Cloning and expression analysis of SERCA gene of Sipunculus nudus in oocytes
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摘要: 细胞内钙离子 (Ca2+) 浓度的变化是介导卵母细胞成熟的重要因素。肌质网/内质网Ca2+-ATP酶 (Sarco/endoplasmic reticulum calcium adenosine triphosphatase, SERCA) 属P型ATP酶家族成员，是细胞内Ca2+转运的重要调控蛋白。前期转录组分析显示，光裸星虫 (Sipunculus nudus) SERCA (Sn-SERCA) 的表达量在卵母细胞发育过程中差异显著，为进一步研究SERCA在卵母细胞不同发育阶段中的作用，利用RACE技术得到Sn-SERCA cDNA全长，采用实时荧光定量PCR检测Sn-SERCA在各卵母细胞发育时期的相对表达量。结果表明，Sn-SERCA全长为3 840 bp，5'非编码区 (UTR) 为196 bp，3'UTR为581 bp，开放阅读框3 060 bp，编码1 020 个氨基酸，Sn-SERCA具有P型ATP酶家族进行催化反应所需的两个保守基序“TGES”和“DKTGT”。多序列比对、Motif分析及三级结构预测结果显示SERCA同源蛋白具有较高保守性。系统进化树分析表明Sn-SERCA与粉正蚓 (Lumbricus rubellus)、鸭嘴海豆芽 (Lingula anatine) 等无脊椎动物同源蛋白序列聚为一支。荧光定量结果显示：卵母细胞在体腔液中发育时，Sn-SERCA在卵黄旺盛合成后期高表达；当卵母细胞进入肾管后，Sn-SERCA的表达量大幅上升，显著高于其他时期 (P<0.05)。结合前期卵母细胞发育的超微结构观察，研究结果表明Sn-SERCA在光裸星虫卵母细胞的卵黄积累和生发泡破裂发生过程中起重要作用。Abstract: The change of intracellular calcium (Ca2+) concentration is an important factor in oocyte maturation. As a member of the P-type ATPase family and a crucial regulator of intracellular calcium transport, sarco/endoplasmic reticulum calcium adenosine triphosphatase (SERCA) is a key enzyme. To investigate the function of SERCA in the development of the oocytes of Sipunculus nudus, we obtained the full length of S. nudus SERCA (Sn-SERCA) cDNA by using RACE technique, and determined the Sn-SERCA relative expression level in different oocyte developmental periods by using real-time fluorescence quantitative PCR (qRT-PCR). The results indicate that the overall length of the Sn-SERCA was 3 840 bp, the 5'UTR was 196 bp, the 3'UTR was 581 bp, and the open reading frame was 3 060 bp, encoding 1 020 amino acids. Sn-SERCA had TGES and DKTGT which were the P-type ATPase family's two conserved motifs and were necessary for catalytic reactions. According to multiple sequence alignment, motif analysis, and predictions of tertiary structures, the SERCA homologous proteins exhibited great conservatism. The phylogenetic tree analysis shows that the Sn-SERCA formed a broad branch with homologous protein sequences from invertebrates such as Lumbricus rubellus and Lingula anatine. The result of qRT-PCR demonstrates that the Sn-SERCA was significantly expressed in the late yolk vigorous synthesis period and had the maximum value during coelomic fluid development. When the oocytes moved to the nephridioduct, the Sn-SERCA expression was considerably higher than that at other time (P<0.05). The variable expression of Sn-SERCA in different periods of oocyte development suggests that Sn-SERCA is crucial in the development and germinal vesicle breakdown in S. nudus oocytes.
