常见基因序列在鱼类系统发育研究中的应用

黄鑫，余海军，王茜

常见基因序列在鱼类系统发育研究中的应用

黄鑫，余海军，王茜通信作者

（天津农学院 水产学院，天津 300392）

本文通过总结细胞色素C氧化酶亚基I（）、细胞色素C氧化酶亚基II（）、、、线粒体细胞色素b基因（）、线粒体基因组、内部转录间隔区（）以及在鱼类系统发育中的相关文献，探究常用基因序列在鱼类系统发育研究中的应用情况。

鱼类；系统发育；基因序列；分子标记

鱼类是一类广泛分布于全球各种水体中的低等脊椎动物，已发现的鱼类现存量丰富，仅Fish Base（世界鱼类数据库）就录入了528个科31 542种鱼类[1]。近年来，随着分子生物技术不断发展，分子系统学在鱼类系统学领域也得到了广泛应用。分子系统学是通过检测DNA、蛋白质等生物大分子中的遗传信息，描述并分析这些信息在分类鉴定、系统发育以及生物进化上的意义，从而在分子水平上解释生物多样性、系统发育及进化规律的一门学科[2]。在鱼类中，由于种群数量大且不同类群存在杂交、变异及传统分类学不明确鉴定而导致其在系统发育分类地位中产生分歧等，现相关研究者尝试将不同基因序列作为分子标记来对鱼类系统发育关系进行分析，对其分类地位的研究做进一步完善。本文通过对常用基因序列在鱼类系统发育研究中的应用进展做相关归纳总结，为以后鱼类的系统发育研究提供一定的参考。

1 常用线粒体基因在鱼类分子系统学上的应用

线粒体DNA是一种共价闭合环状的双链DNA分子，是细胞核外具自主复制、转录和翻译能力的遗传因子[3]。线粒体基因具有结构简单，分子量小，易拷贝，严格遵守母系遗传，一般无重组，编码效率高等特点[4]。因此，线粒体DNA在研究鱼类系统进化关系中应用较广泛。

1.1 细胞色素C氧化酶亚基I（COI）

细胞色素氧化酶是由线粒体基因编码的蛋白之一，由3个基因（、和）编码的3个亚基构成，、通常广泛应用于系统发育分析。由于鱼类形态特征、变异、杂交、环境变化等原因，其在传统的分类鉴别及系统发育研究中存在一定的模糊性，如同物异名，而基因具有种间距离明显大于种内遗传距离的特点，可以作为标记基因，较好地解决这一问题[5]。宋超 等[6]基于线粒体基因部分序列对长江口舌鳎 科（Cynoglossidae）2属9种39个线粒体基因序列进行系统发育研究，结果表明：紫斑舌鳎（）与短吻三线舌鳎（）种间遗传距离仅为0.002，小于HEBERT等[7]推荐的物种鉴定最小种间遗传距离为0.020的标准，因此两者存在同物异名；短吻红舌鳎i）与长吻红舌鳎（）种间遗传距离为0.007，故也可认定为同物异名。事实上，形态学的分类鉴定一直受到同物异名或歧义鉴定等问题的影响，通过线粒体基因作为分子标记手段可以辅助形态学的验证，也可以为系统发育提供参考。肖家光等[8]基于线粒体基因对7种中国鱚属（）鱼类分子系统进行发育分析，显示中国鱚（）、邵氏鱚（）、少鳞鱚（）聚在一起，而形态相似的中国鱚和多鳞鱚（）亲缘关系较远，这与传统形态学分类的结果并不一致；苏国茂等[9]通过测定7种鯻科（Teraponidae）鱼类的线粒体基因的部分序列，对我国鯻科鱼类进行了系统发育分析，采用最大似然法构建的系统发育树显示，四线列牙鯻（）与叉牙鯻（）形成姐妹分支，两者具有非常近的亲缘关系，现在许多资料也倾向于此观点，将叉牙属（）归为列牙属（）[10]；张顺等[11]对弹涂鱼属（）进行系统进化关系的研究，结果显示：齿弹涂鱼属（）镶嵌于弹涂鱼属（）内，青弹涂鱼属（）与大弹涂鱼属（）互为姐妹群，与YOU等[12]通过基因组全序列的研究结果相一致；同时验证了线粒体基因适用于低级分类阶元的系统进化分析。根据以上文献的研究，不难看出，线粒体基因适合研究鱼类属、种及种以下阶元的系统发育关系。

