Heterogeneity of mantle length-body mass relationship in different Ommastrephes bartramii populations based on linear mixed model
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摘要:
为研究不同群体柔鱼 (Ommastrephes bartramii) 生长的异质性，文章根据2016—2018年在北太平洋采集的柔鱼样本，对该物种胴长和体质量的性别和月间差异进行了分析。构建了广义线性模型 (Generalized linear model, GLM) 和9个线性混合模型 (Linear mixed model, LMM)，用于研究不同群体柔鱼的胴长和体质量关系 (m=aLb) 在性别及时间上的差异。结果显示，东、西部群体不同性别柔鱼胴长、体质量均存在极显著差异 (P<0.01)；各月份间也均存在极显著差异 (P<0.01)。东部群体异速生长参数 (b) 的固定值 (2.763 4) 小于3，表示其为负异速增长，肥满度随胴长增加而减少，胴体趋于细长；西部群体b的固定值 (3.117 19) 大于3，表示其为正异速增长，肥满度随胴长增加而增大，胴体趋于宽厚。研究表明，性别和月份对不同群体柔鱼胴长和体质量关系均有显著影响，线性混合模型能将性别和月份的异质性通过随机效应在单个模型中更准确、方便地体现出来，进一步证实了此模型在个体生长异质性研究中的优势。
Abstract:We had collected neon flying squid (Ommastrephes bartramii) samples from 2016 to 2018 in North Pacific, and studied their gender and monthly differences of mantle length-body mass relationship, so as to understand the heterogeneity in the growth of different O. bartramii populations. One generalized linear (GLM) model and nine linear mixed models (LMM) were applied to study the difference in gender and time for mantle length-body mass relationship (m=aLb). The results show that there was a significant difference in the mantle length and body mass between female and male O. bartramii of eastern and western populations (P<0.01). Moreover, there was a significant difference between different months (P<0.01). The fixed value of b (2.763 4) was less than 3 in the eastern population, which indicates that O. bartramii was growing at negative allometry, and the degree of fullness was negatively related to mantle length, and the body tended to be slender. The fixed value of b (3.117 19) was more than 3 in the western population, which indicates that O. bartramii was growing at positive allometry, and the degree of fullness was positively related to the mantle length, and the body tended to be thick. The study indicates that month and gender have a significant effect on the mantle length-body mass relationship for different O. bartramii populations. The LMM reflects the heterogeneity of gender and month more accurately and conveniently in a single model through random effects, thereby further confirming the advantage of this model in the study of heterogeneity in individual growth.
