甘肃省三条内流河水系鱼类系统发育群落结构及其构建机制研究

娄晋铭，杨婷越，王太，高坚

(1.华中农业大学水产学院，湖北 武汉 430070；2.中国科学院水生生物研究所，水生生物多样性与保护重点实验室，湖北 武汉430072；3.甘肃省水产研究所，甘肃省冷水性鱼类种质资源与遗传育种重点实验室，甘肃 兰州 730030)

0 引言

群落的物种组成以及群落结构的形成机制是生态学研究的重要议题之一.近年来，许多有关群落形成机制的理论被提出[1-3]，而现代生态学将群落的形成机制归纳为3种类型：中性作用、竞争作用和环境过滤作用[4-6].Hubbell[6]提出的中性理论认为构成群落的物种是随机组成的，物种间不表现为规律性的关联，群落的结构是中性的.竞争作用认为构成群落的物种之间具有强烈的竞争，导致生态位的分离，构成群落的物种表现为特征的分异(overdispersion).环境过滤作用(filtering)认为由于环境条件的独特性，致使仅有适应该条件的物种才能存在，构成群落的物种具有相似的适应特征，即特征收敛(underdispersion).

群落系统发育(community phylogeny)研究将系统发育分析的方法运用到群落生态学中，利用群落内物种的系统发育状况来推测历史因素对现有群落的影响，通过分析群落内物种间的亲缘关系探究影响群落构建的主要原因[7-8].系统发育群落结构(phylogenetic community structure)分析认为，与亲缘关系远的物种相比，近缘物种具有较大的相似度；组成群落的物种如果是近缘种，物种竞争作用弱，群落受到生境过滤的作用筛选出独特的适应特征，成为群落构成的基础；如果组成群落的物种为远缘物种，则群落物种的竞争激烈，群落的构成表现为竞争作用和生态位的分化[8].系统发育群落结构分析是群落共存机制研究的一个重大突破，使得该领域的研究非常活跃.同时，相关软件的开发，也促进了该方法的普及[9-10].

河流鱼类群落构建机制研究，不仅有助于河流生态系统的保护，实现资源的可持续利用，同时也可以发展和检验生态学中物种共存的理论和假说，促进生态科学的发展.但与国际上蓬勃发展的河流鱼类群落生态研究相比，我国河流鱼类群落生态研究极其匮乏.我国河流鱼类种类丰富，不同地区鱼类群落结构极具特色，这为我们研究群落生态学的科学问题提供了丰富的材料.

1 材料与方法

1.1 研究区域本研究在甘肃省三条内流河共设立10个采样点，其中疏勒河支流设置4个采样点，黑河干流及支流设置3个采样点，石羊河干流及支流设置3个采样点(图1).于2012年6-9月进行采样调查，采用定置刺网、地笼、电捕机等捕捞工具实地捕捞，采集后记录采样点不同种鱼类的生物学数据，并用GPS定位系统测定各点的经度、纬度和海拔.样品的鉴定参照《中国动物志·硬骨鱼纲·鲤形目(中卷)》(陈宜瑜等，1998)、《中国动物志·硬骨鱼纲·鲤形目(下卷)》(乐佩琦等，2000)、《中国动物志·硬骨鱼纲·鲇形目》(褚新洛等，1999)[17-19].采集鱼类标本时对于规格较大的鱼类，采取剪下部分尾鳍及少量背部肌肉固定于95%酒精中，剩余部分固定于10%的福尔马林溶液中浸泡，对规格较小的鱼类直接采取整条浸泡于95%酒精中.

图1 甘肃省三条内流河流域鱼类采样点分布

1.2 鱼类基因组DNA的提取及PCR扩增、测序本研究选用高盐浓度抽提法提取基因组DNA.COI基因的PCR扩增体系总体积为30 μL，其中包括双蒸水20.1 μL，10x PCR缓冲液(含MgCl2)3.0 μL，dNTPs (2.5 mmol/L each)2.4 μL，Taq DNA酶(2.5 U/mL, TaKaRa Bio) 0.3 μL，正反向引物各1.2 μL，DNA模板1.8 μL.PCR扩增条件为：94 ℃预变性5 min，94 ℃变性30 s，53 ℃退火30 s，72 ℃延伸60 s，扩增30个循环，72 ℃终延伸10 min.扩增mtDNA COI序列的引物：Fish F1-5′TCAACCAACCACAAAGACATTGGCAC3′，Fish R1-5′TAGACTTCTGGGTGGCCAAAGAATCA3′[20].扩增产物经1%琼脂糖凝胶电泳检测，产物送商业公司纯化并单向测序，测序引物为扩增引物.