由于线粒体基因易被引物扩增，具有高突变率，所以常选取线粒体基因作为DNA条形码分子标记基因。DNA条形码是通过使用一段较短且标准的线粒体基因序列，对目的基因进行扩增，从而对物种进行鉴定[13]。自2003年加拿大学者Hebert提出DNA条形码概念后，有不少学者都选取部分基因作为DNA条形码片段，在鱼类的物种鉴定中得到快速发展。张稚兰等[14]对DNA条形码技术在蛇鳗科（Ophichthidae）鱼类分类鉴定的适应性进行了研究，表明线粒体基因序列可以作为蛇鳗科鱼类分类鉴定的有效DNA条形码；柳淑芳等[15]利用DNA条形码，分析了其在石首鱼科（Sciaenidae）鱼类系统分类中的应用，结果显示，线粒体基因条形码能对石首鱼科鱼类在种间进行有效区分；梁宏伟等[16]利用线粒体基因对鲿科（Bagridae）鱼类进行物种鉴定，验证了线粒体基因序列能够对鲿科鱼类进行有效的物种鉴定。综上，DNA条形码可以在多种鱼类中进行鉴定，为研究保护鱼类资源及鱼类种群的多样性奠定基础。

1.2 细胞色素C氧化酶亚基II（COII）

一般认为线粒体基因是细胞色素氧化酶C各个基因中进化速率较快的一个基因，也可以作为标记基因对鱼类进行系统发育关系的分析研究。陈莹莹等[17]基于线粒体分析了鮸鱼（）的系统发育地位，结果显示：鮸鱼与黄唇鱼（）的亲缘关系较近，二者聚为一个小簇，序列比对显示其氨基酸序列同源性为97.4%，因此推测二者可能起源于共同的祖先。龚小玲等[18]利用线粒体基因序列对鳗鲡属（）内6种鱼类进行分析，NJ树结果显示，除欧洲鳗鲡（）形成单系的节点支持率为87%外，其他均达99%以上；因此说明线粒体基因虽然在个别种类中支持率稍低，但仍可以作为鳗鲡属鱼类分类的有效基因。对以上结果进行分析，线粒体基因适用于属内及以下阶元的系统发育关系研究。

1.3 16S rDNA和12S rDNA

线粒体核糖体基因和的进化速度较慢，适合于亲缘关系较远的物种间的研究[19]。秦钦等[20]基于长江下游4属6种鲿科（Bagridae）鱼类线粒体部分序列，探讨了其分子系统的进化关系，结果表明，鲿科鱼类属间界点的置信值以及聚类情况较为稳定，研究结果支持线粒体基因适用于鲿科属间分类阶元的系统进化分析。丁少雄等[21]对石斑鱼亚科（Epinephelinae）6属30个种类的线粒体基因片段序列分析并构建系统进化树，MP树结果显示：石斑鱼属（）内部存在两个平行进化的姐妹分支（97%置信度），其中电纹石斑鱼（）、小点石斑鱼（）、镶点石斑鱼（）和双棘石斑鱼（）聚为一群，石斑鱼属内的其他种类与驼背鲈（）、宽额鲈（）聚为另一群；分支内部的种类组成与地理分布无关，暗示了石斑鱼属早期的分化模式。辛俭等[22]对中国近海黄姑鱼属（）的基因序列进行比较，结果显示：日本黄姑鱼（）和鮸状黄姑鱼（）与黄姑鱼（）间存在较大的遗传分化，它们之间的亲缘关系已经超过了同属内其他物种的遗传分化水平，该研究结果支持黄姑鱼属不包括日本黄姑鱼和鮸状黄姑鱼的遗传观点，这在一定程度上，说明了能够适用于分析鱼类属间的亲缘关系。李云臻等[23]研究和部分序列对5种鲃亚科（Barbinae）鱼类分子系统发育情况，其结果佐证了鲃亚科鱼类不为单系群；四须鲃属（）不是鲃亚科鱼类进化中最原始的属，为之前存在的一些争议提供了可靠的科学依据。与此同时，该研究结果表明基因除了可以研究鱼类系统发育关系外，还可以对其传统的观点进行补充和说明。SANDRA等[24]运用形态学和、、基因序列分析相结合的方法对阿根廷MarChiquita湖一种未定种鲻鱼进行了分析，研究证实这种鲻鱼为库里玛鲻（）的白化种。