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Keywords:
- Sipunculus nudus /
- SERCA gene /
- Oocytes /
- Expression analysis
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鲣 (Katsuwonus pelamis) 和黄鳍金枪鱼 (Thunnus albacores) 是金枪鱼围网渔业的主要目标鱼种，广泛分布于全球热带以及亚热带海域，其中中西太平洋渔获量约占各大洋金枪鱼总渔获量的一半以上，是国内外金枪鱼围网船队最重要的作业区域之一[1-3]。鉴于中西太平洋金枪鱼围网渔业的重要性，国内外学者对上述鱼种种群资源变动与环境的关系开展了广泛的研究[4-7]，普遍认为海表温度 (Sea surface temperature，SST) 是影响渔业资源时空分布最重要的环境因子：Mullen[8]认为海表温度是决定金枪鱼资源丰度和分布的主要因素；Lehodey等[9]认为金枪鱼围网鲣鱼渔场会随着中西太平洋“暖池”边缘29 ℃等温线沿赤道在东西方向上移动；黄易德[10]和李政纬[11]均以海表温作为单一环境因子对金枪鱼围网渔场变动进行了研究，认为海表温28~29 ℃可作为选择渔场的一项参考指标；胡奎伟等[12]发现鲣鱼资源量集中分布在海表温为28~30 ℃的水域。在中西太平洋，气候变化(如厄尔尼诺和拉尼娜现象)对海洋环境(如海表温、温跃层深度等)影响显著，是渔场位置变动的主要原因。周甦芳等[13]认为厄尔尼诺-南方涛动(El Niño Southern Oscillation，ENSO)对中西太平洋鲣鱼渔场的空间分布有显著影响，发生拉尼娜现象时渔场经度重心随“暖池”西移，厄尔尼诺现象发生时，渔场经度重心随着“暖池”东移；郭爱等[14]以年为单位研究了中西太平洋鲣鱼时空分布与ENSO事件的关系，发现高产区经度重心的变化较ENSO变化滞后一年。
金枪鱼围网渔业按目标鱼种集群属性分为自由鱼群和随附鱼群两大类，后者主要包括漂流物随附群和鲸豚随附群[15]。先前有研究通过对比两种集群类型对环境偏好特征，发现自由鱼群和随附鱼群的栖息地选择存在明显差异[16]。以往金枪鱼围网渔场变动研究中大多未将两种集群类型的鱼群分开[10-14]，一定程度上会造成对渔场变动与环境变化间关系把握不准确。在目前区域性渔业管理组织对人工集鱼装置 (Fishing aggregation devices，FADs) 管理愈加严格的背景下[17-19]，捕捞自由鱼群将是未来金枪鱼围网的主要作业方式，了解和掌握金枪鱼自由鱼群渔场变动规律具有重要的现实意义。
本研究以中西太平洋金枪鱼围网渔业中自由鱼群为研究对象，利用2013—2017年中国中西太平洋金枪鱼围网船队捕捞日志中自由鱼群产量数据，结合海表温度和南方涛动指数(South Oscillation Index，SOI)，以月为时间单位，采用1°×1°方格数据，探讨中西太平洋金枪鱼围网自由鱼群渔场重心变动与南方涛动指数间的关系，旨在为我国金枪鱼围网渔业企业合理安排生产提供依据。
1. 材料与方法
1.1 数据来源
渔业数据选取2013—2017年中国中西太平洋金枪鱼围网渔船队的生产数据(空间范围138.2°E—149.6°W，10.8°N—12.2°S)，包括按天统计作业日期、作业位置 (经度、纬度)、渔获种类以及单位网次渔获量 [CPUE (t·网−1)]，五年内针对自由鱼群作业情况见表1，渔获物主要由鲣 (78.39%)、黄鳍金枪鱼 (21.25%) 和大眼金枪鱼 (Thunnus obesus，0.36%) 组成。
表 1 2013—2017年中国中西太平洋金枪鱼围网船队捕捞自由鱼群的作业概况Table 1. Fishing status of tuna free-swimming school caught by Chinese purse seiner in Western and Central Pacific Ocean from 2013 to 2017年份
Year作业特征 Fishing characteristics 经度范围
Longitude range纬度范围
Latitude range投网次数
Set渔获产量
