遗传多样性在啮齿动物研究中的应用

　　动物遗传学论文（8篇无删减范文）之第八篇

　　摘要：遗传多样性是物种多样性和生态系统多样性的基础, 也是生命进化和物种分化的前提, 更是评价自然生物资源的重要依据.遗传多样性在种类繁多的啮齿动物研究中得到广泛应用, 本文综述了啮齿动物遗传多样性在鼠害防控、啮齿动物起源和分化及进化历史、啮齿动物的适应潜力、种群数量动态和调节机制、保护生物学方面研究中的应用, 提出今后应系统论证种群数量动态与遗传多样性之间的关系, 并对啮齿动物遗传多样性进行长期监控.

　　关键词：分子生物学,遗传多样性,进化,啮齿动物

　　生物多样性通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性3 个水平. 世界自然保护联盟 ( IUCN) 将遗传多样性保护与生态系统多样性保护、物种多样性保护列为全球生物多样性保护的3 个优先内容［1］. 遗传多样性 ( genetic diversity) 是物种多样性和生态系统多样性的基础, 也是生命进化和物种分化的前提, 更是评价自然生物资源的重要依据.遗传多样性是指地球上所有生物所携带的遗传信息总和, 但通常所说是指它的狭义概念, 即种内不同种群之间或种群内不同个体的遗传变异总和［2］. 对任何一个物种来说, 个体的生命是短暂的, 由个体构成的种群或种群系统 ( 亚种、种) 在时间上是连续的, 因此是进化的基本单位［3］. 通常, 遗传多样性最直接的表现形式就是遗传变异水平的高低. 种群遗传结构上的差异也是遗传多样性的一种重要表现形式. 一个物种的进化潜力和抵御不良环境的能力取决于种内遗传变异的大小, 同时也依赖于遗传变异的种群结构［4］.

　　啮齿动物遗传多样性研究中常用的遗传标记与其他动物基本类似, 主要包括形态学标记、细胞学标记、生化标记和分子标记.但不同的标记具有不同的特点, 故所适用的研究领域和方向也不尽相同.形态学检测方法是通过从形态学或表型性状上来检测遗传变异[5-6].细胞学标记是指染色体的变异, 主要是指染色体核型 (染色体数目、大小、着丝点位置等) 及带型 (C带、G带、N带等) 的变异[5, 7-8].生化标记是指蛋白质标记包括同功酶和储藏蛋白 (分为水溶蛋白、谷蛋白、清蛋白和球蛋白等) 标记, 其中啮齿动物中应用最多的是同功酶标记[9-11].分子标记本质上是指能反映生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段[12-13].DNA多态性标记主要包括:限制性内切酶片段长度多态性 (restriction fragment length polymorphism, RFLP) 、随机扩增多态性DNA (random amplified polymorphic DNA, RAPD) 、扩增片段长度多态性 (amplified fragment length polymorphism, AFLP) 、微卫星DNA (microsatellite DNA, STR) 、简单序列重复区间 (inter-simple sequence repeats, ISSR) 、单链构象多态性 (single strand conformational polymorphism, SSCP) 、单核苷酸多态性 (single nucleartide polymorphism, SNP) , 以及建立在测序基础上的线粒体DNA (mitochondrial DNA, mtDNA) 和核基因位点等[14-15].

　　啮齿类动物是哺乳动物中种类最多、分化最大、也是分布范围最广的类群, 因此啮齿动物的遗传多样性研究倍受关注. 目前, 啮齿动物遗传多样性研究已成为国际研究热点之一, 尤其是近十几年, 研究进展十分迅速. 遗传多样性在种类繁多的啮齿动物研究中应用范围较广, 本文对遗传多样性在啮齿动物研究中的应用作如下介绍, 以资借鉴.