1.3 DNA序列数据分析DNA序列的比对(alignment)使用Clustal X软件(Thompson et al.，1997)，使用默认的参数设置，并在SEAVIEW程序(Galtier et al.，1996)中辅以手工校正.

1.4 系统发育树的构建利用MEGA6.0软件基于Kimura 2-papamter模型计算物种间遗传距离，并采用邻接法(Neighbor-joining, NJ)构建分子系统发育树.系统树各分支的置信度采用自引导(Bootstrap)以1 000次重复抽样进行检验.

1.5 系统发育指数计算及群落构建机制分析本研究使用净亲缘关系指数(net relatedness index，NRI)推测三条内流河鱼类群落系统发育结构.净亲缘关系指数(NRI)是指群落内实际得到的所有物种平均成对系统发育距离(MPDobs)相对于零模型(null model)随机值(MPDnull)的标准化效应值(standardized effect size)[8].NRI是表示群落中所有物种两两系统发育距离的平均值，其计算结果通过R软件中的picante软件包实现.其计算公式如下：

(1)

其中，MPDobs代表基于系统发育树枝长距离矩阵平均成对分类系统发育距离的观察值，mean(MPDnull)是系统发育树上物种随机分配(taxa shuffle)运行999次进行1 000次迭代产生的每个群落999个随机MPD值的平均值，SD(MPDnull)则是这些随机值的标准差[21].本研究零模型选用限制性独立交换算法(Independent swap).NRI>0，物种在系统发育结构上聚集，组成群落的是近缘种，群落的构成主要受到生境筛选过滤作用；NRI<0，物种在系统发育结构上发散，组成群落的是远缘种，群落的构成表现为竞争作用和生态位的分化[21].

2 结果

2.1 甘肃省三条内流河鱼类物种组成与分布本研究在甘肃省三条内流河共采集到鱼类15种，隶属于3目4科11属，其中以鲤形目为主，共13种，鲈形目1种，鲇形目1种(表1).疏勒河水系共采集到11个物种，其中鲤形目10种，鲈形目1种.黑河水系共采集到11个物种，其中鲤形目10种，鲈形目1种.石羊河水系共采集到10个物种，其中鲤形目8种，鲈形目1种，鲇形目1种.

表1 甘肃省三条内流河鱼类物种组成

“+”代表采集到的物种

2.2 系统发育群落结构甘肃省三条内流河15个物种基于线粒体COI序列构建的甘肃省三条内流河鱼类物种NJ系统发育树(图2).

图2 基于线粒体COI序列构建的甘肃省三条内流河鱼类物种NJ系统发育

甘肃省三条内流河鱼类群落系统发育结构如图2所示，三条水系各自有一个采样点净亲缘关系指数(NRI)大于0，采样点的系统发育群落结构与随机群落相比更为聚集；疏勒河一个采样点NRI经计算后为无效值，其余各采样点NRI小于0，系统发育群落结构与随机群落相比更为发散，详见表2.

表2 甘肃省三条内流河鱼类平均成对系统发育距离(MPD)和净亲缘关系指数(NRI)

疏勒河4个采样点中敦煌市党河水库①采样点仅采集到忽吉图高原鳅1个物种，无法构成群落，净亲缘关系指数(NRI)计算结果为无效值；敦煌市肃北蒙古族自治县②该采样点党河为疏勒河一级支流，瓜州县③采样点为疏勒河支流，两个采样点NRI<0，群落系统发育结构表现为发散；玉门市双塔水库④采样点NRI>0，群落系统发育结构表现为聚集.黑河3个采样点中，张掖市临泽县⑥采样点位于黑河干流中下游，酒泉市肃州区⑤采样点位于黑河支流，两个采样点NRI<0，群落系统发育结构表现为发散；张掖市肃南裕固族自治县⑦采样点NRI>0，群落系统发育结构表现为聚集.石羊河水系三个采样点中武威市民勤县重兴镇⑨，金昌市永昌县⑧2个采样点NRI<0，群落系统发育结构表现为发散；而武威市古浪县⑩采样点NRI>0，系统发育群落结构表现为聚集.