1.4 线粒体细胞色素b基因（Cytb）

线粒体细胞色素b（）基因被认为是系统进化和分类研究的良好指标。由于具有较强的适用性，基因已经广泛应用于不同鱼类系统发育的研究[25]。牟希东等[26]研究了基因序列对骨舌鱼科（Osteoglossidae）鱼类的分子系统发育情况，研究结果显示，美丽硬骨仆骨舌鱼（）中的金龙（）、红龙（）和青龙（）的基因的碱基差异小于1%，表明这3种龙鱼在同一种的水平上。陈善元等[27]基于基因对6种鲃亚科鱼类构建了3种系统发育树（NJ树、MP树、ML树），分析结果显示：NJ树的结果与传统观点认为的四须鲃属是整个鲃亚科中较早分化的类群相一致，但MP树和ML树的结果与传统观点并不一致，因此，可以再对比其他基因序列来验证此传统观点。庄轩等[28]对中国近海石斑鱼亚科鱼类的基因进行分析并构建系统发育树，结果显示，点带石斑鱼（）与斜带石斑鱼（）的种间核苷酸差异度为5.6%，高于其他近缘种的石斑鱼，因此认为点带石斑鱼与斜带石斑鱼的分化已达到种间水平，应属不同种的石斑鱼。

1.5 线粒体基因组

近年来，线粒体基因组中各基因在系统发育的适用性等研究中应用广泛。赖瑞芳等[29]对鲂属（）鱼类线粒体基因组进行比较，结果显示，变异位点数最多的是基因和基因，因此表明基因和基因可以用于鲂属鱼类的系统发育研究。黄小林等[30]基于线粒体基因组序列对篮子鱼属（）的系统发育信息进行分析，推断得出篮子鱼mtDNA各基因用于种群遗传结构和系统发育分析的适用性，、和基因最好，其次是、、和，、和12S rRNA较差。

2 常用核糖体基因在鱼类的分子系统学上的应用

线粒体基因在分子系统学上逐步深入研究，有研究发现线粒体基因也存在一定的局限性，如遗传信息单一、基因渗入等[31]。而核糖体基因可以弥补这些研究缺陷。核糖体基因主要编码核糖体RNA，常用的核糖体基因主要包括基因、基因、内部转录间隔区域以及基因[32]。由于基因长度和序列较为保守[33]，所含的遗传信息较少，所以一般与其他基因联合分析，目前未单独将其应用于鱼类系统发育研究[34]。基因与其他核糖体基因相比，在鱼类中的应用相对较少，主要在研究植物及其他低等水生生物的系统发生关系时应用较为广泛[35]。和基因已在鱼类的分子系统学研究中广泛应用，本文也将对这两个基因进行论述。

2.1 ITS

核糖体基因的内部转录间隔子由和以及它们中间的基因组成，即区域[36]。进化速度较快，可以广泛应用于物种鉴别及系统发育研究中[35]。朱树人等[37]分析了3种鳢科（Channidae）鱼类的序列及系统进化，结果表明，同属鳢属（）鱼类的乌鳢（）和斑鳢（）的遗传距离较近，并且在形态学上较难辨别，由于两者有明显的差异性片段，因而可以进行准确判定，武宝生等[38]对鲈形目（Perciformes）的5科11种鱼类的核糖体序列进行分析并探讨了其在系统分类中的适应性，结果表明：可以用于属级水平的区分，并且在不同的分类阶元，其解析能力不同。徐晖等[39]对6种舌塌亚科鱼类的序列进行分析，构建了NJ树和MP树，结果均支持紫斑舌鳎与短吻三线舌鳎两者聚为一支，且置信度为100%，即两者可能存在同物异名。此结果与宋超利用基因序列所得的结果相一致。武宝生等[40]以鲈形目的5科11种鱼类为研究对象，进行特征分析及系统应用分析，结果显示：每个种类的克隆序列都是按种类聚支的。鲹科（Carangidae）7属鱼类也聚为一支，说明在这些鱼类种内具有很好的保守性。以上试验证明，适合用于属内种间物种鉴别和系统进化学研究。