　　1 鼠害防控

　　啮齿动物中多数鼠类不仅盗食粮食, 啃咬树木, 破坏草场, 而且传播疾病, 是人类持续发展中的一大隐患［16］. 尤其在鼠类种群暴发时, 鼠类的有害性更加突显. 开展鼠类种群遗传多样性和周期性波动研究, 可以为鼠害防控提供科学依据和借鉴. 大仓鼠 ( Cricetulus triton) 是严重危害我国农业生产的一种害鼠, 主要分布于长江以北的广大地区, 可分为5 个亚种. 建立在分子水平遗传多样性基础上的研究, 初步确定了其种群遗传多样性特征, 这为揭示其种群暴发生物学机制和制订鼠害综合治理措施奠定了基础［17］. 通过研究害鼠遗传多样性, 还能够对害鼠防治方法的有效性进行检测, 从而改进鼠害防治措施.1999 年, 在马提尼克海岸的4 个小岛进行黑家鼠 ( Rattus rattus) 根除, 3 年后在其中的2 个小岛观察到黑家鼠种群, Abdelkrim等［18］利用黑家鼠的7 个微卫星多态性位点对其种群遗传多样性进行研究, 发现其中一个小岛的种群是原岛种群的子种群, 另外一个小岛的种群是新产生的种群, 与原岛的种群有明显的遗传分化. 为了达到长期在这些小岛上根除黑家鼠的目的, 需要消灭残余个体并防止邻近的大陆种群入侵, 如重建根除程序, 安装永久性捕捉器、灭鼠药和监控设备等.

　　2 啮齿动物起源和分化及进化历史

　　啮齿动物系统分化较大, 常规生物学研究方法很难推测物种及亚种之间的起源和分化历史, 而物种及亚种之间的遗传差异为此类研究提供了科学途径. 例如, 小家鼠 ( Mus musculus) 在0. 9 百万年前生活在起源地, 即印度次大陆北部区域［19］,澜沧江姬鼠 ( Apodemus ilex) 和中华姬鼠 ( A. draco) 是位于姬鼠属分支末端的两个姐妹种, 澜沧江姬鼠的独立地位得到了验证, 大约在上新世末期2. 25 百万年前与中华姬鼠出现分化［20］,乌克兰的小林姬鼠 ( A. syl-vaticus) 存在明显的地理分异, 分为南部地理群和北部地理群, 成因是源于1. 5 百万年前利用不同的冰河期避难所所致［21］. 古啮齿动物DNA的遗传多样性分析是探讨其历史进化的最直接证据. Chan等［22］通过对阿根廷栉鼠 ( Ctenomys sociabilis) 现代的样本和1 万年前的化石样本进行遗传多样性对比, 发现古环境对啮齿动物有明显影响, 揭示了包括阿根廷栉鼠在内的南美啮齿动物在全新世出现了明显的遗传多样性丧失. 对博物馆中的莫罗贝更格卢鼠 ( Dipodomys heermanni morroensis) 样本的遗传多样性进行研究发现, 这个濒危种群较低的遗传多样性不是来自于近期的遗传多样性丧失, 而是来自于历史上的丧失［23］. 冰河时期避难所的数量及避难所的特性影响啮齿动物的分化和后期物种遗传多样性的高低, 北极兔 ( Lepus arcticus) 和阿拉斯加兔 ( L. othus) 通过两个独立北美北极避难所 ( 白令海峡和加拿大北极地区) 度过冰期, 因此具有较少的种下分化和目前较低的遗传多样性, 而雪兔 ( L. timidus) 在冰期具有多个欧亚避难所, 因此目前具有较高的遗传多样性［24］. 研究发现, 意大利南部的卡拉布里亚是松鼠 ( Sciurus vulgaris) 的避难所, 其种群遗传分化明显不同于欧洲其他地区种群［25］. 研究现存种群遗传多样性的变化也能够推测古环境对啮齿动物的影响以及影响啮齿动物进化的历史事件, 例如, 种群爆发、遗传瓶颈、遗传漂变等. Hinten等［26］利用微卫星和线粒体DNA标记对分布于澳大利亚大陆和14 个岛屿丛林中的沼泽鼠 ( Rattus fuscipes) 遗传多样性进行研究, 发现小岛屿种群与大陆种群的遗传多样性水平是相似的, 表明大陆种群近期经历了种群瓶颈, 而岛屿面积在小岛屿种群遗传多样性中起到主导作用, 小岛屿种群遗传多样性与隔离时间以及与大陆距离表现出不相关, 小岛屿种群历史上的遗传漂变和种群之间完全隔离, 导致各种群迅速进化并产生极端的遗传分歧.

