台灣產鏟頷魚屬親緣地理研究

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(1)行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告 ※ ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ ※ ※ ※ 台灣產鏟頷魚屬親緣地理研究 ※ ※ ※ ※ ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ 計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫計畫編號： NSC89-2311-B-006-012 執行期間： 89 年 8 月 1 日至 90. 年. 7. 月. 計畫主持人：王建平共同主持人：. 本成果報告包括以下應繳交之附件： □赴國外出差或研習心得報告一份 □赴大陸地區出差或研習心得報告一份 □出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 □國際合作研究計畫國外研究報告書一份. 執行單位：國立成功大學生物學系. 中. 華. 民. 國. 年. 90. 1. 10. 月. 31 日. 31. 日.

(2) 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告國科會專題研究計畫成果報告撰寫格式說明 Pr epar ation of NSC Pr oject Repor ts 計畫編號：NSC89-2311-B-006-012 執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日主持人：王建平共同主持人：計畫參與人員：執行機構及單位名稱：國立成功大學生物學系一、中文摘要. includes the Lee-wu River, the Ho-ping River, the Nan-ao Rivers. (2) The Eastern group includes all of the Rivers located at the 台灣鏟頷魚（Varicorhinus barbatulus） eastern side of Central Mountain Range but 是台灣唯一泛島性分布的初級性淡水魚 south of the Hwa-lien River. (3) The southern 類，由此顯示台灣鏟頷魚應是最早分布於 group includes the Tseng-wen River and the 台灣的魚類，根據過去的地質歷史可將台 Kao-ping River. (4) The Northern group 灣鏟頷魚之族群分為五大群，（1）、立霧 includes the Northern subgroup and the 群：包括立霧、和平和南澳等三水系；（2）、 Central subgroup. (a) The Northern subgroup 東部群：包括中央山脈以東，花蓮溪以南 includes all of the rivers located at the 各水系；（3）、南部群：包括曾文和高屏 western side of Central Mountain Range but 二水系；（4）、北部群：包括北部亞群和 north of the Cho-shui River. (b) The Central subgroup includes the Ta-an River, the 中部亞群，（a）、北部亞群：包括中央山 Ta-chia River, the Ta-du River and the 脈以西，濁水溪以北各水系；（b)、中部 Cho-shui River. 亞群：包括大安、大甲、大肚和濁水溪等 Information about the amount and 水系。 distribution of genetic variability within and 對於發展合理的保育策略而言，正確 among population is important for the 的評估族群結構是有效管理魚類的基礎， development of rational conservation 因此瞭解基因變異在族群內及族群間的分 strategies. We are using the D-loop fragment 佈和數量是重要的。本研究採用粒線體 of mitochondrial DNA for genetic marker to DNA 之 D-loop 片段，瞭解台灣鏟頷魚屬族 assess the genetic and phylogeographic 群遺傳結構與親緣地理，探討台灣鏟頷魚 structure of Varicorhinus and inferring migration routes and suggest relationship 屬族群與地理關係，並重建其族群遷徙路 between the geographic distribution and three 徑。 zoogeographical districts. 關鍵詞：親緣地理、台灣鏟頷魚、粒線體 DNA、族群遺傳結構 Keywor ds: phylogeography、Varicorhinus. baratulus、mitochondrial DNA、 population genetic structure. Abstr act Only one primary species, Varicorhinus baratulus, was found in three zoogeographical districts. V. baratulus represents an early invader. It achieved its present day distribution because no barriers yet existed to prevent its spread. According to the essential geohistorical events, the populations of Varicorhinus can be divided into five group: (1) The Lee-wu group. 二、緣由與目的台灣淡水魚類分布的動物地理區系，最早是由大島正滿氏（Oshima, 1923）所提出的，他主張台灣淡水魚類的分布，由北部的舊北帶魚類優勢逐次往南為印度系魚類優勢，而南、北兩系則以濁水溪為界。 Tzeng（1986）依據台灣淡水魚類分佈的情形，將台灣的淡水魚類，劃分為三的動物 2.