2.2 18S rDNA基因

基因很保守，主要是用于科级间的系统发育分析。陈莹莹等[17]基于基因，分析了鮸鱼系统发育地位，结果显示：各鱼类基因序列的同源性范围为97.8%～100.0%，提示该科鱼类可能有共同的进化起源。杨光等[41]利用和基因片段分析了鲇形目（Siluriformes）中的8科鱼类的系统发育关系，结果显示：脂鳍胡鲇（）和革胡子鲇（）分在同一支上，两者同科不同属，但是两个个体分在同一支，黄颡鱼（）和长吻鮠（）也是如此，因此需要用进化速率较快的基因序列进一步分析他们的关系，进而也证明，基因主要适用于较高级阶元的系统发育分析。

3 展望

随着系统发育学在更多领域得到广泛研究，应用分子系统学的手段来研究鱼类间的系统发育关系也受到越来越多的关注，但所应用的基因序列种类并不多见。对于编码蛋白的核基因（如、和等）在其他研究领域均有较高的可信度：在揺蚊亚科中，SILVA等[42]对拉布长足摇蚊（）的基因进行分析；在芒果畸形病菌方面，张贺等[43]基于和部分基因序列对其进行了系统发育研究。而在鱼类系统发育研究中是否适合，还有待进一步试验验证。

研究鱼类系统发育，就是利用基因序列所提供的信息，对其进化关系进行描述和研究。但单一基因所提供的信息有限，对其进化关系不能较全面地展现。因此，许多研究都倾向于把多个 基因联合起来，更全面、客观地反映其系统发育关系。

在研究和分析系统发育时，将形态、分子标记等数据结合在一起进行全面地分析，才是最理想的试验状态。在试验研究中，仅依靠形态而不做相关的分子研究，或者是脱离形态，只做大量的分子研究，都会使试验结果单一且缺乏说服力。因此，只有将形态与分子数据结合在一起进行分析，才会得到更为客观、准确的试验结果。

[1] 曾首英，静莹，张晓琴，等. 世界鱼类数据库（FishBase）的建设与应用研究[J]. 中国农学通报，2010，26（16）：382-387.

[2] 徐宏发，王静波. 分子系统学研究进展[J]. 生态学杂志，2001（3）：41-46.

[3] 郭新红，刘少军，刘巧，等. 鱼类线粒体DNA研究新进展[J]. 遗传学报，2004（9）：983-1000.

[4] 周传江，马爱喆，汪曦，等. 鱼类线粒体基因组研究进展[J]. 河南师范大学学报（自然科学版），2019，47（2）：74-82.

[5] 公月月. COI基因在鱼类物种鉴定与分类中的应用[D]. 台州：浙江海洋大学，2017.

[6] 宋超，于亚男，张涛，等. 基于线粒体COI基因部分序列的长江口舌鳎科鱼类系统分类研究[J]. 动物学杂志，2014，49（5）：716-726.

[7] HEBERT P D，CYWINSKA A，BALL S L，et al. Biological identifications through DNA barcodes[J]. Proceedings of the Royal Society B：Biological Sciences，2003，270（1512）：313-321.

[8] 肖家光，张少秋，高天翔，等. 浙江近海鱚属鱼类形态描述及中国鱚属鱼类分子系统发育分析[J]. 水生生物学报，2018，42（1）：99-105.

[9] 苏国茂，林聪左，林贞武，等. 基于COI及RAG2基因序列的我国科鱼类分子系统研究[J]. 水产科学，2017，36（5）：652-657.