Catch/t2013 141.5°E—171.11°W 7.1°N—7°S 1 601 24 167.4 2014 147.02°E—170.59°W 6.9°N—9.8°S 1 271 21 450 2015 138.1°E—154.3°W 10.8°N—10.6°S 1 611 32 812 2016 141.43°E—149.58°W 7.9°N—8.7°S 1 600 31 873 2017 141.1°E—175.94°W 5.75°N—12.2°S 1 594 26 243.2 总计 Total − − 7 677 136 545.6 SST通过遥感卫星手段获取，数据来源于亚太数据研究中心 (Asia-Pacific Data-Research Center)，时间分辨率为月，空间分辨率为1°×1°。
SOI来自美国气候分析中心(American Climate Analysis Center)，SOI代表了ENSO现象的大气效应，有效地反映了太平洋东西两侧气压增强和减弱的演变情况。当SOI为正值时表明东南太平洋气压高于西太平洋和印度洋，代表拉尼娜现象的发生；反之，负值表明东南太平洋气压低于西太平洋和印度洋，代表厄尔尼诺现象的发生[20]。本研究采用数据时间范围为2013—2017年，时间分辨率为月。
1.2 数据处理与分析
对渔业数据进行预处理，首先对数据中偏离正常作业经度和纬度范围(12°N—12°S)的异常作业数据进行筛选并剔除。
1.2.1 自由鱼群渔场重心
本研究采用以月为时间单位，渔场重心计算公式[21]如下：
$$ {\rm GY}{_{m,y}} = \dfrac{{\displaystyle\sum \limits_{n = 1}^N {l_{ n}}{C_{n,m,y}}}}{{\displaystyle \sum \limits_{n = 1}^N {C_{n,m,y}}}} $$ (1) $$ {\rm GX}{_{m,y}} = \dfrac{{\displaystyle \sum \limits_{n = 1}^N {l_{ a}}{C_{n,m,y}}}}{{\displaystyle\sum \limits_{n = 1}^N {C_{n,m,y}}}} $$ (2) 其中GY为渔场重心经度，GX为渔场重心纬度，ln为作业位置经度，la为作业位置纬度，m为作业月份，y为作业年份，n为作业位置，
$ {{C_{n,m,y}}}$ 为y年m月在位置n的单位网次渔获量。1.2.2 统计分析方法
采用相关性分析判断SOI与渔场重心经度之间的相关关系，其中相关系数大于零时表示正相关，反之表示负相关。
2. 结果
2.1 自由鱼群渔场重心时空变动
2013—2017年我国船队在中西太平洋海域捕捞自由鱼群渔场重心变动情况见图1，渔场重心纬向的分布范围为155°E—178°W，其中160°E—175°W为主要分布海域，在沿纬度方向上重心位置变动范围较窄，仅介于4°N—5°S。从图1可见，渔场重心向西最远至155°E附近 (2013年4月)，向东最远至178°W附近 (2015年10月)。其中2013年在155°E—171°E；2014年在158°E—174°E；2015年在160°E—179°W；2016年在156°E—179°E；2017年在156°E—177°E。2013—2015年渔场重心有逐年向东转移的趋势 (2013年渔场重心经度均值为161.96°E，2014年渔场重心经度均值为166.84°E，2015年渔场重心经度均值为171.15°E)，2013年和2014年，相邻两个月间渔场重心在纬向上位移较小 (相邻两个月平均相距4°)，而2015和2016年渔场重心月间位移较大(相邻两个月平均相距5.2°)，未发现渔场重心存在明显的月间变化规律。
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图 1 2013—2017年中西太平洋金枪鱼自由鱼群渔场重心月间变化轨迹Figure 1. Monthly variation of of gravity center of tuna free-swimming school in Western and Central Pacific Ocean from 2013 to 20172.2 自由鱼群渔场重心和南方涛动指数变动的关系
