茴魚屬魚類分類地位和分子系統(tǒng)發(fā)育研究現(xiàn)狀

張艷珍，付龍威，李夢(mèng)瑤，李瑤瑤，劉云國(guó)

（1.新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.臨沂大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 臨沂 276000）

茴魚屬Thymallus 魚類隸屬鮭形目Salmoniformes、鮭科Salmonidae、茴魚亞科Thymallinae，是一類經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高的冷水性魚類。茴魚屬魚類在世界范圍內(nèi)的分布區(qū)域日益縮小，種群資源逐漸衰竭，已成為最受關(guān)注的魚類之一[1]。茴魚屬魚類主要分布在歐洲、北美洲、亞洲北部等，包括美國(guó)和加拿大一帶的北極茴魚T.arcticus、歐洲的歐洲茴魚T.thymallus 和中亞及亞洲東北部的新疆北極茴魚T.arcticus grubei 等種和亞種[2]。中亞和亞洲東北部，特別是俄羅斯、蒙古等國(guó)具有豐富的茴魚物種多樣性[3]。主要分布在東西伯利亞的葉尼塞河、勒拿河、貝加爾湖及其他的環(huán)北冰洋河流水系中的茴魚屬魚類有東西伯利亞茴魚T.pallasii、勒拿河茴魚Thymallus sp.以及貝加爾茴魚T.baicalensis[2]。在黑龍江流域中國(guó)境內(nèi)茴魚屬有3 個(gè)種，即下游的黑龍江茴魚T.tugarinae、黑龍江茴魚T.grubii，以及后來發(fā)現(xiàn)的北極茴魚亞種Thymallus sp.[4,5]，但新發(fā)現(xiàn)的北極茴魚亞種地理分布范圍狹小，種群數(shù)量較少，僅分布在黑龍江水系上游區(qū)域的額木爾河、呼瑪河等支流[5]。新疆北極茴魚主要分布在新疆阿勒泰地區(qū)的額爾齊斯河流域。茴魚屬魚類生存能力弱，對(duì)生活環(huán)境要求苛刻，其種群資源容易受到人類活動(dòng)和外界環(huán)境污染的影響，目前，已被列入我國(guó)瀕危動(dòng)物紅皮書，有必要加快研究國(guó)內(nèi)野生茴魚分類地位和種群遺傳多樣性。因此，本文通過綜述茴魚屬魚類分類學(xué)地位、分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)以及保護(hù)遺傳學(xué)等研究進(jìn)展，分析當(dāng)前茴魚遺傳學(xué)研究存在的問題并提出了解決途徑，以期為加大茴魚屬魚類自然資源的保護(hù)提供參考。

1 茴魚屬魚類分類學(xué)地位研究現(xiàn)狀

我國(guó)有1 個(gè)茴魚種是產(chǎn)于黑龍江流域的黑龍江茴魚T.grubii,另有2 個(gè)亞種產(chǎn)于鴨綠江上游的鴨綠江茴魚T.arcticus yaluensis 和產(chǎn)于新疆額爾齊斯河流域的北極茴魚T.arcticus grubei。黑龍江茴魚自然資源分布于歐亞大陸，在我國(guó)主要分布于包括蘇里江、呼瑪河、額木爾河等在內(nèi)的黑龍江流域。黑龍江茴魚肉質(zhì)鮮美，為黑龍江水系特有的名貴冷水性食用魚類，但受人類活動(dòng)以及環(huán)境脅迫的影響，其分布區(qū)域逐漸縮小，種群資源頻臨滅絕，被列入了《中國(guó)瀕危動(dòng)物紅皮書——魚類、兩棲類和爬行類、鳥類和獸類》，是我國(guó)的瀕危魚類物種之一。

鴨綠江茴魚以吻部較短，眼睛較大，前額較寬及體色等特征區(qū)別于黑龍江茴魚，分布于鴨綠江上游及其支流水系中，分布區(qū)域狹小，群體間不存在地理隔離，其分類學(xué)地位卻一直存有爭(zhēng)議。我國(guó)大多數(shù)學(xué)者將分布于鴨綠江上游的茴魚稱為T.a.yaluensis，也有學(xué)者將其記錄為T.a.grubei，但都未進(jìn)行分類學(xué)研究。Knizhin 等[6]比較后認(rèn)為，鴨綠江茴魚模式種的外部特征參數(shù)基本上處于黑龍江茴魚與下游黑龍江茴魚的外部特征參數(shù)變化范圍之內(nèi),因此尚不能確定其分類學(xué)地位。馬波等[7]比較了線粒體DNA（mtDNA）基因序列變異，發(fā)現(xiàn)黑龍江茴魚與鴨綠江茴魚是同物異名，表明茴魚屬魚類各種、亞種之間的區(qū)分不明確，命名也較混亂。Ma 等[1]研究了貝加爾勒拿茴魚、鴨綠江茴魚、下游黑龍江茴魚和蒙古茴魚的線粒體基因組序列，分析了茴魚間線粒體基因組的序列分歧時(shí)間。結(jié)果表明，線粒體基因組是研究茴魚屬魚類系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系較好的工具，從線粒體基因組水平上也再次確認(rèn)了鴨綠江茴魚為黑龍江茴魚的同物異名種。下游黑龍江茴魚分布于黑龍江水系，其體色鮮艷，背部沒有或具少量黑色斑點(diǎn)，體側(cè)具鮮艷的橙色條紋，這些特征明顯區(qū)別于茴魚屬內(nèi)其它種。馬波等[8]2006 在黑龍江水系的烏蘇里江、呼瑪河、額木爾河等河流中采集到下游黑龍江茴魚標(biāo)本，鑒定為中國(guó)一新紀(jì)錄種。