[10] VARI R P. The Terapon perches（Percoiddei，Teraponidae），a cladistics analysis and taxonomic revision[J]. Buiietin of the American Museum of Natural History，1978，159（5）：175-340.

[11] 张顺，廖健，郭昱嵩，等. 基于线粒体cox1基因序列的弹涂鱼类系统进化关系[J]. 广东海洋大学学报， 2017，37（1）：21-27.

[12] YOU X X，BIAN C，ZAN Q J，et al. Mudskipper genomes provide insights into the terrestrial adaptation of amphibious fishes[J]. Nature Communications，2014，5：5594.

[13] HEBERT P，RATNASINGHAM S，WAARD J R. Barcoding animal life：cytochrome c oxidase subunitⅠdivergences among closely related species[J]. Proc Biol，2003，270（S1）：96.

[14] 张稚兰，林汝榕，邢炳鹏. COI基因序列在蛇鳗科鱼类种类鉴定中的适用性研究[J]. 应用海洋学报，2017，36（3）：411-416.

[15] 柳淑芳，陈亮亮，戴芳群，等. 基于线粒体COI基因的DNA条形码在石首鱼科（Sciaenidae）鱼类系统分类中的应用[J]. 海洋与湖沼，2010，41（2）：223-232.

[16] 梁宏伟，孟彦，罗相忠，等. COI基因条形码在鲿科鱼类物种鉴定中的应用[J]. 中国水产科学，2018，25（4）：772-782.

[17] 陈莹莹，苗亮，李明云，等. 基于18S rRNA、COII基因的鮸鱼（）系统发育分析[J]. 生物学杂志，2015，32（2）：8-11.

[18] 龚小玲，岳丽佳，崔忠凯，等. 鳗鲡属6种鱼类线粒体COI和COII基因序列分析和分类的有效性[J]. 上海海洋大学学报，2013，22（4）：524-530.

[19] ANDREW P M，ELDREDGE B. Systematics and evolution of lower central American cichlids inferred from analysis of cytochromeb gene sequences[J]. Molecular Phylogenetics and Evolution，1998，9（2）：192-203.

[20] 秦钦，蔡永祥，许志强，等. 长江下游4属6种鲿科鱼类线粒体16S rDNA部分序列的比较分析[J]. 江苏农业学报，2010，26（2）：373-376.

[21] 丁少雄，王颖汇，王军，等. 基于16S rDNA部分序列探讨中国近海30种石斑鱼类的分子系统进化关系[J]. 动物学报，2006（3）：504-513.

[22] 辛俭，张玉荣，徐冬冬，等. 基于线粒体16S rDNA和COI基因探讨中国近海黄姑鱼类的分子系统进化关 系[J]. 海洋与湖沼，2014，45（2）：307-313.

[23] 李云臻，李俊，徐伟江，等. 基于12S rDNA和16S rDNA部分序列对澜沧江流域景洪段5种鲃亚科（Barbinae）鱼类的进化地位研究[J]. 云南师范大学学报（自然科学版），2017，37（5）：40-45.

[24] SANDRA H，MARIANO G C，MARÍA I R. Mugilcurema in Argentinean waters：Combined morphological and molecular approach[J]. Aquaculture，2006，261（2）：473-478.

[25] 唐琼英，杨秀平，刘焕章. 刺鲃基于线粒体细胞色素b基因的生物地理学过程[J]. 水生生物学报，2003（4）：352-356.

[26] 牟希东，王培欣，胡隐昌，等. 基于线粒体细胞色素b基因序列的骨舌鱼科鱼类分子系统发育的研究[J]. 华南农业大学学报，2010，31（2）：100-103.

[27] 陈善元，张仁东，李维贤，等. 六种鱼巴亚科鱼类线粒体细胞色素b基因序列分析[J]. 云南大学学报（自然科学版），2003（5）：453-457.

[28] 庄轩，丁少雄，郭丰，等. 基于细胞色素b基因片段序列研究中国近海石斑鱼类系统进化关系[J]. 中国科学C辑：生命科学，2006（1）：27-34.