2013—2017年我国金枪鱼围网船队在中西太平洋海域捕捞自由鱼群的渔场重心、渔获量时空分布与SOI的关系 (图2)，其中对SOI和月间渔场重心的经度之间进行相关性分析，结果表明两者之间呈显著负相关 (相关系数为−0.27，P<0.05)，当SOI为正值且数值越大时，自由鱼群渔场重心经度越小，即重心向西偏移；反之，当SOI为负值且数值越小时，渔场重心经度越大，重心沿赤道向东偏移。SOI在0附近波动时，自由鱼群渔场重心介于150°E—170°E往复摆动。此外，发现2015年下半年和2016年上半年，SOI为负值，渔获量高于其他年份，渔场重心向东偏移明显，最远至180°W附近，五年间，船队作业海域最东位于145°W附近，最西至140°E，且145°W—140°E附近海域每年均有生产作业。
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图 2 2013—2017年中西太平洋金枪鱼自由鱼群渔获量时空分布以及南方涛动指数与渔场重心变化Figure 2. Spatio-temporal distribution of catch, Southern Oscillation Index and fishing ground gravity center shift of tuna free-swimming school in Western and Central Pacific Ocean from 2013 to 2017此外，对南方涛动指数变化和渔场重心经度变动进行交叉相关分析，结果显示，南方涛动指数变化一个月后，渔场重心经度产生显著变动 (图3)，即渔场重心经度变动相对南方涛动指数变动滞后时间为一个月。
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图 3 南方涛动指数与渔场重心经度交叉相关分析Figure 3. Cross-correlation analysis between Southern Oscillation Index and longitude of fishing ground gravity2.3 正常年份和异常年份期间渔获量与海表面温度关系
2013—2017年，SOI最大 (对应2013年6月拉尼娜现象)、最小 (对应2015年8月厄尔尼诺现象) 以及在0附近波动 (对应2017年1月正常气候状况) 三个特殊月份自由鱼群渔场位置、作业产量、以及SST 的空间分布见图4。SOI在0附近波动时 (图4-a)，渔获量较高海域的SST略高于30 ℃，“暖池”边缘和“冷舌”边缘间存在密集等温线；SOI最大时“暖池”较正常年份向西偏移 (图4-b)，自由鱼群高产区域明显沿“暖池”边缘向西偏移，渔获量较高海域的SST介于29~30 ℃；SOI最小时，“暖池”沿赤道方向向东偏移 (图4-c)，捕捞自由鱼群渔获量较高作业区域也随之向东偏移，渔获量较高海域的SST介于29~30 ℃，且基本上集中在29.5 ℃等温线上或附近海域。
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图 4 不同南方涛动指数下自由鱼群捕捞位置及产量分布a. 南方涛动指数在0附近时 (2017年1月)；b. 南方涛动指数为最大值时 (2013年6月)；c.南方涛动指数最小值时 (2015年8月)Figure 4. Fishing position and yield distribution of free-swimming school with different Southern Oscillation Indexa. SOI was about 0 (January 2017); b. SOI was maximum (June 2013); c. SOI was maximum (August 2015)3. 讨论
3.1 自由鱼群渔场重心位置变动
本研究根据2013—2017年中国中西太平洋金枪鱼围网船队捕捞自由鱼群的生产数据分析了五年间渔场重心变动情况，结果显示自由鱼群渔场重心集中分布在160°E—175°E(图1)，唐峰华等[21]采用多个海洋环境因子分析认为中西太平洋金枪鱼围网中心渔场位于150°E—165°E。本研究结果中渔场重心分布整体偏东5个经度。此外，汪金涛和陈新军[22]发现在经度方向上每年12月至翌年4月中西太平洋鲣鱼渔场重心相对集中，类似现象在本研究中并不明显。另外，陈世泳[23]研究发现，每年上半年，中西太平洋鲣鱼渔场重心一般分布在当年作业海域的西侧，本研究中渔场重心变化情况与其研究结果存在明显差别。