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我国的珍珠贝主要包括珠母贝属(Pinctada) 的大珠母贝(P.maxima)、珠母贝(P.margaritif-era)、合浦珠母贝(P.fucata或P.fucata martensii)(又名马氏珠母贝P.martensii)、长耳珠母贝(P.chemnitzi)、黑珠母贝(P.nigra)和白珠母贝(P.albina)等[1-2]。这些珍珠贝种类是生产海水珍珠的重要母贝或潜在贝种，具有重要的经济价值。其中大珠母贝是生产大型珍珠的重要母贝，珠母贝是生产黑珍珠的重要母贝，经济价值尤其巨大。但有的种类之间形态差异小，如射肋珠母贝和合浦珠母贝仅凭形态描述很难鉴定[2]，因此形态分类比较困难。有的种形态变异大，分类鉴定也十分不容易，因此出现了很多同物异名[3]。此外在幼体阶段种类鉴定也容易混淆。另外在珍珠贝种间杂交育种研究中杂交后代的身份检测也缺乏有效手段，是否有真正的杂交，或是雌核发育的结果？目前只有同工酶的证据[4]，尚无DNA方面的鉴定标记。此外，对于没有外部特征的样品，如肌肉或内脏团组织样品，如何鉴定也是有待解决的问题。因此开发种类特异(species specific)的分子标记对种类鉴定、分子标记辅助育种等方面具有重要的应用价值。
真核生物的核糖体DNA(ribosomal DNA, rDNA)，由几百个串联重复的转录单元(transcription unit)(包括18S、5.8S和28S)和内部转录间隔子(internal transcribed spacers，ITSs)(包括ITS 1和ITS 2)等组成[5]。由于协同进化(concerted evolution)作用，rDNA各部分序列在种内变异小，种间变异大[5-7]，因此适合于种类鉴定。其中18S、5.8S和28S基因序列高度保守，适合于高阶分类单元的区分，而ITS 1和ITS 2的DNA序列变异大，适合于种类水平，尤其是近缘种的鉴定，目前已有许多利用ITS进行系统发育(phylogeny)分析和种类鉴定的研究报道[8-15]。但由于rDNA是多拷贝的，有的种类可能存在种内变异[16]。因此具体种类必须具体分析。He等[17]利用ITS2序列对我国珠母贝属的5个种进行了亲缘关系分析，发现有的种存在种内多态。本文拟对大珠母贝、珠母贝、合浦珠母贝、长耳珠母贝、白珠母贝和黑珠母贝的ITS 2序列和两侧的部分5.8S和28S序列进行比较分析，探讨其作为种类鉴别的分子标记的可能性。
1. 材料和方法
1.1 实验材料
共采集了大珠母贝、珠母贝、合浦珠母贝、长耳珠母贝和白珠母贝5个种各3~10个样品。其中合浦珠母贝采集自广东大亚湾、广西北海和海南三亚，白珠母贝采自澳大利亚，其他种来自海南三亚(表 1)，取闭壳肌保存于95%的酒精中备用。合浦珠母贝的样品合并分析时用pfuc表示。黑珠母贝的序列来自于GenBank数据库。
表 1 样品种类、采集地点以及ITS 2的扩增片段长度、基因型及其序列号Table 1. Species, sampling localities as well as amplified fragment length, genotype and accession numbers of ITS 2种类及采样地点
species and locality代码
code基因型
genotypeITS 2(bp) 总长(bp)
length(bp)GenBank序列号
accession number大珠母贝P.maxima
(海南三亚/ Sanya, Hainan)pmax pmax1 211 525 AY877505 pmax2 211 525 AY883851 pmax3 211 525 AY877504 珠母贝P.margaritifera
(海南三亚/ Sanya, Hainan)pmar pmar1 215 529 AY877507 pmar2 214 528 AY883850 pmar3 215 529 AY877506 白珠母贝P.albina
(澳大利亚/ Port Stephens)palb palb1 251 565 AY877508 palb2 251 565 AY883846 长耳珠母贝P.chemnitzi
(海南三亚/ Sanya, Hainan)pche pche1 251 564 AY877511 pche2 251 564 AY883848 pche3 251 564 AY877510 pche4 252 565 AY877509 pche5 252 565 AY883847 黑珠母贝P.nigra pnig pnig0 254 - AY192714 pnig1 254 - AY282728 pnig2 254 - AY282729 pnig3 254 - AY282730 合浦珠母贝P.fucata
(海南三亚/ Sanya, Hainan(hn)，广东大亚湾/ Daya Bay (db), Guangdong和广西北海/Beihai (bh), Guangxi)db db1 235 548 AY877581 db2 231 544 AY877604 bh bh1 233 546 AY877583 bh2 231 544 AY877605 hn hn1 237 550 AY877592 hn2 230 543 AY877597 1.2 DNA提取、PCR扩增和测序
DNA的提取用QIAamp DNA mini kit (QIAGEN)试剂盒并按其提供的操作指南进行。ITS 2的引物、PCR扩增条件和测序方法与文献[18]相同。基本过程包括PCR扩增、PCR产物纯化、测序PCR扩增、测序仪测序分析。每个种各测序3~10个样品。双向测序，选择序列峰图清晰的个体用于分析。
1.3 数据处理
测序后先用Sequence Editor (1.03)(Applied Biosystems)软件对其电泳图谱和碱基序列进行手工校对和编辑，然后用Clustral X软件[19]进行多重比对(multiple alignment)分析，再用MEGA 3[20]软件计算碱基组成、遗传距离和构建UPGMA系统发育树。用DnaSP 4.0[21]进行基因型分析，由于5.8S和28S变异小，基因型分析仅包括ITS 2。根据比对结果手工进行单碱基突变分析。