[29] 赖瑞芳，张秀杰，李艳，等. 鲂属鱼类线粒体基因组的比较及其系统发育分析[J]. 水产学报，2014，38（1）：1-14.

[30] 黄小林，杨育凯，林黑着，等. 篮子鱼属线粒体基因组序列系统发育信息分析[J]. 生物学杂志，2018，35（5）：33-36.

[31] HECKMAN K L，NEAR T J，ALONZO S H. Phylogenetic relationships among Boleosoma darter species（Percidae: Etheostoma）[J]. Molecular Phylogenetics and Evolution，2009，53（1）：249-257.

[32] FERREIRA I A，OLIVEIRA C，VENCRE P C，et al. 5S rDNA variation and its phylogenetic inference in the genus（Characiformes： Anostomidae）[J]. Genetica，2007，129（2）：253-257.

[33] 王凤梅. 26S rDNA D1/D2区与5.8S-ITS rDNA序列分析法在酵母菌鉴定中的应用[J]. 现代农业，2016（12）：96.

[34] 朱敏，刘智皓，旷毓婵，等. 核基因在鱼类分子系统学研究中的应用[J]. 重庆师范大学学报（自然科学版），2013，30（2）：10-16.

[35] SCHAEFFNER B C，JIEKU M，MAHMOUD Z N，et al. Revision of Wenyonnia Woodland，1923（Cestoda：Caryophyllidea）from catfishes（Silurriformes）in Africa[J]. Systrasitol，2011，79（2）：83-107.

[36] REED K M，MENDOZA K M，BEATTIE C W. Comparative analysis of microsatellite loci in chicken and turkey[J]. Genome，2000，43（5）：796-802.

[37] 朱树人，孟庆磊，朱永安，等. 3种鳢属鱼类ITS序列及系统进化分析[J]. 安徽农业科学，2015，43（31）：47-49，55.

[38] 武宝生，司李真，孔晓瑜，等. 5科11种鱼类ITS1特征分析及其在系统分类研究中的适用性[J]. 水产学报，2018，42（4）：465-475.

[39] 徐晖，李军，孔晓瑜，等. 6种舌鳎亚科鱼类ITS1序列长度多态性及系统分析[J]. 海洋与湖沼，2008（1）：35-41.

[40] 武宝生，司李真，孔晓瑜，等. 11种鲈形目鱼类ITS2特征及系统应用[J]. 中国水产科学，2018，25（6）：1151-1160.

[41] 杨光，俞菊华，徐跑，等. 利用18S和ITS序列揭示8种鲇形目鱼类的系统发育[J]. 动物学杂志，2010，45（4）：110-117.

[42] SILVA F L，WIEDENBRUG S. Integrating DNA barcodes and morphology for species delimitation in the Corynoneura group（Diptera：Chironomidae：Orthocladiinae）[J]. Bulletin of Entomological Research，2014，104（1）：65-78.

[43] 张贺，韦运谢，刘晓妹，等. 基于Histone H3、EF-1α和β-tubulin基因部分序列的芒果畸形病菌鉴定与系统发育研究[J]. 植物病理学报，2016，46（5）：710-715.

Common gene sequences in the phylogenetic studies of fish

Huang Xin, Yu Haijun, Wang QianCorresponding Author

（College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China）

This papersummarized some relevant literatures on cytochrome C oxidase subunit I (), cytochrome C oxidase subunit II (),,, mitochondrial cytochrome b gene (), mitochondrial genome, internal transcriptional spacer () andin fish phylogeny to explore the application of common gene sequences in fish phylogeny research.

fish; phylogeny; gene sequences; molecular marker

S9

A

1008-5394（2021）02-0089-05

10.19640/j.cnki.jtau.2021.02.018

2019-10-10

国家自然科学基金（31672264）

黄鑫（1997—），女，本科在读，主要从事分子系统学研究。E-mail：1113502819@qq.com。

王茜（1971—），女，副教授，博士，主要从事水生动物及昆虫分子系统学的研究。E-mail：wqgt1999@163.com。

责任编辑：张爱婷