馬波等[9]調(diào)查黑龍江上游的呼瑪河、額木爾河等支流水系魚類資源時(shí)，發(fā)現(xiàn)了三種形態(tài)特征差異顯著的茴魚。其中兩種茴魚被鑒定為黑龍江茴魚和下游黑龍江茴魚，而另一種茴魚尚不能確定。與此同時(shí)，分布于俄羅斯境內(nèi)東西伯利亞地區(qū)的勒拿河上游的茴魚被確認(rèn)為北極茴魚的一個(gè)待定名亞種。馬波等[9]基于線粒體D-loop 區(qū)域序列變異分析，發(fā)現(xiàn)該未確定種的茴魚與分布于勒拿河上游的勒拿河茴魚構(gòu)成單系群，序列分歧只有0.006，兩者側(cè)線鱗數(shù)、體型、體色等形態(tài)學(xué)特征非常接近。黑龍江上游茴魚和勒拿河上游的待定名茴魚為同一個(gè)種，隨即該茴魚被確定為北極茴魚的一個(gè)亞種。

新疆北極茴魚主要分布于新疆北部的阿勒泰地區(qū)額爾齊斯河流域，包括其上游各支流如布爾津河、別列孜克河、葉爾特斯河、喀拉額爾齊斯河、喀依爾特斯河、哈巴河、庫依爾特斯河和克蘭河等地，屬于棲息于砂礫底質(zhì)的山澗溪流中典型的高耗氧冷水性魚類[10,11]。新疆北極茴魚體色鮮艷，外觀華麗，肉質(zhì)鮮美，是新疆特有的名貴食用魚類，我國(guó)重要的水產(chǎn)種質(zhì)資源，具有非常高的經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值[12-14]。根據(jù)李思忠等[15]對(duì)新疆北部魚類的調(diào)查研究，新疆北極茴魚曾被劃分為北極茴魚的一個(gè)亞種。隨后，李思忠等[16]編寫的《新疆魚類志》和馮敏等[17]編寫的《新疆哈納斯湖科學(xué)考察》一書也參考了該分類方法。然而，新疆北極茴魚具有形態(tài)特征多樣性，根據(jù)傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)進(jìn)行分類，不確定因素較多，不足以明確新疆北極茴魚的分類地位。目前界定這種茴魚的分類學(xué)地位尚缺乏分子生物學(xué)資料的支持。新疆北極茴魚究竟屬于北極茴魚Thymallus arcticus 的一個(gè)亞種還是茴魚屬魚類的一個(gè)新種，或者是其他種茴魚的亞種尚需進(jìn)一步鑒定。新疆北極茴魚養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展也需要清楚地了解其養(yǎng)殖品種的遺傳背景和分類進(jìn)化地位，有必要研究新疆北極茴魚的分類學(xué)地位，以掌握其資源狀況，為其養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2 茴魚屬魚類分子系統(tǒng)學(xué)研究工具——線粒體基因組研究現(xiàn)狀

