田城城,蘭文升,吳 江,溫智清,葉仕根,史衛(wèi)軍
(1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,遼寧大連 116023;2.深圳海關(guān)動(dòng)植物檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心/深圳市檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院, 廣東深圳 518010)
海虱是一種以許多海洋魚類為宿主的體外寄生蟲,分類上屬于橈足亞綱(Copepoda),魚虱科(Caligidae)[1]。該寄生蟲共有10個(gè)發(fā)育階段,每個(gè)階段都由一次退殼完成生長(zhǎng),包括2個(gè)浮游的無節(jié)幼體階段,1個(gè)具有感染性的橈足類階段,4個(gè)由額絲連接到宿主的甲殼階段,2個(gè)成年前階段和1個(gè)成年階段[2-3]。海虱主要寄生在鮭科魚類身上,這種寄生蟲會(huì)影響宿主的生長(zhǎng)、繁殖和生存,主要以宿主的黏液和表皮細(xì)胞為食,造成魚體體表出血和潰瘍、免疫力和應(yīng)激能力下降、游動(dòng)能力受損,嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致宿主死亡[4]。研究表明,最容易受到感染的動(dòng)物是海鱒(S.trutta)和大西洋鮭(S.salar),其次是虹鱒(Oncorhynchusmykiss)、銀大麻哈魚(Oncorhynchuskisutch)和粉紅三文魚(O.gorbuscha)等[5-7],在海水養(yǎng)殖的大西洋鮭魚,特別是高密度養(yǎng)殖,海虱是造成其他多種疫病暴發(fā)的一個(gè)原因。近年來,世界許多地區(qū)的鮭魚養(yǎng)殖業(yè)受到嚴(yán)重影響,在全球養(yǎng)殖業(yè)中,由于海虱感染引起的直接和間接年度損失估計(jì)超過1億美元[8],包括蘇格蘭、挪威、美國、加拿大等地。在我國沿海很多省開始在海岸線發(fā)展養(yǎng)殖大西洋鮭魚產(chǎn)業(yè),內(nèi)陸地區(qū)也已經(jīng)大規(guī)模淡水養(yǎng)殖虹鱒魚,這些都是海虱的易感動(dòng)物。目前,在我國還沒有海虱感染養(yǎng)殖魚的報(bào)道,但是,每年進(jìn)口我國的大西洋鮭魚超過3萬噸,這些進(jìn)口鮭魚如果攜帶海虱,很容易對(duì)我國鮭科魚養(yǎng)殖行業(yè)造成潛在經(jīng)濟(jì)損失,因此,入境口岸必須建立檢驗(yàn)檢疫程序,嚴(yán)格篩查和鑒定進(jìn)口鮭魚是否攜帶外來物種海虱,以便采取防止外來物種入侵的防控措施。
目前,對(duì)于海虱的鑒定主要側(cè)重于形態(tài)學(xué),魚虱科的物種形態(tài)相似,其部分結(jié)構(gòu)肉眼難以辨別,需要借助解剖鏡或者電鏡等工具,且個(gè)體形態(tài)還受到環(huán)境因子、種類個(gè)體變異、雌雄個(gè)體差異以及發(fā)育時(shí)期等因素的影響[9],蟲卵和早期發(fā)育狀態(tài)的幼蟲無特定形態(tài)特征,單純的形態(tài)特征難以檢出魚虱和判定物種類別。18S rDNA具有高度保守性的特點(diǎn),該基因序列差異大小代表了物種差異大小,大量的研究表明18S rDNA在物種分類鑒定、系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系等領(lǐng)域,廣泛應(yīng)用其來確定物種的分類地位[10]。而迄今為止海虱的分子生物學(xué)鑒定方面的研究較少,主要在單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)、微衛(wèi)星遺傳標(biāo)記[11-13]等方面有所報(bào)道。核酸體外擴(kuò)增技術(shù)能夠通過獲得的遺傳物質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的識(shí)別,PCR擴(kuò)增18S rDNA,測(cè)序后比較物種間的差異,是病原學(xué)檢測(cè)鑒定中的常用方法。