Population genetic structure of brushtooth lizardfish (Saurida undosquamis) based on mitochondrial cytochrome b gene sequences
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摘要:
文章利用线粒体细胞色素b (cytochrome b, cytb)基因全序列作为分子标记，分析了中国近海和陆架的花斑蛇鲻(Saurida undosquamis)的遗传结构特征。从8个采样点266尾样本中共检测到142种单倍型，各采样点均表现出很高的单倍型多样性(0.925 1~0.992 9)和较低的核苷酸多样性(0.003 145~0.003 852)。单倍型的中间连接网络图呈现以4个优势共享单倍型为中心的星状发散结构，未发现与地理群体对应的谱系结构。分子方差分析表明花斑蛇鲻的遗传变异绝大部分(99.79%)来自种群内的个体之间，而群体之间几乎没有贡献遗传变异。成对遗传分化系数(FST)显示花斑蛇鲻群体间基因交流频繁，不存在明显的遗传差异，是一个随机交配群。中性检验表明种群历史动态显著偏离稳定种群模型，核苷酸错配分布表明花斑蛇鲻历史上曾经历过种群的快速扩张，扩张时间推算约在距今4万~10万年之前。研究结果表明，中国近海和陆架的花斑蛇鲻遗传分化不显著，在渔业上可以作为一个单元来管理。
Abstract:We examined the population genetic structure of brushtooth lizardfish (Saurida undosquamis) from the coastal waters and continental shelf of China based on the complete cytochrome b gene sequences. A total of 142 haplotypes have been derived from 266 individuals at eight sampling sites. Genetic diversity analysis shows that the S. undosquamis samples were characterized by rather high haplotype diversity (0.925 1−0.992 9) and relatively low nucleotide diversity (0.003 145−0.003 852). Median joining network shows that the haplotypes were connected in a star-like manner with four dominant haplotypes without clades of samples corresponding to sampling localities. Analyses of molecular variance suggest that nearly all the genetic variation (99.79%) was from individuals within population rather than from the populations. The pairwise FST reveals no genetic differentiation among different populations. A high rate of gene flow between populations implies a panmixia for S. undosquamis among the sampling sites. Neutrality tests show significant deviation of population historical dynamics from stable population model, and mismatch distribution analysis indicates a late Pleistocene expansion in S. undosquamis. The expansion time was estimated to be 40−100 thousands years ago. The results reveal that S. undosquamis from the coastal waters and continental shelf of China belong to the same population and can be managed as a unit in fisheries.