2. 结果
2.1 PCR扩增结果与基因型分析
PCR扩增产物包括ITS 2和两侧的5.8S与28S基因片段。在GenBank数据库中的同源分析(blastn)发现5.8S与28S基因片段的序列与相近物种具有高度同源性，表明扩增产物和测序结果真实可靠。通过比对分析后获得ITS 2的基因型数据，每个基因型的序列及其两端的序列已在GenBank数据库注册，所获得的基因型和序列号见表 1。不同种之间基因型不同。大珠母贝和珠母贝各获得3个基因型，白珠母贝2个基因型，长耳珠母贝5个基因型。合浦珠母贝3个不同采样点各取2个基因型用于分析。
2.2 种间ITS 2序列长度变异
扩增产物的序列长度(包括引物序列)为567~607 bp(表 1)，其中5.8S基因片段长84 bp，28S基因片段长272 bp，ITS 2比对长度为270位点(图 1)。实际长度在211~254 bp之间(表 1)。不同种之间长度差异较大，大珠母贝和珠母贝的ITS 2最短(211~215 bp)，白珠母贝、长耳珠母贝和黑珠母贝的最长(251~254 bp)，合浦珠母贝居中(230~237 bp)。
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图 1 种间ITS 2序列比对分析结果(显示单核苷酸多态(SNP)位点)Figure 1. The alignment of six species ITS 2 sequences(showing the single nucleotide polymorphic sites).2.3 种间序列单核苷酸变异分析
(1) 5.8S和28S基因部分序列的单核苷酸突变分析本引物扩增的5.8S基因片段较短，连引物在内共84 bp，种间序列相当保守，仅末端1个碱基发生颠换突变，大珠母贝和珠母贝为T碱基，其它种为G碱基。28S片段较长，包括引物共长272 bp，共有3个位点发生突变。在包括引物的626个比对位点中，593位点发生转换突变，大珠母贝和珠母贝为A碱基，其余种为G碱基。605位点发生插入/缺失突变，大珠母贝、珠母贝和白珠母贝为C碱基，其余种缺失(数据未给出)。本部分未包括黑珠母贝的序列资料。
(2) ITS 2的单核苷酸突变(SNP)分析与5.8S和28S不同，ITS 2为高变异区，在270个比对位点中有146个突变位点，包括72个插入/缺失突变位点，非突变位点只有114个。简约信息位点108个，单突变子(singleton)8个。每个种都有其特有的单核苷酸突变(图 1)。种间的单核苷酸突变见表 2。大部分种间的转换突变位点数略小于颠换突变数。
表 2 种间单核苷酸突变Table 2. Interspecific single nucleotide mutation种类
species大珠母贝 珠母贝 白珠母贝 黑珠母贝 长耳珠母贝 合浦珠母贝 大珠母贝 P.maxima - 8 21 21 23 20 珠母贝 P.margaritifera 6 - 25 26 23 20 白珠母贝 P.albina 31 26 - 1 19 18 黑珠母贝 P.nigra 33 31 4 - 19 17 长耳珠母贝 P.chemnitzi 22 22 34 34 - 14 合浦珠母贝 P.fucata 21 19 31 32 24 - 注：对角线下为颠换突变，对角线上为转换突变
Note：transiversion-lower diagonal, transition-upper diagonal黑珠母贝的pnig1~3个体与白珠母贝之间有5个突变位点，而pnig0和palb之间只有2个突变位点的差异，表明pnig0可能是白珠母贝，或介于两者之间的种间类型，在聚类分析中与白珠母贝聚合在一起(图 2)。
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图 2 6种珠母贝的UPGMA无根系统发育树注：图中数字为bootstrap检测值，小于50%的未给出Figure 2. Unrooted UPGMA tree showing the genetic relationships of the six Pinctada speciesNote: The number near the branch is bootstrap test value, value less than 50% are not shown.除碱基替换突变外还有大量的插入/缺失突变，大珠母贝、珠母贝和合浦珠母贝有3个较大的缺失区(25~41，65~72，170~179)，大珠母贝和珠母贝还有1个缺失区，即157~164。而黑珠母贝和白珠母贝只有其中的1个缺失区，即65~72。其中，合浦珠母贝有插入/缺失位点33~40个，大珠母贝55个，珠母贝51~52个，长耳珠母贝16~17个，黑珠母贝16个，白珠母贝17个。
2.4 种内与种间的遗传距离分析
利用ITS 2序列数据进行了种内和种间遗传距离计算。种内的遗传距离在0.004~0.014之间(表 3)。不同种之间的遗传距离差别较大。白珠母贝和黑珠母贝之间遗传距离最小，只有0.034，大珠母贝与珠母贝之间(0.088)以及长耳珠母贝与白珠母贝和黑珠母贝之间(分别为0.096和0.115)的遗传距离居中，其它种间遗传距离较大(0.223~0.318)。总体来看，种间遗传距离远远大于种内遗传距离。
2.5 亲缘关系的聚类分析
