四川动物  2019, Vol. 38 Issue (3): 249-255

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陈泽柠, 贺捷, 吴军, 江建平, 丁利, 王斌
CHEN Zening, HE Jie, WU Jun, JIANG Jianping, DING Li, WANG Bin
重庆市城口县大巴山国家级自然保护区发现宁陕线形蛇与该物种的遗传分化分析
Discovery of Stichophanes ningshaanensis in Dabashan National Nature Reserve, Chengkou County, Chongqing City, with Intraspecific Genetic Divergence of the Species
四川动物, 2019, 38(3): 249-255
Sichuan Journal of Zoology, 2019, 38(3): 249-255
10.11984/j.issn.1000-7083.20180372

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收稿日期: 2018-12-04
接受日期: 2019-03-13
重庆市城口县大巴山国家级自然保护区发现宁陕线形蛇与该物种的遗传分化分析
陈泽柠1 , 贺捷2 , 吴军3 , 江建平1 , 丁利1* , 王斌1*     
1. 中国科学院成都生物研究所, 成都 610041
2. 西南石油大学, 成都 610500
3. 生态环境部南京环境科学研究所, 南京 210042
摘要:宁陕线形蛇Stichophanes ningshaanensis Yuan,1983是游蛇科Colubridae的单型属单型种,为中国特有种,至今仅被报道分布于陕西省宁陕县火地塘(模式产地)、湖北省神农架国家级自然保护区和重庆市五里坡国家级自然保护区。目前对该物种的研究和野外采集记录甚少。2017年7月8日,在重庆市城口县大巴山国家级自然保护区采到1号疑似宁陕线形蛇的雌性成体标本。经形态比较和分子系统发育分析,鉴定为宁陕线形蛇。基于线粒体细胞色素bcyt b)基因和核基因片段cmos的系统发育分析表明,城口大巴山标本嵌入宁陕线形蛇支系中,与该物种其他种群在cyt b基因上的遗传距离(0.001~0.009)远小于与其近缘种的(0.174~0.292)。本研究揭示宁陕线形蛇种群间存在形态和遗传上的分化。形态上,城口大巴山标本上唇鳞数量为5/5,而神农架和火地塘种群均为6/6,前者尾下鳞数量为61对,少于后者(64~73对)。在cyt b基因上,3个种群各自拥有1个单倍型。城口大巴山单倍型与湖北神农架单倍型之间有1个突变、与宁陕火地塘单倍型之间有9个突变,而分子系统树支持宁陕火地塘种群与湖北神农架种群关系更近。研究结果为宁陕线形蛇的地理分布和系统学研究提供了重要信息。
关键词宁陕线形蛇     大巴山国家级自然保护区     种群分化     系统发育     形态    
Discovery of Stichophanes ningshaanensis in Dabashan National Nature Reserve, Chengkou County, Chongqing City, with Intraspecific Genetic Divergence of the Species
CHEN Zening1 , HE Jie2 , WU Jun3 , JIANG Jianping1 , DING Li1* , WANG Bin1*     
1. Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China;
2. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
3. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Nanjing 210042, China
Abstract: Stichophanes ningshaanensis Yuan, 1983, which belonging to the monotypic genus Stichophanes of the family Colubridae, is endemic to China. To present, this species was only known to be distributed in Huoditang, Ningshaan county, Shaanxi province, Shennongjia National Nature Reserve, Hubei province, and Wulipo National Nature Reserve, Chongqing city. Few studies have been focused on this species due to the lack of wild specimens. On July 8, 2017, one female specimen presented similar morphological features with S. ningshaanensis was collected from Dabashan National Nature Reserve (Chengkou county, Chongqing city). Based on sequence data of mitochondrial cyt b gene and nuclear gene cmos, the results of phylogenetic analyses suggested that this specimen was clustered together with the specimens from the other 2 known populations, which were clustered into a monophyly corresponding to S. ningshaanensis. Genetic distance between the 3 populations of the species was 0.001-0.009, which was significantly smaller than that between the species and its related species (0.174-0.292). Moreover, there was considerable divergence among different populations of this species. On morphology, the specimen from Dabashan had only 5 supralabials on both sides and 61 pairs of subcaudals, while the others had 6 supralabials and 64-73 pairs of subcaudals. On cyt b gene, the 3 populations occupied distinct haplotypes. There was a mutation between the haplotypes from Chengkou county and Shennongjia, Hubei province, while 9 mutations were detected between haplotypes from Chengkou county and Huoditang, Ningshaan county. However, phylogenetic analyses suggested that Shennongjia population was closer to Huoditang population. This study provides a basis for future investigations on the distribution and systematics of Stichophanes species.
Keywords: Stichophanes ningshaanensis     Dabashan National Nature Reserve     population divergence     phylogenetic     morphology    