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藻毒素主要由海洋藻类产生，包括多种具有生物活性的化合物。这些化合物经食物链传递至贝类，并进一步威胁人类健康。根据化学结构，藻毒素分为以下类型：氮杂螺环酸毒素类 (Azaspiracids, AZAs)、环亚胺类 (Cyclic imines, CIs)、软骨藻酸类 (Domoic acids, DAs)、大田软海绵酸类 (Okadaic acid, OA)、裸甲藻毒素 (Brevetoxins, BTXs)、蛤毒素 (Pectenotoxins, PTXs)、石房蛤毒素 (Saxitoxins, STXs) 和虾夷扇贝毒素类 (Yessotoxins, YTXs)[1]。其中，除软骨藻酸类和石房蛤毒素外，其余6类均为脂溶性藻毒素。脂溶性藻毒素分布广泛，约占已发现藻毒素的90%，而脂溶特性使其更易在脂肪组织内富集，给人类健康带来更多潜在危害，因此脂溶性藻毒素引起了越来越多的关注。
我国是世界上最重要的贝类增养殖国家，由于贝类增养殖海域与有毒有害赤潮高发区存在高度重叠[2]，有毒赤潮频发给我国贝类带来藻毒素沾染风险。由脂溶性藻毒素引起的贝类中毒事件在我国时有发生[3]。例如，2011年宁波和宁德两地发生的因食用污染贝类导致的群体中毒事件，涉及200多人，社会和经济效益损失巨大。因此，分析贝类体内藻毒素污染情况，评估其安全性，可有效预测贝类食用风险，防范藻毒素带来的危害效应。
北部湾是我国重要的牡蛎产区和最大的近江牡蛎 (Crassostrea rivularis) 养殖基地。“中国大蚝之乡”——广西钦州市年产近江牡蛎近60万吨，产值20多亿元，畅销广东、上海、湖南等地。近江牡蛎的安全对消费者健康和广西经济发展有重要意义。以往调查发现该区域贝类存在脂溶性藻毒素污染，并且环亚胺毒素 (GYM) 的含量高于我国其他海域[4]。因此，本文采集不同季节养殖近江牡蛎，应用高效液相色谱-质谱联用 (High-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry, HPLC-MS/MS) 技术[5]，分析脂溶性藻毒素沾染情况并进行安全评价，为区域海产品质量评价与食用安全控制提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 试验试剂
所用溶剂均为色谱纯。脂溶性藻毒素标准OA、YTX、Dinophysistoxin (DTX) 1、homo-YTX、AZA1、AZA2、AZA3、spirolide (SPX) 1、GYM和PTX2，均购自加拿大国家研究院海洋生物科学研究所。
1.2 试验设备
超高效液相色谱仪 (Thermo Fisher UltiMate 3000, USA)，三重四极杆线性离子阱质谱仪(AB Sciex, Qtrap®-4500, USA)，C18反相色谱柱 (Waters, X-bridge C18, 3.5 μm, 3 mm×150 mm, USA)，组织匀浆机 (IKA, T10BS25, GER)、固相萃取仪 (奥特赛恩斯仪器有限公司，ASE-12)、Strata™-X 聚合物固相萃取 (Solid phase extraction, SPE) 柱 (60 mg/3 cc, Phenomenex, USA)、针式滤膜 (0.22 µm, ANPEL, SCAA-104)。
1.3 样品采集
近江牡蛎样品于2017年4月 (春季)、7月 (夏季)、10月 (秋季) 和2018年1月 (冬季)采集自广西北部湾养殖场 (108.97°E，21.55°N)。选取养殖场四周及中心区域5根养殖柱，取身长11~13 cm，体质量150~250 g的2龄贝个体 (上市规格)，每柱取3只。现场以海水冲洗牡蛎外壳附着物，将样品放入冰盒运回实验室−20 ℃保存。
1.4 样品处理与毒素提取
贝类样品前处理参考陈建华[6]和Liu等[7]的方法。具体操作为：样品解冻后分离贝肉匀浆。称取1 g匀浆组织，加入3 mL甲醇混匀，经2 000 g离心5 min取上清。重复上述操作，将3次上清液合并定容至10 mL备用。
利用SPE固相萃取小柱对上述甲醇粗提液进行净化。先后加入3 mL甲醇和3 mL去离子水交替活化SPE柱3次。然后取4 mL甲醇粗提液加入10 mL去离子水混匀，上SPE柱进行毒素吸附，用3 mL 20%的甲醇清洗柱子以除去杂质。最后取1 mL含0.3%氨水的甲醇溶液将毒素洗脱收集。洗脱液过滤后进行HPLC-MS/MS分析。
另取甲醇粗提液4 mL，加入2 mL NaOH (2.5) 溶液，混匀后75 ℃水浴40 min，冷却至室温后加入2 mL HCl (2.5 mol·L−1) 中和。水解后样品经净化、过滤进行HPLC-MS/MS分析。
1.5 毒素分析
多种脂溶性藻毒素同步分析方法参照Liu等[7]，根据质谱检测结果进行定性。
1.6 安全风险评价
将藻毒素标准配置成混合标准溶液，通过外标法得到毒素浓度与质谱信号响应值之间的关系，计算阳性样品藻毒素含量。
采用风险熵值法 (Risk quotient, RQ)[8]和点评估法[9]进行安全风险评估。因环亚胺类GYM和SPX1安全阈值未设定，且没有明确证据表明该类毒素对人具有口服毒性[10-11]。因此，安全风险评价不包括这两种毒素。
风险熵值法：
