基于微衛(wèi)星和線粒體的四川白水河國家級自然保護區(qū)林麝遺傳多樣性研究

胡大明，侯真真，鄧承敏，陳旭，吳杰，陳磊，陳勤，岳碧松，張修月*

(1.四川白水河國家級自然保護區(qū)，四川彭州611930；2.四川大學生命科學學院，瀕危動物繁殖與保護遺傳四川省重點實驗室，成都610065；3.四川省養(yǎng)麝研究所，四川都江堰610016)

林麝Moschusberezovskii隸屬鯨偶蹄目Cetartiodactyla麝科Moschidae麝屬，國家一級重點保護野生動物，CITES附錄Ⅰ物種(Smith，解焱，2009；魏輔文等，2021)。雄性林麝分泌的麝香是名貴中藥材，也是高級香水和香料的原材料，具有極高的藥用和經(jīng)濟價值(王海燕等，2006；王淯等，2006)。受經(jīng)濟利益和市場需求驅(qū)使，野生林麝一度受到大量獵殺，加上棲息地喪失等，我國野生林麝種群數(shù)量急劇下降，由20世紀60年代的250余萬頭下降到 20世紀90年代的10余萬頭(盛和林，1996)。盡管我國從20世紀50年代已開始林麝的人工馴養(yǎng)與繁殖研究，但由于疾病、遺傳等因素影響，圈養(yǎng)林麝種群數(shù)量增加緩慢、規(guī)模養(yǎng)殖困難(袁陽等，2020)。因此，精確了解野生資源和遺傳狀況對林麝保護和資源利用具有重要意義。

近年來，瀕危動物種群及其棲息地得到了較好的保護，但野生林麝資源的研究多是基于糞便、毛發(fā)等痕跡開展的種群密度及數(shù)量估算(胡忠軍等，2007；姚剛，2014；姜海瑞等，2015；胡大明等，2019；王霞等，2020)，僅有2個對野生種群遺傳多樣性的研究：馮慧等(2014)基于mtDNA D-Loop和姚剛(2014)基于主要組織相容性復合體對野生種群和圈養(yǎng)種群的比較，但受選用的分子標記限制，沒有基于個體識別的遺傳多樣性調(diào)查。

微衛(wèi)星是目前應用得最廣泛、最優(yōu)良的分子標記，能夠進行精確的個體識別和遺傳多樣性估算。白水河國家級自然保護區(qū)內(nèi)林麝具有一定的種群數(shù)量(胡大明等，2019；彭科等，2021；溫平等，2021)，但林麝種群遺傳多樣性未有報道。本研究基于微衛(wèi)星和mtDNA D-Loop序列對保護區(qū)林麝進行遺傳多樣性研究和種群數(shù)量估計，了解保護區(qū)林麝種群數(shù)量和遺傳狀況，為野生林麝保護提供基礎資料。

1 研究地概況

四川白水河國家級自然保護區(qū)位于四川省彭州市龍門山鎮(zhèn)和小魚洞鎮(zhèn)(103°41′～103°57′E，31°10′～31°29′N)，總面積301.50 km2，野生動植物資源豐富，生態(tài)環(huán)境良好(胡大明等，2019)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

1份圈養(yǎng)林麝肝臟樣本來自四川省米亞羅養(yǎng)殖場，10份圈養(yǎng)林麝糞便樣本來自四川養(yǎng)麝研究所都江堰養(yǎng)麝場，46份野生林麝糞便樣本來自白水河國家級自然保護區(qū)(表1)，所有標本保存于四川大學生命科學學院生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室。野外糞便樣品采用樣線采集，樣線設置在20條保護區(qū)日常監(jiān)測線路內(nèi)(根據(jù)糞便顏色和狀況采集5 d以內(nèi)的糞便)，每條線路選擇 3～7條樣線，每條樣線長3 km。