基于Kimura 2-parameter遗传距离的UPGMA系统发育树表明，6个种分成4大支(图 2)。其中大珠母贝和珠母贝以及白珠母贝和黑珠母贝分别聚成1支，长耳珠母贝和合浦珠母贝各自形成1支。表明大珠母贝和珠母贝、白珠母贝和黑珠母贝的亲缘关系分别较近，而它们之间的突变位点数(表 2)和遗传距离(表 3)也最小。
表 3 珠母贝属种内与种间的遗传距离Table 3. Intraspecific and interspecific genetic divergences of pearl oysters in Pinctada种类species 1 2 3 4 5 6 1max 0.010 2mar 0.088 0.011 3alb 0.271 0.280 0.004 4nig 0.287 0.301 0.034 0.014 5che 0.318 0.313 0.096 0.115 0.006 6pfuc 0.268 0.280 0.233 0.238 0.223 0.014 注：对角线为种内遗传距离，对角线下为种间遗传距离
Note：intraspecific-diagonal, interspecific-belon diagonal3. 讨论
ITS是rDNA上的一段非编码序列，变异较大，多态性较高，适合于亲缘关系较近的种类的遗传多样性分析，已广泛应用于种类鉴定和系统发育研究[8-15]。本研究表明，5.8S和28S序列较保守，不适合于种类鉴定，而ITS 2序列差异大，种内遗传距离与种间遗传距离相差较大，是种类鉴定的理想标记。从基因型分析来看，不同种有不同的基因型，很容易将各个种分开。但仅靠基因型也不够，因为合浦珠母贝同一个种的不同种群也有不同的基因型[18]，因此还必须考虑不同基因型之间的序列差异程度。ITS 2序列种间差异分析表明，不同种间序列差异不同，其中黑珍珠与白珠母贝之间差异较小，其余种类之间的序列差异较大(>8.8%)，远远大于种内的遗传差异(< 1.4%)，很容易把不同种区分开。白珠母贝和黑珠母贝之间的序列差异较小(3.4%)，如果不考虑pnig0个体，其序列差异更小，聚类分析也表明黑珠母贝和白珠母贝的亲缘关系很近，pnig0个体采自我国海南，而白珠母贝采自澳大利亚，但pnig0个体却和白珠母贝聚合在一起。在形态描述资料中白珠母贝和黑珠母贝仅有颜色的差异[2]。这些资料表明它们可能是一个种的不同亚种。ITS 2还表现出种间长度变异。大珠母贝和珠母贝的PCR产物长567~571 bp，白珠母贝和长耳珠母贝长606~609 bp，合浦珠母贝长585~592 bp。黑珠母贝的PCR产物长度应该与长耳珠母贝和白珠母贝的差不多。因此通过长度变异检测，可分出不同的类群并可将合浦珠母贝分辨出来。Anderson和Adlard[9]对ITS序列分析也发现Saccostrea commercialis和S. glomerata为同种。由上可以看出，ITS 2的序列变异分析可以检测到种间的分化程度。如合浦珠母贝种内不同种群之间虽然基因型不同，但群体内与群体间序列变异极小[19]。因此，序列变异分析与基因型分析相结合能灵敏地区分不同的种或亚种。
从序列的变异特征看，ITS 2基因的117个突变位点中有72个插入/缺失突变，表明长度变异是种间变异的一个重要因素。种内变异远小于种间变异，表明珠母贝种类在进化过程中存在高度的协同进化(concerted evolution)，使得种内变异快速同化趋于一致，而种间变异却快速积累[5-7]。这一特点使ITS 2序列特别适合作为种类鉴定的分子标记。但由于rDNA是多拷贝的，可能存在种内变异[16]，因此具体的种要具体分析。对于珍珠贝类来说，克隆测序发现种内变异很小[17, 22]，不影响种间鉴别。
由于测序分析仍不十分方便，且昂贵、费时，因此仍有待于开发基于PCR的快速经济的种类鉴定分子标记。
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图 1 北太平洋柔鱼不同群体采样站点
Figure 1. Sampling station of different populations O. bartramii in North Pacific
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图 2 东部群体柔鱼不同性别胴长体质量频率分布图
Figure 2. Frequency distribution of mantle length and body mass of O. bartramii of different sex for eastern population
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图 3 西部群体柔鱼不同性别胴长体质量频率分布图
Figure 3. Frequency distribution of mantle length and body mass of O. bartramii of different sex for western population
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图 4 柔鱼不同月份胴长体质量分布图
a. 东部群体胴长分布图；b. 东部群体体质量分布图；c. 西部群体胴长分布图；d. 西部群体体质量分布图
Figure 4. Distribution of mantle length and body mass of O. bartramii in different months
a. Distribution of mantle length for eastern population; b. Distribution of body mass for eastern population; c. Distribution of mantle length for western population t; d. Distribution of body mass for western population