原洪(1983)依据采自陕西省宁陕县火地塘的雄性和雌性成体标本各1号以及幼体标本1号而订立新种宁陕小头蛇Oligodon ningshaanensis Yuan, 1983, 将其归隶于游蛇科Colubridae小头蛇属Oligodon李磊和梁刚(2007)用扫描电镜观察了该物种1雄1雌2号地模标本身体不同部位的微皮纹结构,发现其属于鳞片基部为纵向沟槽的“canaliculate”型,这与棋斑游蛇Natrix tessellat类似(Price,1982)。杨林森等(2009)报道在湖北省神农架国家级自然保护区海拔1 500~1 600 m处采集到该种。而肖文发(2009)报道该物种在紧邻神农架国家级自然保护区的重庆市五里坡国家级自然保护区有分布。Wang等(2014)通过形态比较、分子系统发育分析和捕食行为观察等对该物种的系统地位做了探讨,将该物种从小头蛇属中分出,订立线形蛇属Stichophanes,为单型属单型种。由于该物种野外种群数量小且难以发现,从命名至今,公开发表资料中,野外采集记录的标本仅7号(3号雄性、3号雌性和1号幼体),《中国脊椎动物红色名录》将其列为近危种(NT;蒋志刚等,2016),因此对该物种进行相关研究具有紧迫性和重要性。

2017年7月8日,在重庆市城口县大巴山国家级自然保护区开展生物多样性调查时,采集到1号疑似宁陕线形蛇的雌性成体标本。通过形态学比较和分子系统发育分析确定其分类地位,并进一步探讨该个体与同种不同地理种群间的分化水平,为该类群的系统学和保护生物学研究提供新的信息。

1 材料与方法 1.1 标本采集

2017年7月8日16:00,在重庆市城口县大巴山国家级自然保护区高楠乡方斗坪(108.590 3°E,32.104 9°N,海拔1 950 m)采集到1号疑似宁陕线形蛇标本。该个体为成体雌蛇,横过马路时遭车辆碾压,所怀卵被轧出体外,发现并拍照时尚可轻微活动,约5 min后死亡。取其背部肌肉保存于95%乙醇溶液中用作DNA样本,标本浸泡于75%乙醇溶液中,保存于中国科学院成都生物研究所(标本号:CIB2017070802)。

1.2 形态鉴定与比较

形态鉴定与比较依据原洪(1983)赵尔宓(2006)Wang等(2014)的记载。使用量尺(无锡锡工量具有限公司,精度0.01 mm)测量标本的头体长和尾长,并与原洪(1983)记录的3号标本和Wang等(2014)记录的10号标本(1号野外采集雌蛇,9号实验室孵化的幼蛇)进行比较。

1.3 总DNA提取、基因扩增与测序

使用动物组织DNA提取试剂盒(TIANGEN)提取基因组DNA。PCR扩增线粒体细胞色素b (cyt b)基因和核基因oocyte maturation factor (cmos)片段,所用引物为L14910/H16064(cyt b基因,参考Burbrink et al., 2000)和S77/S78(cmos基因,参考Lawson et al., 2005)。PCR扩增条件和步骤参照Wang等(2014)。扩增产物纯化后交由生工生物工程(上海)股份有限公司在ABI3730测序仪上双向测序,测序引物同扩增引物。所得序列上传到GenBank(登录号:MH613781和MH613782)。

1.4 系统发育关系重建和遗传距离计算

下载GenBank中目前仅有的2号宁陕线形蛇标本(标本号:CIB100191和CIB100192;Wang et al., 2014)的相应基因片段(表 1)。由于该物种具有相对独立的系统发育位置,参考Wang等(2014)构建的系统发育树,在每个近缘分支选取1个代表物种进行系统发育树的构建:三角斑水蛇Hydrops triangularis、密河泥蛇Farancia abacura、崇安斜鳞蛇Pseudoxenodon karlschmidti、黑链剑蛇Sibynophis subpunctatus、孟加拉眼镜蛇Naja kaouthia;并以瘰鳞蛇Acrochordus granulatus的相关基因片段作为外群(表 1)。序列比对在MEGA 7.0(Kumar et al., 2016)中进行。采用贝叶斯系统发育推理法(BI)和最大似然法(ML)基于线粒体cyt b基因和核基因cmos片段联合序列构建系统发育树。构建发育树前,利用Partitionfinder 2.1.1(Lanfear et al., 2012)基于贝叶斯信息准则(BIC)选择最适核苷酸替代模型,为cyt bcmos序列数据所选最佳模型分别为TrN+G和HKY+G。利用MrBayes 3.2(Ronquist et al., 2012)及PhyML 7.0.4(Stamatakis,2006)分别进行BI和ML分析,并进行1 000次自举重抽样,检验各节点置信度。在TCS 1.2中,利用最大简约法构建单倍型网络图(Clement et al., 2000)探讨城口大巴山标本单倍型与其他地区宁陕线形蛇单倍型之间的关系。基于cyt b基因数据,利用MEGA中的非校正成对距离模型计算宁陕线形蛇种群间及其与近缘种间的遗传距离。