實(shí)時(shí)熒光PCR則通過熒光基團(tuán)標(biāo)記的特異性探針,可以對(duì)PCR擴(kuò)增過程實(shí)時(shí)監(jiān)控以及對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行數(shù)字化分析,監(jiān)測(cè)目標(biāo)核酸擴(kuò)增情況,該方法相比普通的PCR和常規(guī)形態(tài)學(xué)方法,具有耗時(shí)短的特點(diǎn),良好的特異性和高靈敏度是病原篩查的優(yōu)選技術(shù),在物種鑒定領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。本研究擬對(duì)進(jìn)口大西洋鮭魚攜帶的海虱成蟲開展形態(tài)學(xué)研究,進(jìn)一步做分子生物學(xué)分析,建立口岸檢驗(yàn)檢疫快速和實(shí)用的鑒定方法,嚴(yán)密監(jiān)控外來海虱入侵我國。
1.1.1 海虱 2017年1月-2019年8月,深圳海關(guān)病毒與免疫檢驗(yàn)檢疫實(shí)驗(yàn)室截獲的347只海虱,均是從挪威進(jìn)口的大西洋鮭魚體上采集,并存放于-20℃待檢。
1.1.2 試劑 DNA標(biāo)準(zhǔn)DL 2 000、Premix ExTaqTM(Probe qPCR)、T 載體、DNA 凝膠回收試劑盒、MiniBEST Plasmid Purification Kit等,寶生物工程(大連)有限公司產(chǎn)品;QIAamp DNA Mini Kit,Qiagen公司產(chǎn)品;瓊脂糖H,Invitrogen公司產(chǎn)品。
1.1.3 儀器設(shè)備 M450C顯微成像系統(tǒng),德國蔡司公司產(chǎn)品;熱循環(huán)PCR儀器、微量核酸蛋白濃度分析儀(Nanodrop 2000C),美國Thermo Fisher Scientific公司產(chǎn)品;實(shí)時(shí)熒光PCR儀(7500型),ABI公司產(chǎn)品;凝膠成像系統(tǒng),Bio-Rad公司產(chǎn)品。
1.2.1 形態(tài)學(xué)鑒定 海虱通常定植在大西洋鮭魚的體表鱗片上或者鰓絲上,將從魚體上采集的海虱置于培養(yǎng)皿中,加少量生理鹽水,置于體視顯微鏡下,觀察試驗(yàn)樣本的外部形態(tài)特征,并使用M450C顯微成像系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行拍照記錄,其形態(tài)學(xué)鑒定標(biāo)準(zhǔn)參考Johnson S C等[14]對(duì)海虱形態(tài)發(fā)育的描述。
1.2.2 PCR鑒定
1.2.2.1 目的基因的擴(kuò)增及電泳分析 在NCBI上獲取19種海虱的18S rDNA序列,通過多序列比對(duì),在保守區(qū)域設(shè)計(jì)擴(kuò)增引物。使用QIAamp DNA Mini Kit試劑盒提取所有海虱樣品的基因組DNA,保存于-20 ℃。以樣品的基因組DNA為模板,以SL18S-F和SL18S-R引物對(duì)海虱的18S rDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系包括2×PCR buffer 12.5 μL,20 μmol/L的SL18S-F、SL18S-R引物各1 μL,最后加DEPC水及模板補(bǔ)足25 μL。反應(yīng)條件經(jīng)優(yōu)化后為:95 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃ 30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,共35個(gè)循環(huán);72 ℃ 10 min。PCR擴(kuò)增結(jié)束后,將反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行10 g/L瓊脂糖凝膠電泳,觀察反應(yīng)結(jié)果,將PCR產(chǎn)物送至華大基因公司進(jìn)行測(cè)序。
