagen，Germany)提取基因組DNA。根據(jù)黃胸鼠線粒體基因組序列(GenBank登錄號：KF011916)設(shè)計(jì)擴(kuò)增線粒體部分序列的引物：mtDNA-F:5’-ACCCTACTTACTGGCTTCA-3’；mtDNA-R:5’-TAATGGCGAATACTGCTC-3’。mtDNA包含完整的tRNA-Tyr基因和細(xì)胞色素C氧化酶Ⅰ基因(cytochrome c oxidase subunit Ⅰ，COⅠ)的部分序列。類視黃醇結(jié)合蛋白(interphotoreceptor retinoid binding protein，IRBP)部分序列的引物根據(jù)已發(fā)表的黃胸鼠IRBP序列(GenBank登錄號：HM217693)設(shè)計(jì)：IRBP-F:5’-CTATGAGCCCAGTACCCTCG-3’；IRBP-R:5’-AGCACGGACACCTGAAACA-3’。

PCR擴(kuò)增使用40 μL反應(yīng)體系，包括：40～60 ng的基因組DNA，0.6 mmol·L-1dNTPs，0.2 μmol·L-1的正/反向引物，1 U Taq酶，以及DNA buffer和去離子水的混合反應(yīng)緩沖液。PCR反應(yīng)程序是：95 ℃預(yù)變性5 min；94 ℃變性45 s，55 ℃退火45 s，72 ℃延伸75 s,35個循環(huán)；最后72 ℃延伸7 min。PCR產(chǎn)物用CASpure PCR Purification Kit(Casarray，Shanghai，China)純化，用PCR擴(kuò)增引物進(jìn)行Sanger法測序[由生工生物工程(上海)有限公司完成]。

1.2 譜系地理學(xué)分析

用MEGA 5(Tamuraetal.，2011)中內(nèi)嵌的Clustal W(Tompsonetal.，1997)程序比對測序得到的序列，輔以人工校對。用DnaSP 5(Librado & Rozas，2009)分析mtDNA的變異位點(diǎn)和單倍型的分布。由于IRBP基因?yàn)槎扼w序列，其中有很多單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)位點(diǎn)，我們首先使用DnaSP 5中的PHASE 2.1(Stephensetal.，2001)程序構(gòu)建單倍型，然后基于這些單倍型進(jìn)行變異位點(diǎn)和遺傳結(jié)構(gòu)分析。

為了推斷河流對黃胸鼠譜系地理學(xué)特征的影響，按照5條河流的分隔，將采樣地點(diǎn)劃分為6個地理區(qū)域分組(G1～G6，圖1)。用Arlequin 3.11(Excoffier & Lischer，2005)進(jìn)行分子方差分析(analyses of molecular variance，AMOVA)，分別計(jì)算區(qū)域之間、區(qū)域內(nèi)種群之間和種群內(nèi)部的方差百分比。

同時用SAMOVA v1.0(Dupanloupetal.，2002)對黃胸鼠種群進(jìn)行譜系地理結(jié)構(gòu)聚類。組數(shù)K值的設(shè)定從2到6，置換500次。判定標(biāo)準(zhǔn)為：在避免某一組只有單個種群的前提下，F(xiàn)CT值最大且P值有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的分組為最好的種群分組(Magrietal.，2006；Shietal.，2012)。

2 結(jié)果

從云南省38個縣50個地點(diǎn)共捕獲384只黃胸鼠，地點(diǎn)信息詳見表1和圖1。測序結(jié)果顯示，比對好的mtDNA序列總長1 182 bp(File S1)，有93個多態(tài)位點(diǎn)，81個單倍型(mH1～mH81；File S2)；IRBP基因總長932 bp(File S3)，包括45個變異位點(diǎn)和135個通過PHASE軟件分離的SNP單倍型(iH1～iH135；File S4)。mtDNA和IRBP基因的單倍型分布情況詳見Table S1。以上所有附屬文件可在Dryad數(shù)據(jù)庫中下載(http://dx.doi.org/10.5061/dryad.584kb)，或聯(lián)系作者郵件索取。

AMOVA分析顯示，對于mtDNA而言，超過50%的變異源于種群內(nèi)部，只有13.33%源于區(qū)域之間(即G1～G6之間)。對于IRBP，大多數(shù)變異(88.12%)源于種群內(nèi)部，僅有4.62%源于區(qū)域之間(表2)。

表1 黃胸鼠樣本的大小和地理信息

圖1 黃胸鼠樣本及地理分布

Fig. 1 Geographic distribution and grouping ofRattustanezumi

縮寫見表1中地點(diǎn)編號;下圖同。

Abbreviations are the same as the locality ID in table 1; the same below.