$${\small{\rm{RQ}}} = \frac{{\small{\text{总毒素含量}}\;({\text{μ}}{\rm{ g}}\cdot{\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}})}}{{\small{\text{标准含量}}\;({\text{μ}}{\rm{ g}}\cdot{\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}})}}$$ (1) 计算样品RQ值，若RQ<1，说明食用该样品不存在藻毒素中毒风险；若RQ≥1，说明存在风险，食用后可能引发安全问题。
点评估法：
$$ \begin{array}{c} {\small{\text{毒素摄入量}}}\;\left( {\small{\rm{Daily}}\;{\rm{toxin}}\;{\rm{intake}},\; {\rm{DTI}}} \right) =\\ \dfrac{{\small{\text{毒素含量}}\;({\small{\text{μ}}}{\small{\rm{ g}}}\cdot{\small{\rm{k}}}{\small{{\rm{g}}}^{ - 1}}) \times {\small{\text{食用量}}}\;\left( {\small{{\rm{g}}}\cdot{{\small{\rm{d}}}^{ - 1}}} \right)}}{{\small{\text{体质量}}\;({\small{\rm{kg}}}) \times \small{1\;000}}} \end{array}$$ (2) 将每人每天单位体质量毒素摄入量DTI与急性毒性参考剂量 (Acute reference doses, ARfD)比较，计算暴露风险指数 (Expose risk index, ERI)：
${\rm{ERI}} = \displaystyle \sum \nolimits \left({{\rm{DTI}}/{\rm{ARFD}}} \right)$ ，若0≥ERI < 0.1, 表明食用非常安全；若0.1≥ERI<1, 表明存在安全隐患；若ERI≥1，表明食用风险超过限度，需要启动风险管理程序。2. 结果与分析
2.1 近江牡蛎中脂溶性藻毒素污染状况分析
从20世纪90年代起，我国已有贝类沾染脂溶性藻毒素的报道。随着LC-MS/MS技术的应用和普及，我国贝类样品中脂溶性藻毒素的检出率逐渐增加，且不断发现新的种类[12-13]。研究表明，脂溶性藻毒素在我国分布广泛，从渤海到南海各海域均有检出；渤海和南海贝类藻毒素超标率普遍高于黄海和东海，达70%以上[14-15]。
对春、夏、秋、冬四季牡蛎样品进行脂溶性藻毒素分析，结果见表1。OA、DTX1、YTX、AZA1和AZA3等毒素成分均未检出，说明样品未沾染这些类型的毒素或者其含量低于检测限。而homo-YTX、AZA2、SPX1、GYM和PTX2均有检出，且呈一定的季节差异。图1为典型阳性样品毒素质谱图。
表 1 近江牡蛎样品体内脂溶性藻毒素组成与质量分数Table 1. Composition and contents of lipophilic phycotoxins in C. rivularis collected from Beihai of Guangxiμg·kg−1 采样时间
Sampling time毒素种类 Toxin profile 大田软海绵酸
OA鳍藻毒素
DTX1虾夷扇贝毒素
YTX虾夷扇贝毒素
homo-YTX氮杂螺环酸毒素
AZA12017.04 ND ND ND 1.40±0.31 ND 2017.07 ND ND ND 0.41±0.25 ND 2017.10 ND ND ND 1.17±0.17 ND 2018.01 ND ND ND 0.54±0.12 ND 采样时间
Sampling time毒素种类 Toxin profile 氮杂螺环酸毒素
AZA2氮杂螺环酸毒素
AZA3螺环内脂毒素
SPX1环亚胺毒素
GYM蛤毒素
PTX22017.04 0.09±0.02 ND 0.52±0.18 6.36±1.55 ND 2017.07 ND ND 0.54±0.19 7.22±1.84 0.06±0.03 2017.10 0.12±0.12 ND 0.60±0.18 10.13±3.25 0.03±0.03 2018.01 ND ND 0.26±0.02 13.15±2.54 0.43±0.04 注：ND. 未检出 Note: ND. Undetected ![]()
图 1 典型阳性样品毒素质谱图Figure 1. Mass spectrogram of phycotoxins from typical positive sample![]()
图 2 不同季节近江牡蛎的食用安全风险a. 风险熵值法；b. 点评估法Figure 2. Seasonal variation of C. rivularis safetya. Risk quotients; b. Point estimation2.1.1 环亚胺类毒素
我国GYM和SPXs首次在广东附近海域的长牡蛎 (C. gigas) 中检出，南海污染程度高于北方[16-18]。本次调查中，牡蛎样品沾染的脂溶性藻毒素以环亚胺类为主，GYM含量最高 (表1)，且呈现秋冬高、春夏低的特点。冬季牡蛎样品中GYM质量分数达 (13.15±2.54) μg·kg−1，是春季样品的2倍[(6.36±1.55) μg·kg−1]。与GYM季节分布特征不同，SPX1质量分数在冬季样品中最低[(0.26±0.02) μg·kg−1]，秋季最高 [(0.60±0.18) μg·kg−1]。这些毒素含量变化很可能与相关产毒藻种的季节性变动有关。以往研究表明，GYM在我国南海贝类中具有较高的检出率和含量[19]，与本次调查结果一致。