1.2.2.2 序列比對(duì) 使用DNA Star對(duì)擴(kuò)增的18S rDNA序列進(jìn)行序列比對(duì),一般認(rèn)為序列同源性為99%以上認(rèn)定為一種。并根據(jù)P-距離計(jì)算序列的變異程度,序列變異在1%以內(nèi),則認(rèn)定為同一種。參考GenBank序列數(shù)據(jù)庫(表1),通過序列的系統(tǒng)發(fā)育分析對(duì)寄生蟲做確證鑒定。
表1 PCR擴(kuò)增引物設(shè)計(jì)和系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建參考序列
1.2.2.3 基于18S rDNA的系統(tǒng)發(fā)育分析 將樣品測(cè)序后得到的樣品的18S rDNA序列與19種已發(fā)表的分屬于5個(gè)屬的魚虱科物種的18S rDNA基因序列一起構(gòu)建分子系統(tǒng)發(fā)育樹,并選取Anthosomacrassum為外類群。用MEGA7.0軟件鄰接法(Neighbor joining,NJ)基于Kimura2-Prameter方法計(jì)算遺傳距離值,計(jì)算Bootstrap值,重復(fù)1 000次,構(gòu)建基于18S rDNA序列的分子進(jìn)化樹。
1.2.3 實(shí)時(shí)熒光PCR鑒定
1.2.3.1 引物與探針的設(shè)計(jì) 通過對(duì)比海虱的18S rDNA基因序列,選取堿基序列差異較小的位點(diǎn),利用Oligo軟件設(shè)計(jì)一對(duì)特異性引物和一條探針,由華大基因生物有限公司合成(表2)。
表2 本試驗(yàn)中所用的引物和探針序列
1.2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)品的制備 以PCR擴(kuò)增鮭瘡痂魚虱的18S DNA基因序列,將擴(kuò)增產(chǎn)物的基因片段進(jìn)行純化回收,純化產(chǎn)物與pMD18-T載體4 ℃連接過夜,轉(zhuǎn)化入大腸埃希氏菌DH5α中,經(jīng)鑒定后將陽性菌液送至金維智生物有限公司測(cè)序驗(yàn)證,測(cè)序正確的菌株用于提取質(zhì)粒,制備質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品。重組質(zhì)粒濃度并按公式:模板拷貝濃度(拷貝/μL)=重組質(zhì)粒質(zhì)量濃度(mg/L)×6.02×1014/(660×重組質(zhì)粒堿基數(shù))。
1.2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 利用微量核酸蛋白濃度分析儀測(cè)定質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品濃度,將其10倍梯度稀釋,作為已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光PCR反應(yīng)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。反應(yīng)體系為2×premix ExTaq(Probe qPCR) 10 μL,20 μmol/L的上、下游引物各0.4 μL、探針0.8 μL,ROXⅡ 0.5 μL,加入模板和水補(bǔ)足25 μL。反應(yīng)程序第一步:95 ℃ 30 s,1個(gè)循環(huán);第二步:95 ℃ 10 s,60 ℃ 45 s,40個(gè)循環(huán)。同時(shí)做3個(gè)平行樣,測(cè)定靈敏度并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.2.3.4 海虱樣品的實(shí)時(shí)熒光PCR鑒定 以1.2.1中保存的所有海虱核酸樣品作為模板,按照前述反應(yīng)體系和程序進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光PCR,用于檢測(cè)該方法的實(shí)用性。