　　3 啮齿动物的适应潜力

　　通常认为遗传多样性是对未来不可预测的环境适应的评价指标, 一个物种或一个种群遗传多样性越高或遗传变异越丰富, 对环境的适应能力就越强, 越容易扩展其分布范围和开拓新的环境. 家鼠是这方面经典的例子, 其遗传多样性极高, 进化潜力极强, 起源于印度次大陆北部, 经历多次辐射式扩散, 不但遍布世界各地, 而且不同谱系已经导致外围群体的第二次接触, 进一步提升了其遗传多样性, 甚至在新西兰偏远的小岛已有分布, 灭鼠过程中发现一些单倍型具有较大的抗性［19，27－30］. 与之相反, 濒危啮齿动物物种的遗传多样性往往会出现两种情况:一种是物种整体遗传多样性很低, 表现出较低的适应潜力, 这将进一步加剧其灭绝的进程, 遗传多样性的丰富程度与生物适合度密切相关, 甚至有的研究显示遗传多样性与寄生虫感染啮齿动物致病存在负相关［31］,另一种情况是物种整体遗传多样性并不很低, 但由于物种分布明显斑块化, 各个种群彼此长期隔离表现出不同的单元型, 进而提升了物种多样性, 但这种情况下物种的适应潜力存在潜在的危机, 各个斑块变小或消失将加剧其灭绝的进程. 泰国特殊石灰质溶岩环境的濒危啮齿动物耐氏大鼠 ( Leopol-damys neilli) 和生活在黑斯廷斯河的澳大利亚濒危啮齿动物滨伪鼠 ( Pseudomys oralis) 的遗传多样性都属于第二种情况, 表现出斑块化带来的适应潜力危机, 同时也为保护与管理增加了难度［32－33］. 遗传多样性的高低与物种或种群所经历的历史环境、历史气候、历史事件等因素明显相关. 高原鼢鼠 ( Myos-palax baileyi) 是青藏高原特有种之一, 为地下独居啮齿动物, 受地上环境影响较少, 稳定的地下生活环境和有限的迁移能力造成该物种的遗传多样性较低, 进化潜力较弱, 分布区域有限, 成为特有种［34］.子午沙鼠 ( Meriones meridianus) 作为我国蒙新动物地理区中分布最为广泛的啮齿类动物之一, 由于其对地上复杂环境高度适应, 以及其历史种群经历过长期严重的片段化以及地理阻隔, 使其具有丰富的遗传多样性及较强的进化潜力［35］.

　　4 种群的数量动态和调节机制

　　种群数量动态是种群生态学研究的核心问题, 啮齿动物种群数量动态及其调节机制备受关注, 从1960 年Chitty［36］提出遗传调节学说, 1978 年Krebs［37］对遗传调节学说模型修改后, 诸多研究探讨了遗传差异变化和种群数量动态间的相关性, 进而揭示种群数量变化的遗传调节机制. 研究发现, 子午沙鼠和三趾跳鼠 ( Dipus sagitta) 的遗传多样性随季节变化, 春季种群具有最高水平的遗传多样性, 遗传多样性和种群密度在统计上不具有显着相关性［38］. 而对一个岛屿上草原田鼠 ( Microtus pennsyl-vanicus) 不同种群密度下的遗传多样性进行研究时发现, 当种群密度低时, 其遗传距离减少, 遗传多样性增加, 反之亦然, 并且高密度种群遗传多样性系数小于低密度种群［39］. 近期的一些研究显示, 不仅遗传多样性与种群数量动态相关, 而且种群内亲缘关系格局与种群遗传多样性可共同影响啮齿动物种群数量动态［40－41］.