造成本研究结果和先前研究结果存在差别的原因可能是：1)唐峰华等[21]的研究仅采用单一公司的捕捞数据，其作业范围会小于整个中国船队的作业范围；而汪金涛和陈新军[22]的研究使用整个中西太平洋围网船队的数据，陈世泳[23]的研究使用中国台湾省围网船队的作业数据，其作业范围远大于大陆船队，因此本研究使用的生产数据能够最为准确的反映我国船队捕捞自由鱼群渔场重心的分布范围；2)各研究年份存在差异，先前有关研究的数据源于1990—2012年，本研究的数据年份为2013—2017年，不同年份可能处于不同的ENSO事件周期或某一个阶段，导致鱼群分布具有显著差异。另外，自1990年以来，中西太平洋海域围网船队技术不断变革(如船舶吨位的显著增加、直升机的普遍应用、喷水集鱼小艇的使用等)，技术的发展也将导致围网作业海域发生潜在变化；3)本研究对围网渔获物按照集群类型进行了细致划分，Wang等[24]发现自由状态下聚集的金枪鱼鱼群比聚集在漂流随附物下的鱼群对海洋环境的变化要更敏感，在相同厄尔尼诺时期捕捞这两种鱼群的渔场重心可能会相差上千公里，另外Druon等[16]通过研究自由鱼群和随附鱼群对栖息地选择的差异，发现自由鱼群所处栖息地环境质量比随附鱼群更好。因此，研究中不区分集群类型是不能准确地呈现渔场重心变动与海洋环境之间的关系。采用整个中国金枪鱼围网船队捕捞自由鱼群的资料来研究金枪鱼自由鱼群渔场变动与海洋环境变化的关系是本研究的一个重要特点。
3.2 渔场重心与南方涛动指数的关系
本研究发现南方涛动指数变动与中西太平洋自由鱼群渔场重心位置变化存在着密切的联系 (图2)。以正常年份即SOI在0附近波动时作为参照，当SOI小于0时，自由鱼群渔场重心存在较明显向东移动的趋势；当SOI大于0时，渔场重心明显向西偏移。已有研究表明，厄尔尼诺现象发生时渔场通常向东偏移；反之，拉尼娜现象产生时，渔场通常向西偏移[4, 9, 13]。本研究中SOI为负值时的渔场变动情况和厄尔尼诺现象产生时渔场变动情况相似；SOI为正值时的渔场变动情况和拉尼娜现象产生时的渔场重心位置变动情况相似。这是因为在通常情况下，中西太平洋“冷舌”海域初级生产力较高，西太平洋主要存在大气对流区，初级生产力普遍较低。赤道辐散造成浮游群落在经向和纬向产生空间变动，发生厄尔尼诺现象时，“暖池”东移，大量的饵料生物聚集在“冷舌”和“暖池”交汇处，该区域也被称之为“暖池-冷舌海洋生态系统”[25-27]，为金枪鱼的生长和聚集提供了适宜的环境，是鲣鱼和黄鳍金枪鱼良好的索饵场[28]，发生拉尼娜现象时，“暖池”西移，鱼群聚集位置也随之向西偏移。可见，渔场变动和气候变化两者间的联系密切[29]。
3.3 渔获产量与SST及SOI的关系
鱼群的聚集和生长受SST的影响显著[9-12]，本研究发现捕捞金枪鱼自由鱼群渔获产量与海SST变化联系密切，郭爱等[14]研究发现中西太平洋鲣鱼围网产量较高区域主要分布在SST 28~30 ℃的水域，尤其以29~30 ℃为主；唐浩等[30]发现该海域鲣鱼适宜的SST为28~30 ℃。本研究选取在2013—2017年五年间，SOI最大、最小和SOI在0附近波动时3个反应气候变化特定月份的单位网次渔获量，结合海表温度，分析各月单位网次渔获量较高作业海域和SST之间的关系，得出SOI在0附近时，自由鱼群单位网次渔获量较高作业海域SST高于30 ℃ (图4)，SOI最大和最小时，单位网次渔获量较高作业海域海表温度介于29~30 ℃，且一般集中在海表温在29.5 ℃等温线附近，研究结果与郭爱等[14]和唐浩等[30]的结果存在一定差别，造成该结果的主要原因可能是由于金枪鱼自由鱼群对SST变化表现更敏感[21]，自由状态下聚集的鱼群所处环境温度略高于鱼群随附漂流物时所处环境温度，因此导致本研究结果略高于以往研究结果[14, 29]。
此外，本研究还发现在2015年下半年和2016年上半年中国围网船队单位网次渔获量明显高于剩余年份 (图2)，有研究表明，在厄尔尼诺现象发生后不久，大眼金枪鱼和黄鳍金枪鱼的捕捞条件优于正常年份[31]，由于本研究所采用数据的时间序列有限，出现持续较长时间SOI为负值是否对渔获产量有影响还需在今后研究中进一步验证，以便提高对渔场变动预测的准确性。
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图 1 光裸星虫卵母细胞各时期总RNA和cDNA琼脂糖凝胶电泳图
Figure 1. Agarose gel electrophoresis diagram of total RNA and cDNA from oocytes of S. nudus
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图 2 Sn-SERCA cDNA序列全长及推导的氨基酸序列