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图 5 不同群体柔鱼体质量-胴长关系
a. 东部群体雌性体质量-胴长关系；b. 东部群体雄性体质量-胴长关系；c. 西部群体雌性体质量-胴长关系；d. 西部群体雄性性体质量-胴长关系
Figure 5. Mantle length-body mass relationship for different O. bartramii populations
a. Relationship between BM and ML of female for eastern population; b. Relationship between BM and ML of male for eastern population; c. Relationship between BM and ML of female for western population; d. Relationship between BM and ML of male for western population
表 1 不同月份柔鱼样本基本信息
Table 1 Basic information of O. bartramii samples in different months
群体
Population年份
Year月份
Month样本数量
Number of sample胴长范围
Range of mantle length/mm东部群体 Eastern population 2016—2017 5 394 163~500 6 456 212~516 西部群体 Western population 2016—2018 7 124 187~290 8 283 195~357 9 331 199~386 10 165 190~377 11 105 215~421 
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表 2 不同群体柔鱼胴长-体质量关系模型的拟合效果指标
Table 2 Fitting effect index (AIC) of mantle length-body mass relationship models for different O. bartramii populations
种群
Population模型缩写
Model abbreviation模型
Model对数转化
Log-transformed赤池信息量准则
AIC均方根误差
RMSE东部群体
Eastern populationLMR m = a×Lb ln(m)=ln(a)+b×ln(L) −466.402 0.183 265 RSS m=a×L(b+RSS) ln(m)=ln(a)+(b+RSS)×ln(L) −472.338 0.181 617 RSI m=a×exp(RSI)×Lb ln(m)=[ln(a)+RSI]+b×ln(L) −472.27 0.181 641 RSI&S m=a×exp(RSI)×L(b+RSS) ln(m)=[ln(a)+RSI]+(b+RSS)×ln(L) −469.057 0.181 428 RMS m=a×L(b+RMS) ln(m)=ln(a)+(b+RMS)×ln(L) −489.107 0.179 784 RMI m=a×exp(RMI)×Lb ln(m)=[ln(a)+RMI]+b×ln(L) −492.772 0.179367 RMI&S m=a×exp(RMI)×L(b+RSI) ln(m)=[ln(a)+RMI]+(b+RMS)×ln(L) −595.137 0.166 468 RS&MS m=a×L(b+RSS+RMS) ln(m)=ln(a)+(b+RSS + RMS)×ln(L) −494.452 0.178 558 RS&MI m=a×exp(RSI)×exp(RMI)×Lb ln(m)=[ln(a)+RSI + RMI]+b×ln(L) −497.694 0.178 211 RS&MI&S m=a×exp(RSI)×exp(RMS)×L(b+RSI+RSI) ln(m)=[ln(a) + RSI + RMS]+(b+RSI + RMI)×ln(L) −596.138 0.165 394 西部群体
Western populationLWR m = a×Lb ln(m)=ln(a)+b×ln(L) −1 795.63 0.099 003 RSS m=a×L(b+RSS) ln(m)=ln(a)+(b+RSS)×ln(L) −1 797.15 0.098 614 RSI m=a×exp(RSI)×Lb ln(m)=[ln(a)+RSI]+b×ln(L) −1 797.31 0.098 603 RSI&S m=a×exp(RSI)×L(b+RSS) ln(m)=[ln(a)+RSI]+(b+RSS)×ln(L) −1 796.72 0.098 512 RMS m=a×L(b+RMS) ln(m)=ln(a)+(b+RMS)×ln(L) −1 807.04 0.097 626 RMI m=a×exp(RMI)×Lb ln(m)=[ln(a)+RMI]+b×ln(L) −1 807.41 0.097 615 RMI&S m=a×exp(RMI)×L(b+RSI) ln(m)=[ln(a)+RMI]+(b+RMS)×ln(L) −1 807.59 0.097 215 RS&MS