　　5 保护生物学

　　保护生物学研究主要针对濒危啮齿动物, 因此遗传多样性研究的采样常采取非损伤或非伤害性取样[42].世界自然保护联盟 (IUCN) 将遗传多样性保护列为全球生物多样性保护的3个优先内容之一, 主要是由于种群遗传多样性的丧失将导致种群的近亲繁殖, 从而影响种群的适合度, 因为种群内遗传多样性与种群的适合度呈正相关[43].此外, 奠基者效应、遗传瓶颈及瓶颈后的有效种群大小都影响着啮齿动物的遗传多样性[44].澳大利亚野兔 (Oryctolagus cuniculus) 种群源于1859年由欧洲引入的13只奠基野兔.Zenger和Richardson[45]比较了欧、澳两洲野兔种群微卫星多态性以分析瓶颈效应对澳大利亚野兔种群遗传多态性的影响, 由于澳大利亚野兔经历瓶颈后具有较大的有效种群, 其种群遗传多样性并未降低.濒危啮齿动物遗传多样性研究有助于对该物种目前濒危程度进行评价, 进而为科学有效的管理提供借鉴.对黑斯廷斯河的澳大利亚濒危啮齿动物滨伪鼠的遗传多样性进行研究发现, 各个分布斑块都经历过长期隔离, 具有独特的单元型, 应对其进行分别保护管理[43].遗传多样性暗含遗传结构, 通过对遗传结构的研究, 可以确定物种保护单元, 是制定、优化和实施保护策略的基础和物种保护的前提.进化显着单元 (evolutionary significant units, ESUs) 是指具有共同进化祖先但在进化过程中形成并保持着各自不同遗传结构的一些分类单元, 代表一个历史隔离种群, 它们是保护生物学的保护焦点[46].管理单元 (management units, MUs) 代表种群统计学上独立的种群, 通常根据等位基因频率的显着差异而划分, 因而可作为种群短期管理的功能单位[47].确定ESUs和MUs, 可以为保护生物学提供一个科学、有效的保护方式.对栉鼠属Ctenomys lami的mtDNA和核基因标记进行研究发现, 该种存在2个同类群, 且同类群不是完全隔离的, 表明其脆弱性要比预想的大, 数据支持指定1个ESUs和1个MUs进行保护[48].耐氏大鼠是生活在泰国特殊石灰质溶岩环境的濒危啮齿动物, 其遗传多样性研究反映了石灰质溶岩环境对此物种的影响.研究发现, 由于特殊溶岩环境的零散分布导致耐氏大鼠存在明显的地理结构, 使得保护石灰质溶岩环境不但对耐氏大鼠的保护有重要意义, 而且对耐氏大鼠的种内遗传多样性保护意义重大[32].啮齿动物在保护生物学方面的研究还涉及环境因素和人为因素对啮齿动物遗传多样性的影响.例如, 研究核污染环境对啮齿动物堤岸鼠平 (Clethrionomys glareolus) 遗传多样性的影响[49];研究黑家鼠根除措施对栖息于同一分布区的鹿鼠 (Peromyscus maniculatus) 遗传多样性的影响等[50].

　　6 研究展望

　　6. 1 系统论证种群数量动态与遗传多样性的关系

　　目前, 有关外因对啮齿动物种群数量动态的调节研究较为系统, 相比之下, 有关内因的遗传调节学说的发展与论证报道较少. 已有的报道多数是对同一空间上的种群研究, 对同一时间的种群动态研究甚少. 探讨同一空间种群遗传多样性、种群内部亲缘结构与种群数量动态的相关性只能在一定程度上论证遗传调节学说. 而对同一时间种群 ( 同生群) 进行数量监控, 并进行种群遗传多样性、种群内部亲缘结构的研究, 对啮齿动物种群的周期性变化、爆发、崩溃等机理研究具有深远意义.

　　6. 2 进行长期的种群遗传多样性监控

　　无论是鼠害防控还是濒危啮齿动物的保护都是一个长期的过程［51］, 开展长期的遗传多样性监控具有重要意义, 建议将长期的遗传多样性监控纳入到鼠害防控和濒危啮齿动物保护实践中.

　　参考文献
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