從進(jìn)口大西洋鮭魚體上收集到347個(gè)海虱樣品均為成蟲形態(tài),使用體視顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)有如下特征:蟲體大致可以分為頭胸部、腹部和尾部3個(gè)部分(圖1A~G)。
A.背部;B.腹部;C.雌性;D.雄性 ;E.頭胸部的腹面;F.雄性的腹部和尾部;G.雌性的腹部和尾部;1.第一觸角;2.第二觸角;3.第一顎足;4.口器;5.胸叉;6.第四胸足;7.第二胸足;8.第五胸足;9.尾叉;10.尾剛毛;11.生殖節(jié);12.卵串;13.卵A.Back;B.Abdomen;C.The female;D.The male;E.Ventral part of cephalothorax;F.Abdomen and tail of male;G.Abdomen and tail of female;1.First antenna;2.Second antenna;3.First maxilliped;4.Mouthpart;5.Chest fork;6.The fourth leg;7.The second leg;8.The fifth leg;9.Caudal rami;10.Caudal rami setae;11.Genital segment;12.Egg strings;13.Eggs
頭胸部形態(tài)扁平,呈盾狀,頭與前3個(gè)胸節(jié)愈合并覆以胸甲,第4胸節(jié)沒有覆蓋胸甲,第1和第2觸角具有鄂鉤,并附有觸毛;第1和第2顎足尖端似爪,具有抓握作用,能夠牢固附著在魚體,第4對(duì)胸足異常發(fā)達(dá),協(xié)助蟲體運(yùn)動(dòng)。腹部?jī)H有一節(jié)且寬度和長(zhǎng)度均小于頭胸部,第5胸足與生殖節(jié)愈合。尾部具有一節(jié),末端分為2個(gè)尾叉,每個(gè)尾叉有4根尾剛毛。成蟲形態(tài)特征明顯分兩類,經(jīng)鑒別為性別差異,雌性腹部生殖節(jié)呈圓柱形,長(zhǎng)度和寬度相差不大,具有狹窄傾斜的前外側(cè)邊緣,部分個(gè)體還帶有2條卵串(圖1 C);雄性的腹部生殖節(jié)的寬度小于長(zhǎng)度,呈卵圓型,第5對(duì)胸足有4根剛毛,位于節(jié)段中間靠近側(cè)緣的位置(圖1D)。所有樣品總體符合鮭瘡痂魚虱發(fā)育階段成蟲時(shí)期的形態(tài)特征的描述,初步判斷從大西洋鮭魚所截獲樣品為典型的海虱。但是,除了上述顯著特征差異,所截獲的海虱在個(gè)體形態(tài)、發(fā)育階段和色素沉積上仍然有一些較大的差異,所有樣品是否屬于同一類,形態(tài)學(xué)方法難以直接判斷其種屬,因此,需要借助分子生物學(xué)手段來進(jìn)一步做類屬分析。
2.2.1 PCR擴(kuò)增 根據(jù)數(shù)據(jù)庫中海虱的序列設(shè)計(jì)引物,進(jìn)行PCR擴(kuò)增,用10 g/L瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)擴(kuò)增產(chǎn)物,進(jìn)口大西洋鮭魚攜帶的所有海虱樣品均能擴(kuò)增出1條明亮清晰大小約為1 700 bp的條帶,與預(yù)計(jì)PCR產(chǎn)物大小一致,且條帶單一(圖2)。表明本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的引物能對(duì)采集樣品的18S rDNA片段得到有效擴(kuò)增,然后將所有擴(kuò)增產(chǎn)物測(cè)序分析。
M.DNA 標(biāo)準(zhǔn)DL 2 000;1.陰性對(duì)照;2~11.部分海虱樣品M.DNA Marker DL 2 000;1.Negative control;2-11.Partial samples of sea lice
2.2.2 多序列比對(duì)及Blast比對(duì) 使用MegAlign軟件分別對(duì)347個(gè)樣品獲得的測(cè)序序列進(jìn)行多序列比對(duì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中286個(gè)樣品序列完全一致,其余61個(gè)樣品序列完全一致,歸類為序列1和序列2兩類,其結(jié)果如圖3所示,兩類序列共有65個(gè)堿基變異位點(diǎn),序列間總相似度為96.01%。分別將兩類序列在GenBank進(jìn)行Blast比對(duì),結(jié)果顯示,序列1和序列2分別與鮭瘡痂魚虱(Lepeophtheirussalmonis,LS)和長(zhǎng)魚虱(Caliguselongatus,CE)具有最高同源性。