m=a×L(b+RSS+RMS) ln(m)=ln(a)+(b+RSS + RMS)×ln(L) −1 808.14 0.097 347 RS&MI m=a×exp(RSI)×exp(RMI)×Lb ln(m)=[ln(a)+RSI + RMI]+b×ln(L) −1 808.56 0.097 333 RS&MI&S m=a×exp(RSI)×exp(RMS)×L(b+RSI+RSI) ln(m)=[ln(a) + RSI + RMS]+(b+RSI + RMI)×ln(L) −1 808.09 0.096 976 注：第一列为柔鱼的不同群体，第二列为第三、四列模型的缩写 RSS、RSI、RSI&S、RMS、RMI、RMI&S、RS&MS、RS&MI 和 RS&MI&S 分别为斜率 b 的性别随机效应、截距 ln(a) 的性别随机效应、截距 ln(a) 与斜率 b的性别随机效应、斜率 b 的月份随机效应、截距 ln(a) 的月份随机效应、截距 ln(a) 与斜率 b 的月份随机效应、斜率 b的性别与月份随机效应、截距 ln(a) 的性别与月份随机效应,以及截距 ln(a) 与斜率 b 的性别与月份随机效应Note: The first column shows different O. bartramii populations. The second column shows the abbreviations of models detailed in the third and fourth columns. RSS, RSI, RSI&S, RMS, RMI, RMI&S, RS&MS, RS&MI和RS&MI&S indicate random effects on slope (b) in sexual difference, random effects on intercept [ln (a)] in sexual difference, random effects on intercept [ln (a)] and slope (b) in sexual difference, random effects on slope (b) in months, random effects on intercept [ln (a)] in months, random effects on intercept [ln (a)] and slope (b) in months, random effects on slope (b) in sexual difference and months, random effects on intercept [ln (a)] fin sexual difference and months, and random effects on intercept [ln (a)] and slope (b) in sexual difference and months, respectively.
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表 3 不同月份东西部群体柔鱼胴长与体质量关系
Table 3 Mantle length-body mass relationship for different O. bartramii populations in different months
群体
Population月份
Month胴长与体质量关系
Mantle length-mass relationship样本数量
Number of samples判定系数R2
Coefficient of determinationP 东部群体
Eastern population5 m =1.9×10−3L2.295 7 394 0.670 6 0.001 6 m =1×10−5L3.160 1 456 0.973 8 0.001 西部群体
Western population7 m = 9×10−6L3.205 3 124 0.889 5 0.001 8 m = 2×10−5L3.090 9 283 0.934 5 0.001 9 m = 2×10−5L3.059 7 331 0.952 0 0.001 10 m = 1×10−5L3.178 3 165 0.972 8 0.001 11 m = 5×10−5L2.902 8 105 0.947 7 0.001
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表 4 不同性别东西部群体柔鱼胴长与体质量关系
Table 4 Mantle length-body mass relationship of O. bartramii of different sex for different populations
群体
Population性别
Sex胴长与体质量关系
Mantle length-mass relationship样本数量
Number of samples判定系数R2
Coefficient of determinationP 东部群体
Eastern population雌性 m=3×10−5L2.981 8 744 0.892 9 0.001 雄性 m=2×10−4L2.621 0 106 0.794 3 0.001 西部群体
Western population雌性 m=1×10−5L3.159 9 512 0.968 1 0.001 雄性 m =2×10−5L3.103 5 496 0.941 5 0.001
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