隨著生物信息學(xué)和DNA 測(cè)序技術(shù)的迅速發(fā)展，分子系統(tǒng)學(xué)也逐漸完善。線粒體DNA（Mitochondrial DNA,mtDNA）是細(xì)胞核外能自主復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及翻譯的遺傳因子。魚類mtDNA 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分子量小、高拷貝數(shù)、進(jìn)化速度快且存在種群差異多樣性、易于擴(kuò)增測(cè)序，為研究系統(tǒng)發(fā)育、分子進(jìn)化和物種起源的重要分子標(biāo)記，已廣泛應(yīng)用在分子系統(tǒng)學(xué)研究中[18～22]。魚類線粒體基因組為15～20kb 的雙鏈環(huán)狀DNA 分子，包括37 個(gè)編碼基因（13 個(gè)蛋白編碼基因、2 個(gè)rRNA 基因和22 個(gè)tRNA 編碼基因）、1個(gè)主要的非編碼控制區(qū)（D-loop）和1 個(gè)輕鏈復(fù)制起始區(qū)。13 個(gè)蛋白基因編碼的是與線粒體內(nèi)膜相結(jié)合的酶復(fù)合體的亞單位，分別為細(xì)胞色素b（Cytb）、2個(gè)ATP 合成酶的亞單位（ATPase8 和ATPase6）、3個(gè)細(xì)胞色素c（Cytc）氧化酶的亞單位（COI，COII 和COIII）、7 個(gè)NADH 還原酶復(fù)合體的亞單位（ND1-6和ND4L）；2 個(gè)rRNA 基 因 為12S rRNA 和16S rRNA；22 個(gè)tRNA 基因編碼的氨基酸自控制區(qū)依次為：Phe、Val、Leu、Glu、Ile、Met、Trp、Ala、Asn、Cys、Tyr、Ser、Asp、Lys、Gly、Arg、His、Ser、Leu、Glu、Thr 和Pro[23～27]。用mtDNA 序列研究物種的進(jìn)化關(guān)系，要從兩個(gè)方面入手：首先以研究目的和對(duì)象為依據(jù)，選出適當(dāng)?shù)膍tDNA 區(qū)域，測(cè)定目標(biāo)片段序列；對(duì)于親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種，要選擇相對(duì)保守的區(qū)域（如12S rRNA 和16S rRNA），而對(duì)親緣關(guān)系近的物種，則選擇進(jìn)化速率較快的區(qū)域（如COI 基因、D-loop 區(qū)和Cytb）。然后比較mtDNA 同源序列，運(yùn)用基本的加權(quán)規(guī)則和系統(tǒng)重建途徑與方法[如距離法（NJ 法）、似然法（ML 法）、簡(jiǎn)約法（MP 法）等]綜合分析mtDNA序列，獲得有關(guān)進(jìn)化的信息，構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹。分子生物學(xué)分析方法能很好地彌補(bǔ)茴魚屬魚類形態(tài)分類學(xué)的不足，有效地明確其進(jìn)化關(guān)系和分類地位[28]。當(dāng)前，茴魚屬魚類的線粒體基因組測(cè)序工作取得一定的進(jìn)展[29-31]，已測(cè)定了11 種茴魚屬魚類的線粒體基因組全序列，包括：歐洲茴魚（NC_012928，Thymallus thymallus）、東西伯利亞茴魚（NC_027408，Thymallus pallasii）、北極茴魚（NC_012929，Thymallus arcticus）、下游黑龍江茴魚（NC_027409，Thymallus tugarinae）、布列亞茴魚（KJ866485，Thymallus burejensis）、黑龍江茴魚（KF692113，Thymallus grubii）、北美茴魚（北極茴魚指名亞種，KJ866481，Thymallus arcticus arcticus）、蒙古茴魚（NC_027412，Thymallus brevirostris）、鴨綠江茴魚（NC_027410，Thymallus yaluensis）、堪察加茴魚（NC_029216.1，Thymallus mertensii） 和貝加爾勒拿茴魚Thymallus arcticus baicalolenensis[1]。除此之外，艾利安茴魚（NC_029216.1，Thymallus aeliani）的COI 基因也已完成測(cè)序。