表 1 本文样品信息 Table 1 Information of samples used in this study
序号
ID
标本号
Voucher number
采集地/馆藏地
Locality or museum
物种
Species
GenBank登录号
GenBank accession number
cyt bcmos
1CIB100191中国陕西省宁陕火地塘宁陕线形蛇
Stichophanes ningshaanensis
KJ638715KJ638717
2CIB100192中国湖北省神农架KJ638716KJ638718
3CIB2017070802中国重庆市城口大巴山MH613781MH613782
4LSUMZH3105美国路易斯安那州立大学
自然科学博物馆
三角斑水蛇 Hydrops triangularisAF471039AF471158
5CAS184359美国佛罗里达州密河泥蛇 Farancia abacuraU69832KR814674
6ROM30627越南崇安斜鳞蛇 Pseudoxenodon karlschmidtiAF471080KX694816
7RAP0491斯里兰卡黑链剑蛇 Sibynophis subpunctatusKC347471KC347411
8CAS206602缅甸孟加拉眼镜蛇 Naja kaouthiaAF217835AY058938
9亚洲瘰鳞蛇 Acrochordus granulatusAF217841AF544706
2 结果 2.1 形态鉴定与比较

比较城口大巴山标本CIB2017070802和文献所列游蛇科属种的形态鉴别特征,发现该标本与宁陕线形蛇形态相近,因此,从形态上(图 1)鉴定为宁陕线形蛇。

图 1 重庆市城口县大巴山国家级自然保护区的宁陕线形蛇(标本号:CIB2017070802;陈泽柠摄) Fig. 1 Specimen of Stichophanes ningshaanensis (voucher number: CIB2017070802) from Dabashan National Natutre Reserve, Chengkou county, Chongqing city (Photographed by CHEN Zening) a.背面观,b.腹面观,c.头部背面观,d.头部腹面观,e.头部右侧面观;SL1~SL5.第1~5枚上唇鳞,IL1~IL6.第1~6枚下唇鳞 a. dorsal view, b. ventral view, c. dorsal view of head, d. ventral view of head, e. right lateral view of head; SL1-SL5. supralabial 1-5, IL1-IL6. infralabial 1-6
2.1.1 鳞被

身体细长,圆柱形;头部椭圆形,中部宽,基部收窄,头颈部区分不明显。鼻鳞长,约为眼径的1.5倍,前端椭圆,后端尖。眼大,眼径大于眼睛下缘到口缘的距离,瞳孔圆,活体时为黑色。眶前鳞1,眶后鳞2,眶上鳞1,颞鳞1+2。上唇鳞5/5,第1枚长,后缘与眶前鳞接触;第2、3枚入眶;第4枚最大,与眶后鳞、颞鳞相切,相切处有黑色斑纹。下唇鳞6/6,第1对左右相互接触;第2、3、4对与颌鳞接触;具颌沟,颌沟后缘有1枚鳞片(图 1)。

背鳞光滑,不起棱,通体13行;腹鳞165枚;肛鳞2分;尾下鳞61对,交错排列,最后1对融合成1枚。

2.1.2 色斑

体背整体黄棕色,在左右两侧第2、3行背鳞间具1条黑色纵纹,从颈部起一直延伸至尾端(图 1:a);腹鳞黄色,从第4枚腹鳞开始,每枚腹鳞前端均有1黑色斑纹,一直延伸到肛鳞,形成1行断续的黑色纵线(图 1:b);尾下鳞灰色,与腹鳞颜色区分明显,除左第5、6、7、9枚和右第2~6枚具黑色斑纹,其余无黑色斑纹,仅在每枚鳞片后缘散有隐约可见的淡黑色大理石纹,尾尖有1白点;顶鳞、额鳞以及眶上鳞有黑色斑纹(图 1:c);颈部脊鳞具1道黑色纵纹,从顶鳞开始一直向后延伸约16枚脊鳞,颜色由深变浅。