2.1.2 聚醚类毒素
OA和DTXs是一类聚醚或大环内酯化合物，由鳍藻属 (Dinophysis sp.) 和原甲藻属 (Prorocentrum sp.) 的藻类产生，是导致腹泻的脂溶性毒素类型[20]，具有分布范围广、发病率高等特点。PTXs是鳍藻属产生的是一类大环聚醚化合物，其中以PTX2在海洋环境中最为常见。研究表明，OA、DTX1和PTX2一般共存于海水、浮游植物和贝类样品[19, 21-22]。
贝类体内部分OA和DTX1与游离脂肪酸结合，以酯化形式存在。这部分结合态毒素无法直接检测，一定程度上低估了藻毒素的含量。碱水解使结合态毒素酯键断裂，释放出游离态[23]。本研究中，水解前后均未检测到OA和DTX1，说明该区域牡蛎受此类毒素污染较小。这一结果可能与牡蛎不易累积这些毒素有关[24]。而PTX2在夏、秋、冬三季均有检出，且冬季样品中质量分数最高[(0.43±0.04) μg·kg−1] (表1)，可能是由于PTX2比OA和DTX1更易保留在牡蛎组织中。
AZAs属于聚醚类毒素，其结构中具有独特的螺旋环、环胺或其他氮杂基团[25]，由环胺藻Azadinium和Amphidoma两个属产生。本研究分析了样品中AZA1、AZA2、AZA3 3种同系物，结果只检测到少量的AZA2，AZA1和AZA3均未检测到。AZA2出现在春、秋两季，质量分数分别为 (0.09±0.02) μg·kg−1和 (0.12±0.02) μg·kg−1 (表1)。Az. poporum被认为是中国沿海AZAs的首要贡献者[26-27]，而AZA2是Az. poporum中AZAs最主要的形式。因此，AZA2可能是我国近海海域存在的AZAs的主要形式。
YTXs是含有2个磺酰基的多环聚醚类化合物，其衍生物多达90多种，主要来源于网状原角藻 (Protoceratium reticulatum)、多边舌甲藻 (Lingulodinium polyedrum) 和具刺膝沟藻 (Gonyaulax spinifera)，最早在虾夷扇贝中发现[28-29]。2008年，国内首次报道YTXs主要存在于黄渤海区域(特别是北部海区)的贝类样品中，组成基本以YTX为主；而在南海贝类中检出率较低，且主要为衍生物homo-YTX[4,30-31]。本次调查中homo-YTX质量分数为0.41~1.40 μg·kg−1，春、秋季明显高于冬、夏季 (表1)。该结果应该与北部湾海域普遍存在以产homo-YTX为主的有毒藻种有关[14]。
2.2 广西北部湾海域近江牡蛎食用安全性分析
2.2.1 风险熵值法
YTXs、AZAs和PTXs等3类毒素毒性效应各不相同，分别计算RQ值。总毒性根据毒性等效因子 (Toxicity equivalency factors, TEF) (表2) 计算，限量标准参照欧洲食品安全局 (European Food Safety Authority, EFSA) 的规定 (表3)。3类毒素的RQ值均小于1，采样区牡蛎不存在食用安全风险 (图2-a)。
表 2 毒性等效因子换算表 (EFSA 2009)[32]Table 2. Toxicity equivalent factors (TEFs) recommended by EFSA 2009毒素种类
Toxin profile毒性等效因子
TEF大田软海绵酸 OA 1 鳍藻毒素 DTX-1 1 蛤毒素 PTX-2 1 氮杂螺环酸毒素 AZA-1 1 氮杂螺环酸毒素 AZA-2 1.8 氮杂螺环酸毒素 AZA-3 1.4 虾夷扇贝毒素 YTX 1 虾夷扇贝毒素 Homo-YTX 1 表 3 脂溶性贝类毒素限定标准[32]Table 3. Limitations for lipophilic phycotoxins in shellfishμg eq·kg−1 毒素种类
Toxin profile限定标准
Limit急性毒性参考剂量
ARfD大田软海绵酸及类似物
OA and analogues45 0.3 氮杂螺环酸毒素 AZA 30 0.2 蛤毒素 PTX 120 0.8 虾夷扇贝毒素 YTX 1 000 25 石房蛤毒素 STX 800 0.5 2.2.2 点评估法
根据公式2及不同毒素ARfD值 (表3) 计算ERI，设定食用量400 g，成人体质量60 kg[32]，结果见图2-b。此次调查中，所有受检样品ERI均小于0.1，说明食用该区域近江牡蛎非常安全。
3. 结论
本文通过HPLC-MS/MS方法，分析不同季节近江牡蛎样品的脂溶性藻毒素，并采用风险熵值法和点评估法进行安全风险评价。结果显示，此次调查牡蛎样品中检测到homo-YTX、AZA2、SPX1、GYM和PTX2 5种脂溶性藻毒素成分，但含量远低于相关限量标准，安全风险评价表明不存在食用安全风险。然而，考虑我国沿海贝类脂溶性藻毒素的沾染情况，应该在更广空间范围内进行持续监测，以保障贝类养殖的持续发展和消费者健康。
致谢：中国科学院海洋研究所有害藻华与海洋生态安全课题组于仁成研究员对本研究的支持与帮助，谨此致谢！