3 茴魚屬魚類的分子系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系研究

目前已研究了部分茴魚屬魚類的分子系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系和系統(tǒng)地理學(xué)信息，并取得了一定的進(jìn)展。Koskinen 等[32,33]利用微衛(wèi)星標(biāo)記和mtDNA-RFLP 標(biāo)記研究了芬蘭東部薩伊馬湖的3 個(gè)歐洲茴魚群體的微地理遺傳結(jié)構(gòu)，揭示了歐洲茴魚不同群體的分子系統(tǒng)地理學(xué)信息。Stamford 和Taylor[34]利用微衛(wèi)星標(biāo)記和mtDNA-RFLP 標(biāo)記研究了美洲北極茴魚分子系譜發(fā)育地理學(xué)，探究了美洲北極茴魚的起源、分化及同歐亞茴魚的親緣關(guān)系。Froufe 等[35]利用線粒體ATPase6 基因和D-Loop 區(qū)基因測(cè)序方法研究分析了歐亞茴魚群體的分子系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系。Weiss等[36]利用線粒體基因組D-Loop 區(qū)DNA 序列識(shí)別了不同地理譜系的歐洲茴魚；隨后，Weiss 等[37]測(cè)定了線粒體D-Loop 區(qū)DNA 的序列和12 個(gè)表型特征，研究了勒拿河及其周邊水系中北極茴魚兩個(gè)主要地理譜系的遺傳學(xué)和表型差異。馬波等[4]測(cè)定了線粒體D-Loop 區(qū)DNA 的全序列，表明黑龍江水系中國(guó)境內(nèi)茴魚屬魚類進(jìn)化分支為3 個(gè)物種：黑龍江茴魚、下游黑龍江茴魚和新發(fā)現(xiàn)的北極茴魚亞種，序列分歧達(dá)到了屬內(nèi)種間的遺傳分化水平（4.5%～5.9%）為4.7%～5.9%。馬波等[9]在茴魚屬魚類的線粒體D-loop 區(qū)DNA 全序列變異的基礎(chǔ)上，研究了黑龍江上游的呼瑪河、額木爾河等水系中有顯著形態(tài)特征差異、且分布在同域的3 種茴魚屬魚類的分子系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，結(jié)合其在黑龍江水系的地理分布現(xiàn)狀，推測(cè)3 種茴魚的起源及演化。Ma 等[38]測(cè)定了線粒體D-loop 區(qū)DNA 序列，研究了黑龍江茴魚的群體遺傳結(jié)構(gòu)和分子系統(tǒng)地理學(xué)。Gum 等[39,40]利用微衛(wèi)星標(biāo)記和mtDNA 分析了歐洲茴魚的分子系統(tǒng)地理學(xué)，發(fā)現(xiàn)要更好地保護(hù)茴魚群體，需進(jìn)行更大規(guī)模的遺傳分析和分子系統(tǒng)地理學(xué)研究。Maric 等[41]利用12 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)和線粒體D-loop 區(qū)DNA 序列變異研究了烏拉爾河和伏爾加河上游的歐洲茴魚群體遺傳學(xué)和分子系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。孫毅[42]基于生物信息學(xué)的方法，分析了36 種鮭科魚類的線粒體基因COI、Cytb 和ND4 系統(tǒng)發(fā)育信息效率，其中包含黑龍江茴魚、北美茴魚和歐洲茴魚。以上研究都為茴魚屬魚類之間進(jìn)化關(guān)系和分類學(xué)地位提供了重要的遺傳參考數(shù)據(jù)。然而，以上研究大多局限于當(dāng)?shù)剀铘~種類資源，種類比較少，沒有從茴魚屬魚類的整體資源上研究當(dāng)前已知的所有種類。

4 茴魚遺傳學(xué)研究中的問題及其解決途徑

茴魚屬魚類大都表現(xiàn)為很強(qiáng)的繁殖洄游特性和有限的擴(kuò)散行為，具有獨(dú)特的生活史，易形成家族式群體，種群間的基因交流存在一定的障礙，地理種群間遺傳分化顯著，種群間的遺傳分化程度也非常高[45]。Koskinen 等[43,44]利用微衛(wèi)星標(biāo)記分析了不同地理群體的歐洲茴魚的系統(tǒng)地理學(xué)，發(fā)現(xiàn)群體間地理隔離會(huì)影響遺傳分化，即使是很小的地理距離也會(huì)產(chǎn)生較大的遺傳分化，表明茴魚屬魚類的遺傳分化受地理隔離的影響較大。分布于同一水系的茴魚屬魚類，因支流眾多導(dǎo)致地理隔離，即使是同一個(gè)種或亞種，群體間也可能產(chǎn)生了較大的遺傳分化。有必要加大茴魚屬魚類微地理群體和殘遺種群的研究，便于發(fā)現(xiàn)更多的顯著進(jìn)化單元，保護(hù)茴魚屬魚類獨(dú)特的遺傳結(jié)構(gòu)和天然基因庫[45]。為擴(kuò)大茴魚屬魚類的自然群體數(shù)量，抑制自然資源的枯竭，可以選擇茴魚屬自然種群中，親緣關(guān)系近的個(gè)體與基因庫群體進(jìn)行基因交流，用人工養(yǎng)殖群體進(jìn)行放流增殖。

茴魚屬魚類相繼發(fā)現(xiàn)了許多新種和亞種，但研究者所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不一，造成了該屬分類的混亂，很多分類結(jié)果存在爭(zhēng)議；由于同種異名的存在，該屬魚類究竟有多少種目前尚不清楚。因而，分析茴魚屬魚類已知的所有種和亞種之間的分子系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系，能夠排除同物異名種或發(fā)現(xiàn)新種，進(jìn)一步規(guī)范茴魚屬魚類的定名，對(duì)確定其分類學(xué)地位具有重要的意義。同時(shí)，理清茴魚屬魚類相互之間的進(jìn)化關(guān)系，明確屬內(nèi)分類等級(jí)（種、亞種），為制定合理的茴魚資源保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。