城口大巴山标本与宁陕线形蛇其他种群标本在个别形态特征上也存在差异(表 2)。城口大巴山雌蛇标本全长638 mm,略短于宁陕火地塘雌蛇(标本号810200,655 mm);上唇鳞数量为5/5,左右侧均是第2、3枚入眶,宁陕火地塘和湖北神农架种群标本的上唇鳞数量为6/6,左右侧均是第3、4枚入眶;第1枚上唇鳞的位置对应其他种群标本的第1枚和第2枚上唇鳞的位置;尾下鳞数量为61对,而其他种群标本的尾下鳞数量大于64对。

表 2 宁陕线形蛇不同种群的形态比较 Table 2 Morphological comparison of Stichophanes ningshaanensis populations
参数 Parameter标本号 Voucher number
CIB2017070802810218810200810166CIB100191~CIB100200
采集地城口大巴山宁陕火地塘宁陕火地塘宁陕火地塘宁陕火地塘和湖北神农架
海拔/m1 9601 6501 6501 4001 550~2 022
性别不详1雌(9号不详)
全长/mm638620655179
尾长/mm13563*42*4.2*
尾长/全长0.210.10*0.06*0.023*0.21~0.27
背鳞13-13-1313-13-1313-13-1313-13-1313-13-13
腹鳞165163163170159~170
尾下鳞6166647364~73
眶前鳞11111
眶后鳞22222
颞鳞1+21+21+21+21+2
鼻间鳞22222
颊鳞00000
上唇鳞(第几枚入眶)1-2-2(2、3)2-2-2(3、4)2-2-2(3、4)2-2-2(3、4)2-2-2
下唇鳞(第几枚最大)6(3)6(4)6(4)6(4)6
腹部黑色纵线*雌雄均有
背鳞色棕色棕绿色棕绿色棕绿色雄性:橄榄-棕色,雌性:焦黄色
腹鳞色灰黄色/灰色灰黄色灰黄色/灰色灰黄色/灰色
数据来源本研究原洪,1983原洪,1983原洪,1983Wang et al., 2014
注:* 文献记录数据存疑,因模式标本已经遗失
Note:* doubtful data in reference due to the loss of holotype
2.2 系统发育关系、遗传距离和地理距离

BI树和ML树显示,城口大巴山标本(H1)与宁陕火地塘的宁陕线形蛇地模标本(H2)和湖北神农架标本(H3)聚为一单系(支持率为100%),其中,宁陕火地塘标本首先与湖北神农架的标本聚为一支(posterior probability=70%;bootstrap parsimony=64%),而后与城口大巴山标本聚在一起(图 2:a)。在cmos基因上,城口大巴山标本与宁陕线形蛇其他地区标本共享1个单倍型,而在cyt b基因上,它们各自有1个单倍型。因此,只构建了基于cyt b基因的单倍型网络图(图 2:b)。结果表明,城口大巴山单倍型与湖北神农架标本单倍型之间有1个突变、与模式产地宁陕火地塘之间有9个突变。基于cyt b基因片段估算的遗传距离表明,城口大巴山标本与湖北神农架标本间的遗传距离最近(0.001),与模式产地宁陕火地塘标本的遗传距离为0.009,而湖北神农架标本和模式产地宁陕火地塘标本的遗传距离为0.008,远小于本种与其他近缘物种之间的遗传距离(0.174~0.292;表 3)。

图 2 宁陕线形蛇的系统发育关系及单倍型网络图 Fig. 2 Phylogenetic relationship and haplotype network of Stichophanes ningshaanensis a.基于cyt b基因和cmos基因序列构建的贝叶斯系统发育推理树和最大似然树,支系上数字表示贝叶斯后验概率/自举检验值,低于50%的值用“—”替代,样本1~9参考表 1;b. cyt b基因单倍型网络图,H1~H3为标本CIB2017070802,CIB100191和CIB100192各自享有的单倍型,1个空心圆代表 1个连接突变或1个缺失单倍型 a. Bayesian phylogenetic inference tree and maximum-likelihood tree constructed based on cyt b and cmos gene sequences, numbers on branches indicated Bayesian posterior probabilities or bootstrap values (the values lower than 50% were displayed as "-"), samples 1-9 were corresponding to those in table 1; b. haplotype network constructed based on cyt b gene sequences, haplotypes H1, H2 and H3 were occupied by specimens CIB2017070802, CIB100191 and CIB100192, respectively, one hollow circle denoted one linking mutation or one missing haplotype in haplotype network