表2 黃胸鼠mtDNA和IRBP的AMOVA分析結(jié)果

SAMOVA分析顯示，對mtDNA而言，K值越大，F(xiàn)CT值越大。但是，當(dāng)K>3時，會存在某些分組內(nèi)只有一個種群的情況。因此，K=3時的模型屬于最佳模型，此模型的3個分組(S1～S3)分別包含32個、16個和2個種群(圖2)。對IRBP而言，F(xiàn)CT值隨著K值的增大而減小，同時也存在某些分組只有一個種群的情況，因此，基于IRBP數(shù)據(jù)無法得到明顯的種群結(jié)構(gòu)(表3)。

3 討論

本研究檢驗(yàn)了河流屏障對黃胸鼠種群遺傳的影響。單倍型分布分析顯示，河流對地理區(qū)域(G1～G6)組間的單倍型分布沒有明顯的影響?？偟膩碚f，81個mtDNA單倍型中有15個是2個或2個以上區(qū)域共享的。例如，G2～G6共享mH3單倍型。同時，在135個IRBP單倍型中，有49個被2個或2個以上區(qū)域共享，其中，iH47和iH65為所有區(qū)域共享(詳見Table S1)。

表3 黃胸鼠mtDNA和IRBP的SAMOVA分析結(jié)果

圖2 基于mtDNA 的50個黃胸鼠種群的SAMOVA分組

Fig. 2 SAMOVA grouping of the 50Rattustanezumipopulations based on mtDNA sequences

AMOVA分析顯示，無論是mtDNA還是IRBP，都只有少數(shù)變異源于6個區(qū)域之間(分別為13.33%和4.67%)，表明5條河流對黃胸鼠種群遺傳變異的屏障作用不明顯。同時，基于mtDNA的SAMOVA分析也顯示所有種群被分成了3組(S1～S3)，且每一個SAMOVA分組都被2條或以上河流分隔開，換句話說，每個SAMOVA分組都不是單獨(dú)位于某一區(qū)域內(nèi)。此外，基于IRBP的SAMOVA分析證明沒有明顯的種群結(jié)構(gòu)存在。綜合來看，所有結(jié)果都表明云南省5條主要河流對黃胸鼠種群遺傳格局的形成影響很小。

由于對各種生境的適應(yīng)能力很強(qiáng)，以及高效的遷移和繁殖能力，大家鼠一直被認(rèn)為是最具有侵略性擴(kuò)張能力的哺乳動物之一。本屬的很多動物在有需要時都會游泳，褐家鼠R.norvegicus的游泳能力(能在水中呆3 d或游0.75 km)在很多文獻(xiàn)中被反復(fù)證明(Russelletal.，2008)。也有文獻(xiàn)(Innes，2005；Shielsetal.，2014)證明屋頂鼠R.rattus能游300～750 m到鄰近的島嶼上。作為與屋頂鼠親緣關(guān)系最近的黃胸鼠，我們有理由相信它們也是游泳能手。事實(shí)上，在福貢縣采樣時，當(dāng)?shù)鼐用窀嬖V我們黃胸鼠有時候甚至能橫游過怒江(個人交流)。云南省5條主要河流的寬度一般都不超過200 m，我們假設(shè)黃胸鼠能夠輕易游過這幾條河流的話，也就證明了對黃胸鼠而言，河流不存在屏障效應(yīng)。

除了游泳外，黃胸鼠還可能通過船只往來進(jìn)行遷移(Russelletal.，2008)。由于交通業(yè)的發(fā)展，目前世界上大部分地區(qū)都有褐家鼠和屋頂鼠的分布(Krinke，2000；Aplinetal.，2011)。在中國，火車運(yùn)輸對黃胸鼠在各個省份之間的遷移扮演了重要的角色(張美文等，2000)。同時，橋梁也為黃胸鼠橫跨河流兩岸提供了路徑，然而這些跨河交通及設(shè)施究竟如何影響黃胸鼠的種群遺傳結(jié)構(gòu)，則需要進(jìn)一步研究。

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Influence of Riverine Barriers on Genetic Structure ofRattustanezumi

ZHAO Fang1, LIN Gonghua1, WU Aiguo2*

(1. Key Laboratory of Adaptation and Evolution of Plateau Biota, Northwest Institute of Plateau Biology, Chinese Academy of Sciences,Xining 810008, China； 2. Yunnan Institute of Endemic Disease Control and Prevention, Dali, Yunnan Province 671000, China)

Rivers may hinder population migration and promote genetic differentiation of terrestrial animals. Most studies testing the riverine barrier hypothesis have yielded positive results, while very few studies do not support this hypothesis. In this study, 384 Asian house rats (Rattustanezumi) were collected from Yunnan, China. By combined use of the sequence markers of mitochondrial (mtDNA) and nuclear (IRBP), the influence of five local rivers on the population genetics ofR.tanezumiwas tested. A total of 81 mtDNA haplotypes and 135 IRBP haplotypes were determined, and many of which were shared by two or more of the six geographic regions. AMOVA analyses showed that most variations happened either within populations or among populations, while very few variations (<15%) happened among the six geographic regions formed by the five rivers. SAMOVA analysis classified the mtDNA sequences into three groups, while no genetic differentiation was detected on IRBP. Our results concluded that riverine barriers in the study area had little influence on the genetic structure ofR.tanezumi.

river;Rattustanezumi; mtDNA; IRBP; genetic differentiation

2015-09-18 接受日期：2015-11-04

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(81260416, 31101628); 中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會項(xiàng)目(2015352)

趙芳(1987—), 女, 博士研究生, 研究方向: 動物生態(tài)學(xué), E-mail：zf_lgh@163.com

*通信作者Corresponding author， E-mail：wuaiguo698@163.com

Q959.8; Q3

A

1000-7083(2016)02-0167-06