表1 46份野生林麝糞便樣本采樣信息

2.2 DNA提取及PCR擴增檢測

分別使用M5 HiPer Universal DNA Mini Kit超強通用型DNA提取試劑盒MF033-plus-04(北京聚合美生物科技有限公司)和土壤/糞便DNA提取試劑盒TD601-50(北京天漠科技開發(fā)有限公司)提取林麝肝臟以及糞便DNA。提取的DNA-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

PCR擴增體系總體積為25 μL，其中，正、反引物各1 μL、2×PCR Mix 12.5 μL、肝臟0.5 μL、糞便DNA 2 μL，用ddH2O補齊。S1000TM Thermal Cycler進行PCR擴增，程序為：94 ℃ 5 min;94 ℃ 30 s,56 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s，35個循環(huán)；72 ℃ 10 min;4 ℃保存。

2.3 適于糞便DNA擴增的微衛(wèi)星位點篩選

林麝微衛(wèi)星位點已有較多報道，但有穩(wěn)定擴增特性的四堿基微衛(wèi)星位點較少，且用于糞便DNA擴增的報道更少。糞便等非損傷性取樣的DNA一般量少且降解嚴重，其質(zhì)量比其他組織DNA差，位點擴增能力也較差，因此本研究從林麝基因組序列以及盧婷(2017)已篩選的四堿基微衛(wèi)星中重新挑選了部分四堿基微衛(wèi)星位點進行優(yōu)化。使用Krait v1.0.3(Duetal.，2017)從林麝基因組中預測潛在的多態(tài)性四堿基微衛(wèi)星標記，使用Primer Premier 5.0設計引物，送北京擎科梓熙生物技術有限公司合成備用。根據(jù)引物參考Tm值設置溫度梯度、使用肝臟DNA進行PCR條件優(yōu)化。使用圈養(yǎng)林麝糞便DNA篩選優(yōu)化后具有穩(wěn)定擴增的引物對，選出能穩(wěn)定擴增的引物對用于野生林麝糞便DNA的擴增。

PCR擴增體系和程序如2.2，擴增產(chǎn)物經(jīng)2.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測后，取5 μL送北京擎科梓熙生物技術有限公司基因分型?；蚍中驮贏BI3730 DNA Analyzer上進行，使用GeneMapper version 4.0決定樣本的等位基因數(shù)，等位基因大小相對于分子內(nèi)標GS500LIZ決定。

2.4 野生林麝糞便鑒定及個體識別

野生林麝糞便使用COⅠ基因進行分子鑒定，引物序列：COⅠ-F：5’-ATAGCATTTCCCCGGA-3’，COⅠ-R：5’-TGTTCAGGTTTCGGTCTGT-3’，產(chǎn)物長度300 bp。PCR擴增后經(jīng)電泳檢測，產(chǎn)物條帶清晰單一、長度與預期一致，送北京擎科生物科技有限公司測序，測序后使用BLAST在線比對鑒定。

利用MICRO-CHECKER(Oosterhoutetal.，2010)評估基因分型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的準確性；利用Cervus(Marshalletal.，1998)，以各位點的期望雜合度(HE)、觀察雜合度(HO)以及多態(tài)信息含量(PIC)選擇最優(yōu)位點排列順序，進行基于微衛(wèi)星分型數(shù)據(jù)的林麝個體鑒定，并計算PID和PID(sib)。PID為一個群體中隨機抽取的2個不相關個體有完全相同基因型的概率，PID(sib)為一個群體中隨機抽取2個同父同母的個體有完全相同基因型的概率(Kalinowskietal.，2010)。當PID<0.001且PID(sib)<0.01時，則得到個體識別所需最少數(shù)量的微衛(wèi)星位點(Waits，2001)。

2.5 遺傳多樣性評估

通過MEGA 5.2(Tamuraetal.，2011)對線粒體D-Loop成功測序的序列進行比對，比對無誤的序列利用DnaSP v5(Rozas，1995)計算遺傳多樣性指標參數(shù)：單倍型多樣性(h)、核苷酸多樣性(π)。