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图 2 花斑蛇鲻cytb基因序列单倍型的中间连接网络图
圆的大小代表单倍型频率，颜色代表所属群体，空心圆代表未检测到的单倍型，省略了单倍型之间的突变数
Figure 2. Median-joining network for cytb gene sequence haplotypes of S. undosquamis
The size of the circles is proportional to haplotype frequency and the colors represent the corresponding population. Small hollow circles represent missing haplotypes. The mutation steps between two connected haplotypes are omitted.
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图 3 花斑蛇鲻cytb序列单倍型核苷酸错配分布曲线
柱状图表示观测值, 虚线为突然扩张模型下的期望值，实线为空间扩散模型下的期望值
Figure 3. Mismatch distribution of cytb haplotypes for S. undosquamis
The observed pairwise differences are shown in bars and the expected values under the sudden expansion model and spatial expansion model are in dash line and solid line, respectively.
表 1 花斑蛇鲻样本信息及cytb基因序列遗传多样性参数
Table 1 Specimen information of S. undosquamis and genetic diversity parameters based on cytb gene sequences
采样点
sampling
site经度/纬度
longitude/
latitude样本量 (N)
number of
samples单倍型数量 (H)
number of
haplotypes多态性位点数 (S)
number of polym-
orphic sites单倍型多样性 (h±SD)
haplotype
diversity核苷酸多样性 (π±SD)
nucleotide
diversity防城港 FCG 108°30'E/21°00'N 32 21 25 0.943 5±0.028 7 0.003 145±0.001 823 北部湾 BBW 107°15'E/19°15'N 34 22 26 0.953 7±0.021 9 0.003 205±0.001 850 西沙 XS 109°24'E/16°40'N 34 31 37 0.992 9±0.009 9 0.003 852±0.002 168 三亚 SY 109°46'E/17°58'N 35 27 41 0.968 1±0.020 3 0.003 724±0.002 103 海口 HK 111°18'E/20°18'N 34 21 32 0.925 1±0.035 8 0.003 154±0.001 824 珠江口 ZJK 114°05'E/21°41'N 34 27 38 0.985 7±0.010 8 0.003 692±0.002 089 汕头 ST 116°55'E/23°00'N 32 23 34 0.949 6±0.029 0 0.003 497±0.001 997 泉州 QZ 119°02'E/24°36'N 31 22 29 0.961 3±0.021 6 0.003 393±0.001 948 总计 total − 266 142 144 0.965 0±0.006 1 0.003 455±0.001 921 
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表 2 花斑蛇鲻8个地理群体cytb基因序列遗传变异的分子方差分析
Table 2 Analysis of molecular variance for eight populations of S. undosquamis based on cytb gene sequences
变异来源
source of variation自由度
degree of freedom变异百分比
percentage of variation分化系数
F statisticsP 群体间 among populations 7 0.21 0.002 1 0.572 6 群体内 within populations 258 99.79 所有样本 total samples 265
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表 3 花斑蛇鲻两两地理群体间cytb基因序列的遗传分化系数 (对角线下方) 及显著性水平 (对角线上方)