陰影部分表示序列之間差異位點(diǎn)The shadow parts indicate the different sites between the sequences
2.2.3 基于18s rDNA序列的系統(tǒng)發(fā)育分析 將兩類海虱的18S rDNA序列和在NCBI上獲得的19種海虱的18S rDNA序列構(gòu)建基于鄰接法的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖4)。結(jié)果表明,本研究通過PCR擴(kuò)增獲得的序列1和序列2的分別與鮭瘡痂魚虱(Lepeophtheirussalmonis)和長(zhǎng)魚虱(Caliguselongatus)聚為一簇,分屬于魚虱科的不同屬。在進(jìn)化樹中屬于同一科的物種聚于同一大支,每個(gè)科中同一屬聚于同一分支,在進(jìn)化樹中可以體現(xiàn)出不同科、屬的進(jìn)化關(guān)系。表明來自于挪威的進(jìn)口大西洋鮭魚受到兩種海虱的感染,主要是鮭瘡痂魚虱,占截獲樣品總數(shù)的82.42%,另一類病原為長(zhǎng)魚虱,占截獲樣品總數(shù)的17.58%。兩類都是在我國沒有報(bào)道的寄生蟲類群,為典型的外來物種。
圖4 基于18S rDNA序列的系統(tǒng)發(fā)育樹
重組標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)粒通過公式計(jì)算得知濃度為3.2×107拷貝/μL,經(jīng)10倍梯度稀釋后,以2.94×100拷貝/μL~2.94×107拷貝/μL的重組質(zhì)粒為擴(kuò)增模板進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光PCR擴(kuò)增,不同濃度梯度重組質(zhì)粒的擴(kuò)增曲線見圖5,在40個(gè)循環(huán)內(nèi)最低檢出濃度為2.94拷貝/μL;以起始模板濃度的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo),Ct值為縱坐標(biāo)自動(dòng)生成的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖6,相關(guān)系數(shù)R2為0.998,呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性回歸方程為:y=-3.33logx+35.38,由此可見,模板濃度與Ct值之間存在較好的線性關(guān)系,該方法具有良好的重復(fù)性和靈敏度。
1~8.2.94×107拷貝/μL的標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)粒~2.94×100拷貝/μL的標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)粒1-8.2.94×107 copy/μL-2.94×100 copy/μL
圖6 標(biāo)準(zhǔn)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線
用建立的實(shí)時(shí)熒光PCR對(duì)所有樣品的核酸鑒定,無論鮭瘡痂魚虱還是長(zhǎng)魚虱樣品均能夠得到陽性結(jié)果(圖7),與PCR鑒定結(jié)果一致,表明建立的快捷檢測(cè)方法對(duì)兩類海虱都能夠有效檢出。當(dāng)樣品為無明顯形態(tài)特征的蟲卵或者幼蟲時(shí),由于具有很高的靈敏性,有效降低漏檢率,且整個(gè)過程操作簡(jiǎn)單,耗時(shí)短,僅需70 min即可完成,可以使用該方法作為初篩技術(shù),檢測(cè)結(jié)果為陽性的樣品可以進(jìn)一步做測(cè)序鑒定,是PCR的有效替代技術(shù)。