3 讨论

3.1 甘肃省三条内流河水系鱼类群落物种组成

3.1.1 疏勒河水系鱼类群落物种组成 疏勒河流域是甘肃省内降水量最少的地区，也是全国范围内降水最少的地区之一，该流域的降水量由山区到平原急剧减少[22].河流全流域气候较恶劣，属于干旱气候地区，上游属于高寒半干旱区，降水极少[14-15].径流的补给来源主要是降水，兼有冰川融水，在径流途中，水源一部分引入绿洲，一部分自然蒸发，剩余部分流入盆地或湖泊而被完全蒸发消耗[16].该流域鱼类组成较为简单，共采集到11个物种，其中鲈形目(Perciformes)鰕虎鱼科(Gobiidae)吻鰕虎鱼属(Rhinogobius)1种，其余均为鲤形目(Cypriniformes)，包括鳅科(Cobitidae)高原鳅属(Triplophysa)4种，泥鳅属(Misgurnus)1种；鲤科(Cyprinidae)裸鲤属(Gymnocypris)1种，棒花鱼属(Abbottina)1种，麦穗鱼属(Pseudorasbora) 1种，马口鱼属(Opsariichthys)1种，鲫属(Carassius)1种.

3.1.2 黑河水系鱼类群落物种组成 黑河流域存在严重的生态问题，上游地区冰川面积减少、冰川末端退缩、生物多样性降低，中游地区水污染严重，土地沙漠化、盐碱化，下游地区生态环境问题最为严重，体现在在终端湖泊消失，土地沙漠化速度加快，水环境的恶化使得水生生物物种数量减少[13].该流域共采集到11个物种，其中鲈形目(Perciformes)鰕虎鱼科(Gobiidae)吻鰕虎鱼属(Rhinogobius)1种，其余均为鲤形目(Cypriniformes)，包括鳅科(Cobitidae)高原鳅属(Triplophysa)4种；鲤科(Cyprinidae)裸鲤属(Gymnocypris)1种，棒花鱼属(Abbottina)1种，麦穗鱼属(Pseudorasbora) 1种，鰟鮍属(Rhodeus)1种，马口鱼属(Opsariichthys)1种，鲫属(Carassius)1种.

3.1.3 石羊河水系鱼类群落物种组成 石羊河流域位于河西走廊东部，地势从南到北海拔急速下降，南部为青藏高原，北部与地势较低的内蒙古沙漠地带相连，该流域为大陆型温带干旱气候，温差较大，河流蒸发量大，降水量少，近些年来气候变化与人类活动双重干扰下使得流域环境恶化，生物资源量降低，鱼类群落组成发生变化[23].流域共采集到10个物种，其中鲈形目(Perciformes)鰕虎鱼科(Gobiidae)吻鰕虎鱼属(Rhinogobius)1种；鲇形目(Siluriformes)鲇科(Siluridae)鲇属(Silurus)1种，其余8种均为鲤形目(Cypriniformes)，包括鳅科(Cobitidae)高原鳅属(Triplophysa)3种，泥鳅属(Misgurnus)1种；鲤科(Cyprinidae)裸鲤属(Gymnocypris)1种，棒花鱼属(Abbottina)1种，鱥属(Phoxinus)1种，鲫属(Carassius)1种.

3.2 甘肃省三条内流河水系鱼类群落系统发育结构

3.2.1 疏勒河水系鱼类群落系统发育结构 疏勒河水系4个采样点中，敦煌市肃北蒙古族自治县鱼类群落系统发育结构发散，该位点仅采集到武威高原鳅、泥鳅两个物种，结果表明二者间的竞争排斥作用主导该位点的群落构建.从食性来看，它们都是以无脊椎动物为食，表现了较强的竞争作用.瓜州县鱼类群落系统发育结构发散，该位点仅采集到褐吻鰕虎鱼、马口鱼2种鱼类，结果表明二者间的竞争排斥作用主导群落构建.从食性来看，它们均为肉食性鱼类，以水生昆虫、甲壳动物等为食，表现了较强的竞争作用.玉门市双塔水库鱼类群落系统发育结构聚集，该采样点采集到的物种明显多于疏勒河水系其他3个采样点的物种，共采集到9个物种，环境过滤作用主导该位点群落构建，反映出该地区的鱼类对水库特殊环境的适应.该位点双塔水库是以灌溉为主养殖和经营为辅的平原型水库.水库是人为干扰产生的独特的环境，其水体环境及水生生物资源优于自然环境下的河流，结果表明水库受到的人为干扰(非破坏性干扰)作为一种环境过滤作用促使群落系统发育聚集[24-25].