表 3 基于线粒体细胞色素b基因序列估算的宁陕线形蛇和近缘物种间的非校正遗传距离 Table 3 Uncorrected p-distances between Stichophanes ningshaanensis and the related species based on cyt b gene sequences
序号ID物种Species采集地/馆藏地
Locality or museum
遗传距离Genetic distance
12345678
1宁陕线形蛇
Stichophanes ningshaanensis
中国湖北省神农架
2中国陕西省宁陕火地塘0.008
3中国重庆市城口大巴山0.0010.009
4三角斑水蛇
Hydrops triangularis
美国路易斯安那州立大学
自然科学博物馆
0.1920.1990.191
5密河泥蛇
Farancia abacura
美国佛罗里达州0.1740.1810.1740.176
6崇安斜鳞蛇
Pseudoxenodon karlschmidti
越南0.2590.2680.2590.2310.231
7黑链剑蛇
Sibynophis subpunctatus
斯里兰卡0.2260.2310.2260.2260.2140.251
8孟加拉眼镜蛇
Naja kaouthia
缅甸0.2460.2510.2460.2400.2310.2630.246
9瘰鳞蛇
Acrochordus granulatus
亚洲0.2850.2920.2850.2690.2580.2830.2690.282

单倍型网络图和遗传距离结果与地理距离相对应,地理距离较近的种群具有较小的遗传距离和较少的突变(图 3)。

图 3 宁陕线性蛇样本产地分布 Fig. 3 Sample localities of Stichophanes ningshaanensis
2.3 生境描述

在城口县大巴山国家级自然保护区发现宁陕线形蛇的海拔为1 960 m,时间为16:00,天气晴,23 ℃,湿度65%,微风。该蛇穿越公路时被车辆碾压致死。该路段处于盘山公路翻山垭口下方,为新修近3年的水泥路,路宽约4 m,路的左侧为人工开辟的陡坡,坡下半部分的植被刚开始恢复,右侧为灌丛和次生林,坡度很大(图 4)。在该区域附近还发现菜花原矛头蝮Protobothrops jerdonii、大眼斜鳞蛇Pseudoxenodon macrops和颈槽蛇Rhabdophis nuchalis

图 4 重庆城口县大巴山国家级自然保护区的宁陕线形蛇生境(陈泽柠摄) Fig. 4 The habitat of Stichophanes ningshaanensis in Dabashan National Nature Reserve, Chengkou county, Chongqing city (Photographed by CHEN Zening)
3 讨论

宁陕线形蛇为中国特有种(Wang et al., 2014),此前报道该物种仅分布于陕西省宁陕县火地塘自然保护区(原洪,1983Wang et al., 2014)、湖北省神农架国家级自然保护区(杨林森等,2009)和重庆市五里坡国家级自然保护区(肖文发,2009)。本研究发现该物种也分布于重庆市城口县大巴山国家级自然保护区。该分布点位于前期报道的3个分布点的中间,推测宁陕线形蛇在上述区域可能呈连续分布。

形态比较和分子系统发育分析的结果表明,宁陕线形蛇种群间存在分化。形态上,城口大巴山种群的上唇鳞数量为5/5,宁陕火地塘和湖北神农架种群为6/6,且城口大巴山种群尾下鳞数量为61对,少于其他2个种群(64~73对)。遗传方面,3个种群在cyt b基因上各自拥有1个单倍型,城口大巴山单倍型与湖北神农架单倍型之间有1个突变、与宁陕火地塘单倍型之间有9个突变。虽然这3个种群的遗传距离较小,但是共享单倍型的缺失显示他们之间可能存在地理隔离。地理隔离往往被认为是同一物种不同地理种群产生遗传分化的重要原因(Burbrink & Guiher,2015)。秦岭和大巴山横亘于陕西南部、四川北部以及重庆北部,是中国自然地理、气候及动物分布的重要分界线,秦岭-大巴山区的南北气候、动植物分布均有明显的差异(郑作新等,1962胡淑琴等,1966)。宁陕线形蛇的宁陕火地塘种群位于秦岭,与位于大巴山的另外2个种群之间有显著的汉江盆地隔离,这可能是造成该种群与其他2个种群间有明显分化的重要原因。值得注意的是,尽管位于秦岭的宁陕火地塘种群在地理距离和遗传距离上与大巴山区域的2个种群较远,但系统发育分析却支持宁陕火地塘种群与湖北神农架种群的系统发育关系较近。可见,它们之间的亲缘关系及分化模式值得进一步研究。

参考文献
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