1.陽性對(duì)照;2.LS樣品;3.CE樣品;4.陰性對(duì)照1.Positive control; 2.LS sample; 3.CE sample; 4.Negative control
本研究首次報(bào)道進(jìn)口大西洋鮭魚有攜帶外來物種海虱入境的風(fēng)險(xiǎn)。海虱是一種橈足類海水動(dòng)物寄生蟲,主要分布于北大西洋和北太平洋的野生和養(yǎng)殖的大西洋鮭魚上,尤其鮭瘡痂魚虱,給大西洋鮭魚養(yǎng)殖場(chǎng)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如何控制海虱感染鮭魚已被水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)列為首要任務(wù)之一[15]。本研究鑒定了來自于挪威的大西鮭魚上寄生的海虱,鑒定結(jié)果顯示魚體攜帶有兩種海虱,分別是鮭瘡痂魚虱和長(zhǎng)魚虱,其中占比較高的物種是鮭瘡痂魚虱。且在18S DNA水平上,無論是鮭瘡痂魚虱還是長(zhǎng)魚虱都未出現(xiàn)分型,與基于CO1分型研究的結(jié)果一致[16]。Stone J等[17]報(bào)道了在挪威海域的確分布有這兩個(gè)海虱,并且在蘇格蘭地區(qū)對(duì)這2種海虱開展過防治研究。根據(jù)Treasurer J W等[18]的描述,鮭瘡痂魚虱主要侵染大西洋鮭魚的頭部和背部,而長(zhǎng)魚虱主要在腹鰭和尾部有較高的比例,并不存在太大的寄生空間競(jìng)爭(zhēng),因此,這兩個(gè)物種可以共同生存在同一個(gè)體上,并都可以對(duì)大西洋鮭造成相同的病情。本研究收集的進(jìn)口鮭瘡痂魚虱在形態(tài)上與我國黃、渤海發(fā)現(xiàn)的5種瘡痂魚虱較為相似,它們之間是否有相同的感染性目前還未知。我國目前正在大量淡水養(yǎng)殖虹鱒,而且沿海也已經(jīng)引種大西洋鮭,開始海洋養(yǎng)殖。雖然在國內(nèi)養(yǎng)殖的虹鱒上還未見海虱感染報(bào)道,但是,有報(bào)道1990年在臺(tái)灣的莫桑比克羅非魚上發(fā)現(xiàn)了與長(zhǎng)魚虱同屬Caligusepidemicus[19]的寄生蟲感染,目前,來自于挪威大西洋鮭魚攜帶的2種海虱存在感染國內(nèi)養(yǎng)殖鮭鱒魚的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)時(shí)空分布特點(diǎn)和易感物種分析,海虱一旦侵入我國,將會(huì)對(duì)我國的海水鮭魚養(yǎng)殖業(yè)造成損失,因此,識(shí)別和監(jiān)控外來海虱入侵至關(guān)重要。
本研究獲得的樣品均為成蟲,但海虱有10個(gè)發(fā)育階段,每個(gè)階段形態(tài)差異都較大,在成年前期Ⅰ,雌雄個(gè)體還有極大差別[2]。海虱蟲體較小,成蟲體長(zhǎng)約為6 mm~11 mm,使用肉眼和普通顯微鏡難以辨識(shí)。在進(jìn)口大西洋鮭魚的魚體上有可能攜帶蟲卵或者正處于甲殼階段的幼體,這些階段的海虱個(gè)體小,形態(tài)差異大,如果僅用形態(tài)學(xué)方法篩查,存在遺漏的風(fēng)險(xiǎn),本研究采用形態(tài)學(xué)鑒定和輔以分子生物學(xué)手段,能在基因水平篩查和鑒定海虱屬種。本研究基于18S rDNA基因序列建立的實(shí)時(shí)熒光PCR方法,最低檢測(cè)為2.94拷貝/μL,耗時(shí)短,僅需70 min即可完成檢測(cè),能夠快捷地鑒定海虱,可以作為一種快速的初篩方法,設(shè)計(jì)的引物和探針對(duì)兩種海虱有相同的擴(kuò)增效率,可以同步篩查兩種海虱。與Jonhard E等[20]基于圓鰭魚(Cyclopteruslumpus)線粒體細(xì)胞色素氧化酶Ⅰ(COI)建立檢測(cè)胃液中的鮭瘡痂魚虱實(shí)時(shí)熒光PCR相比,針對(duì)性更強(qiáng),靈敏度更高。建立的PCR,配合測(cè)序技術(shù),可以精準(zhǔn)鑒定海虱的類屬,為預(yù)警進(jìn)口大西洋鮭魚上攜帶的海虱入侵我國提供了實(shí)用的鑒定方法和技術(shù)支持。