3.2.2 黑河水系鱼类群落系统发育结构 黑河水系3个采样点中，张掖市临泽县鱼类群落系统发育结构发散，该采样点位于黑河中游，鱼类区系组成简单，共采集鱼类9种.酒泉市肃州区(5)鱼类群落系统发育结构发散，该采样点位于黑河上游的支流，采集到的物种数仅次于张掖市临泽县，种类为5种，这5种鱼类食性重叠，存在竞争.两个采样点均为竞争作用主导群落构建.而张掖市肃南裕固族自治县(7)采样点鱼类群落系统发育结构聚集，仅采集到3种鱼类，环境过滤作用主导该地区鱼类群落构建.该位点位于河西走廊中段，海拔在2 000 m左右，属于高寒环境，结果表明裸鲤属(祁连裸鲤)及高原鳅属(武威高原鳅、长身高原鳅)鱼类对本地区高寒环境的适应使得高寒环境作为该地区鱼类群落形成的一个机制.

3.2.3 石羊河水系鱼类群落系统发育结构 石羊河水系3个采样点中，武威市民勤县重兴镇鱼类群落系统发育结构发散，该采样点为石羊河中游，海拔为1 000 m左右，采集到鱼类6种，高于流域其他2个采样点.金昌市永昌县鱼类群落系统发育结构发散，该采样点位于石羊河上游的支流金川河，海拔约为1 900 m左右，仅采集到3种鱼类，包括祁连裸鲤、武威高原鳅、拉氏鱥.结果显示出两个采样点均为竞争作用主导群落构建.从食性来看，两个采样点的鱼类均为杂食性，食物资源存在重叠，表现了较强的竞争作用.武威市古浪县采样点鱼类群落系统发育结构聚集，仅采集到4种鱼类，结果表明环境过滤作用主导该地区鱼类群落构建.该采样点海拔为2 400 m左右，属于高寒山区气候，反映出高寒环境对物种具有过滤作用，使得该位点以适应高海拔环境的裸鲤属(祁连裸鲤)及高原鳅属(武威高原鳅、甘肃高原鳅、斯氏高原鳅)构成本地区鱼类，主导该位点群落构建.石羊河流域三个采样点自南向北海拔逐渐降低，鱼类群落系统发育结构由发散变为聚集.

总之，本研究10个采样点中3个采样点鱼类群落系统发育结构表现为聚集，环境过滤作用主导群落构建，其中2个采样点位于内陆河的支流，高海拔高寒等极端环境促使采样点鱼类群落系统发育结构聚集；1个采样点较为特殊，为人工水库，人为干扰产生的独特环境使得鱼类群落系统发育结构同样表现为聚集，该现象值得深入讨论，同时也为日后探究水库等人为干扰的特殊环境下鱼类群落系统发育结构提供资料和例证.剩余7个采样点中，1个采样点仅采集到1个物种，无群落系统发育结构，其余6个采样点鱼类群落系统发育结构发散，物种间竞争作用主导群落构建.

近些年来，人为活动干扰、自然环境条件的改变如全球气候变化使得甘肃省三条内流河环境脆弱，鱼类种质资源下降，区系组成简单.本研究中6个采样点群落构成机制主要是竞争作用，未来我们应加强对本地区鱼类物种的保护，防止外来物种入侵，注意维护该地区鱼类群落的稳定性，避免破坏当地鱼类群落稳定性.3个采样点环境过滤作用作为群落构建机制，表现出鱼类群落对极端环境的适应，未来我们应增强对极端地理环境的保护，从而相应地保护适应这些环境的鱼类.

致谢：感谢中国科学院水生生物研究所刘焕章研究员对数据分析及文章撰写提供帮助.