基因分型結果利用MICRO-CHECKER校正和評估，檢測基因分型數(shù)據(jù)結果的可信度；利用Cervus 3.0.7計算等位基因數(shù)(A)、HE、HO以及PIC等參數(shù)。衡量微衛(wèi)星位點變異程度的重要指標是PIC：PIC>0.5為高度多態(tài)性，0.5>PIC>0.25為中度多態(tài)性，PIC<0.25為低度多態(tài)性。哈迪-溫伯格平衡(HW平衡)檢驗利用Genpop1.2(Raymond & Rousset,1995)進行，種群內(nèi)Wright近交系數(shù)(Fis)使用PopGene1.31計算(Yehetal.，1999)。

2.6 種群數(shù)量及密度估算

式中，n為樣線數(shù)，xi為第i條樣線的林麝個體數(shù)，Li為第i條樣線面積。

式中，S為保護區(qū)內(nèi)林麝適宜棲息地總面積。

3 結果

3.1 樣本采集及林麝糞便樣品的鑒定

經(jīng)糞便形態(tài)初步鑒定，在20條樣線上采集到林麝糞便樣品49個，經(jīng)COⅠ鑒定為 46份林麝樣品。

3.2 微衛(wèi)星位點的篩選

利用Krait v1.0.3從林麝基因組中預測獲得33個四堿基微衛(wèi)星位點，加上盧婷等(2017)篩選的8個位點，共41個位點。以肝臟DNA和圈養(yǎng)林麝糞便DNA為模板，篩選出能穩(wěn)定擴增的引物 7對。對篩選出的7對引物進行雙色熒光標記(FAM或HEX)(表2)。

表2 適于林麝糞便DNA擴增的7個微衛(wèi)星位點信息

3.3 林麝個體識別

按照LS-22、LS19、LS-21、LS-33、LS-17、LS-34、LS-23的順序逐個增加用于個體識別的微衛(wèi)星位點，對使用6個及以上微衛(wèi)星位點能成功擴增的糞便樣品進行微衛(wèi)星分型，得到分型數(shù)據(jù)庫。利用Cervus3.0.7按照位點的HO對分型數(shù)據(jù)進行個體識別模擬分析，當使用7個微衛(wèi)星位點進行個體識別時，在46份樣本中識別出30只林麝，PID(sib)<0.01(表3;圖1)，這符合種群大小精確評估的要求。

3.4 遺傳多樣性分析

3.4.1 D-Loop序列特征及遺傳多樣性評估對46份林麝糞便DNA進行線粒體D-Loop的PCR擴增，23份能夠成功擴增并測序，序列長584 bp，堿基含量為A(32.34%)、G(14.17%)、T(31.65%)和C(21.84%)，23個序列共39個多態(tài)性位點，占比6.68%。使用DnaSP定義了6個單倍型，Hap2擁有最多的個體數(shù)，為10個(表4)。遺傳多樣性指標：h=0.721 3，π=0.023 44。

表4 林麝23個(6個單倍型)D-Loop序列(584 bp)的堿基組成

3.4.2 微衛(wèi)星標記的遺傳多態(tài)性評估7個位點的等位基因數(shù)為3～7，共35個。其中，等位基因數(shù)≥6的2個，占28.57%；等位基因數(shù)=5的3個；位點LS-34的等位基因數(shù)量最多(7個)，位點LS-33的最少(3個)。保護區(qū)野生林麝種群的Ho為0.211～0.800，平均0.563；HE為0.475～0.798，平均0.602；PIC為0.419～0.750，平均0.536；種群內(nèi)的Fis為-0.143 7～0.555 6；3個位點符合HW平衡(P>0.05)，2個顯著偏離HW平衡(0.01

表5 基于微衛(wèi)星標記的白水河國家級自然保護區(qū)林麝種群遺傳多樣性分析

3.5 保護區(qū)林麝種群數(shù)量估計

利用林麝個體識別結果，計算出樣線內(nèi)林麝的平均密度為4.39頭·km-2，按照保護區(qū)林麝適宜棲息地面積約248.31 km2(胡大明等，2019)計算，保護區(qū)內(nèi)林麝的種群數(shù)量約為1 090頭。