Figure 2. Full length and deduced amino acid sequence of Sn-SERCA cDNA sequence
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图 5 光裸星虫 (a)、粉正蚓 (b)、鸭嘴海豆芽 (c) 和加州海兔 (d) SERCA蛋白三级结构
Figure 5. Tertiary structure of protein of SERCA of S. nudus (a), L. rubellus (b), L. anatina (c) and A. californica (d)
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图 6 SERCA同源氨基酸序列多序列比对
Figure 6. Multiple sequence alignment of SERCA homologous protein
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图 9 光裸星虫各发育时期卵母细胞中Sn-SERCA的相对表达量
Figure 9. Relative expression of Sn-SERCA in different developmental periods of oocytes
表 1 Sn-SERCA基因克隆及实时荧光定量引物序列
Table 1 Primer sequence used in gene cloning and qRT-PCR of Sn-SERCA gene
引物Primer 序列 (5'—3')Sequence (5'–3') 用途Function 5'-outer GTCTGCTGGAACCTTGTC 5'RACE 5'-inner CTGCCATACTCCAACAACT 5'RACE 3'-outer CAACTCAACTACTACCAACTG 3'RACE 3'-inner GTCACTTCTTGTCTCCTCAT 3'RACE M13-F CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGAC 菌落PCR M13-R AGCGGATAACAATTTCACACAGGA 菌落PCR qRT-PCR-S TGCCTTGTAGCCTCCTTCC qRT-PCR qRT-PCR-A ACTGTCCTCATCTTCCATTGTG qRT-PCR 60SL7-S CAGGCTAACAACTTCTTATGG qRT-PCR (内参) 60SL7-A TGGCTTGACAGATAACACTT qRT-PCR (内参) 
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表 2 Sn-SERCA序列分析所用软件及在线工具
Table 2 Software and online tool for sequence analysis of Sn-SERCA
名称Name 网址Website 用途Function DNAMAN 8 拼接测序结果及多序列比对 ORF Finder https://www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder 预测ORF及氨基酸序列 ProtParam https://web.expasy.org/protparam 预测蛋白的理化性质 NCBI Blast https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi 搜索同源蛋白 SMART http://smart.embl-heidelberg.de 预测保守结构域 SOPMA https://npsa-prabi.ibcp.fr/NPSA/npsa_sopma.html 预测蛋白二级结构 phyre2 http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi?id=index 预测蛋白三级结构 MEME Suit http://meme-suite.org/index.html Motif 搜索
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