Table 3 Pairwise FST (below diagonal) and P values (above diagonal) among geographic populations of S. undosquamis based on cytb gene sequences
群体 population FCG BBW XS SY HK ZJK ST QZ 防城港 FCG 0.773 8 0.372 0 0.342 6 0.288 2 0.540 9 0.779 1 0.807 2 北部湾 BBW −0.013 1 0.394 1 0.460 9 0.304 5 0.650 3 0.846 7 0.659 4 西沙 XS −0.000 9 −0.001 2 0.077 4 0.041 5 0.225 2 0.419 6 0.622 3 三亚 SY −0.000 2 −0.003 9 0.021 1 0.896 7 0.729 2 0.762 6 0.178 8 海口 HK 0.002 4 0.001 9 0.031 8 −0.012 9 0.747 6 0.588 1 0.118 5 珠江口 ZJK −0.006 7 −0.008 1 0.005 7 −0.008 9 −0.009 9 0.896 3 0.247 1 汕头 ST −0.012 5 −0.013 1 −0.002 4 −0.010 5 −0.007 9 −0.012 9 0.695 9 泉州 QZ −0.014 1 −0.009 9 −0.007 4 0.010 5 0.018 9 0.004 5 −0.010 3
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表 4 花斑蛇鲻两两地理群体间随机交配假设检验的显著性水平
Table 4 P values of exact test of sample differentiation of S. undosquamis based on cytb gene haplotype frequencies
群体 population FCG BBW XS SY HK ZJK ST 北部湾 BBW 0.014 6 西沙 XS 0.067 7 0.109 4 三亚 SY 0.019 9 0.362 7 0.187 7 海口 HK 0.035 1 0.197 3 0.027 3 0.736 8 珠江口 ZJK 0.285 5 0.254 7 0.692 4 0.292 1 0.181 8 汕头 ST 0.390 6 0.236 1 0.269 5 0.704 2 0.873 0 0.674 6 泉州 QZ 0.527 0 0.310 6 0.128 8 0.303 3 0.486 4 0.392 6 0.945 3
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表 5 花斑蛇鲻cytb基因序列核苷酸错配分布分析的参数估计值和中性检验统计值
Table 5 Mismatch distribution parameter estimates and neutrality tests statistics for S. undosquamis based on cytb gene sequences
群体
population错配分布 mismatch distribution 中性检验 neutrality test 突然扩张模型
sudden expansion model空间扩散模型
spatial expansion modelTajima' D Fu's FS 粗糙指数
HRIP 粗糙指数
HRIP D P FS P 防城港 FCG 0.782 9 0.936 2 0.590 0 0.950 1 −1.493 5 0.048 6 −14.339 4 0 北部湾 BBW 0.066 7 0.067 2 0.028 5 0.061 4 −1.492 5 0.048 5 −15.139 0 0 西沙 XS 0.075 9 0.313 3 0.214 5 0.173 7 −1.854 0 0.013 3 −25.721 9 0 三亚 SY 0.049 8 0.188 5 0.151 9 0.513 6 −2.068 2 0.004 2 −23.293 0 0 海口 HK 0.749 0 0.897 7 0.629 0 0.911 5 −1.926 2 0.010 6 −13.437 8 0 珠江口 ZJK 0.050 7 0.047 7 0.045 6 0.077 7 −1.973 3 0.008 2 −24.127 8 0 汕头 ST 0.890 7 0.834 6 0.909 0 0.934 4 −1.909 1 0.011 5 −17.081 6 0 泉州 QZ 0.136 3 0.217 8 0.156 5 0.352 5 −1.680 7 0.026 9 −15.934 9 0 合计 total 0.177 0 0.439 0 0.076 1 0.601 0 −2.555 7 0 −25.510 6 0
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