4 討論

物種遺傳多樣性水平與物種進化潛力密切相關(Frankham，1995)，因此瀕危物種遺傳資源保護是物種保護的核心內(nèi)容。了解瀕危物種遺傳多樣性狀況，是制定有效保護措施的基礎。在瀕危動物保護遺傳研究中，通常采用糞便、毛發(fā)等非損傷性取樣，獲得的DNA不但量少且質(zhì)量較差，因此獲得適于非損傷性取樣樣本DNA擴增的遺傳標記尤為重要。本研究基于基因組和發(fā)表的微衛(wèi)星位點，篩選到7個四堿基的多態(tài)性微衛(wèi)星位點，在圈養(yǎng)林麝 1 d 的糞便中能穩(wěn)定擴增，對白水河國家級自然保護區(qū)獲得的46個林麝糞便DNA樣本擴增結果顯示，在大部分樣本中能成功擴增，并且基于 7個位點在46個樣本中鑒定到30只林麝個體，表明這些位點能夠應用于基于糞便DNA的野生林麝保護遺傳學研究。

與微衛(wèi)星位點的等位基因數(shù)量相比，雜合度不受樣本數(shù)量的影響，是種群遺傳多樣性評估的較好參數(shù)。黃杰等(2013)利用7個微衛(wèi)星位點對米亞羅圈養(yǎng)林麝進行遺傳評估，平均HE和HO分別為0.854和0.782，王豆等(2019)使用13對微衛(wèi)星檢測巴山、秦嶺和川西林麝3個圈養(yǎng)群體，平均HE和HO分別為0.830 2和0.389 7，表明這些圈養(yǎng)種群保存了較高的遺傳多樣性水平。野生種群微衛(wèi)星多樣性水平還未見報道，本研究基于微衛(wèi)星檢測到白水河保護區(qū)林麝種群的平均HE和HO為0.602和0.563，處于中等水平。因使用的位點不同，種群間遺傳多樣性比較受限，因此在林麝的保護工作中，應聯(lián)合相關部門開展標準化微衛(wèi)星標記系統(tǒng)的研究，建立共享平臺，方便種群間比較研究。

HW平衡是評價種群遺傳平衡的參數(shù)，處于遺傳平衡的種群不容易受到近交及外來種群的干擾(楊建寶等，2012)，種群相對穩(wěn)定。瀕危物種常常表現(xiàn)HW平衡偏離(Ardrenetal.，1999)，造成偏離的原因很多，如近親交配、種群遷移和遺傳漂變等。本研究中有4個位點偏離HW平衡，均為雜合不足，且表現(xiàn)為近親繁殖。保護區(qū)林麝種群表現(xiàn)這些遺傳特征的原因有待進一步研究。

線粒體D-Loop是遺傳多樣性評估的常用分子標記。保護區(qū)野生林麝種群線粒體控制區(qū)與先前報道的線粒體控制區(qū)富含AT的結論一致(Brownetal.，1986)，且G含量明顯低于其他堿基，表現(xiàn)出較明顯的堿基偏倚。Peng等(2008)對四川3個圈養(yǎng)林麝種群進行了D-Loop多樣性評估，結果發(fā)現(xiàn)米亞羅種群的h和π分別為0.752和0.029 9、金鳳山種群的為0.830和 0.028 2、馬爾康種群的為0.836和0.056 8，馮慧等(2014)把陜西1個圈養(yǎng)種群和3個野生種群混合進行D-Loop遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)了較高的單倍型多樣性(h=0.929)和核苷酸多樣性(π=0.044 24)，但這種混合種群研究可能高估遺傳多樣性水平。本研究在鑒定的30只個體中，成功擴增了21只個體，鑒定了6個單倍型，h和π分別為0.721 3和0.023 44，比圈養(yǎng)種群低，可能因為圈養(yǎng)種群建群者來源于多個野生種群。

目前對于林麝野生種群遺傳多樣性評估報道較少，無法評估各野生種群間遺傳多樣性差異，為了更好保護林麝，今后應大力開展類似研究工作，以全面了解我國林麝遺傳資源狀況。