(3) 地理區系，分別東部地區（中央山脈以東各水系）、南部地區（中央山脈以西、曾文溪以南各水系）和北部地區（中央山脈以西、濁水溪以北各水系），各動物地理區均具有其特殊的物種，顯示三個動物地理區各有其不同的起源。對於初級性淡水魚類而言，水系的相連為物種播遷的唯一方式。因此根據物種分佈可以推估過去所發生的歷史事件，從地質學來看，更新世之前，台灣是亞洲大陸的一部份，直到一百萬年前，由於中央山脈的隆起和台灣海峽的形成，造成台灣與大陸的分隔。在更新世中期和後期時，台灣的水系與大陸的水系是相連的，台灣的淡水魚便藉由此水系的相連，由大陸分佈至台灣（林, 1957；Tzeng, 1986）。因此，瞭解台灣各河川間淡水魚的親緣關係，可推論淡水魚類從大陸進入台灣後的遷徙路徑。本研究將藉由分析台灣鏟頷魚的遺傳結構及族群間親緣關係，推論台灣南部淡水魚的起源與遷徙路徑。三、研究方法（一）、取樣台灣鏟頷魚分佈於台灣全島各河川之中、上游水系，本研究將同一河系的台灣鏟頷魚定為同一族群。以河系為單位，在台灣的主要河川中，依台灣淡水魚類的動物地理區系，選取二十二個河系為樣點，進行採樣。. （ two-parameter model ）的方法（Kimura ,1980）計算鹼基替代率及遺傳距離，以 MEGA（Kumar et al., 1993）根據此遺傳距離，重建族群之親緣。另外以 PAUP 3.1.1（Swofford , 1993）軟體進行最大簡約法（maximum parsimony analysis，序列間特質變化步驟最少的分析法）分析，重建其親緣。四、結果與討論研究中，定序的 DNA 控制區片段包括一小部分的 Cyt B、完整的 tRNAThr 、 tRNAPro 、 D-loop 、 tRNAPhe 及一部份的 12SrRNA。在不同個體其同一段序列的大小不同，範圍在 1822∼1833 個鹼基對之間，彼此間有一些插入(insertion)或缺失 (deletion)的變化，經排列比對之後共約 1850 個鹼基對位子。台灣鏟頷魚的粒線體 DNA 的控制區是一段以 A/T 為主的序列， A 平均所佔的比率 32.5%，T 佔約 27.7％， C 佔約 23.2 ％， G 佔約 16.6 ％，為 A>T>C>G。由於 A/T 是雙鍵鍵結，而 G/C 是三鍵鍵結，基於能量的原則，加上其較低的動能限制(functional constraints)，證實此段 DNA 的演化速率較快(Li, 1997)。其中 D-loop 含有一段短的 AT 重複序列，這個現象也出現在魚類(Faber and Stepien, 1997; Wang et al.,2001) 及鳥類 (Baker and Marshall, 1997)中。由各序列中發現，D-loop 在台灣鏟頷魚的族群遺傳變異發生在族群與族群間，（二）、DNA 萃取同時也發生在族群內，且族群間的遺傳距將魚的肝臟取出約 20mg，置於 1.5ml 離均較族群的遺傳距離大，而不同族群的離心管中，以 phenol( 酚 ) 及內，其本身的各種基因型的遺傳距離亦不 chloroform(氯仿) 萃取 DNA，再以酒精將同。在各個基因型的比較中發現，產生變 DNA 析出，溶於 TE buffer，存於-20°C 冰異的鹼基對位子大多發生在３’端及 5’端，箱中保存待用。且在 5’端的變化大於３’端，此結果與 1997 （三）、mitochondrial DNA 之 D-loop 的分年，李文雄所發表的結果相同。由序列中鹼基對替換(transition)及鹼子序列分析本研究利用四個合成引子（primers），藉基對顛換(transversion)情形來看，若基於機以 PCR 技術複製出 D-loop（mitochondrial 率原理，鹼基對顛換的機率高於鹼基對替 DNA）基因片段並進而定序此基因片段。換(2:1)。然而，根據前人之研究發現鹼基（四）DNA 序列分析（sequence analysis）對替換發生的比率高於鹼基對顛換發生的比率(Li, 1997)。本研究結果亦支持鹼基對與親緣分析（phylogenetic analysis） DNA 分子序列的資料以 Clustal V（Higgins 替換發生的比率明顯高於鹼基對顛換發生 et al., 1992 ）程式完成比對及排列的比率。在結果中，定序的基因型歧異度相當（alignment）。再以 Kimura 雙參數模式 3.

(4) 高，而造成此多型性高的原因可能有：(1) 台灣鏟頷魚的族群量很大，在取樣時，由於樣本數小，可能無法得知族群中普遍的基因型。(2)族群間基因交流頻繁：由於颱風及大水時期，將位於河川叫上游的魚類族群沖至下游處，而造成下游河川中的族群成員成不穩定的狀態，在族群成員常變動的情形下，基因交流自然十分頻繁，進而使該族群成較高的多型性，但這種情形應會導致上游族群的基因型也會出現在下由族群中，而使同一水系中，上游、中游及下游之河川片段中魚類族群的分群分化現象消失。在許多研究中顯示，粒線體 DNA 控制區域的長度變異大，而在魚類中通常比較長，如在慈鯛科約 1000 個鹼基對，太平洋鱒為 1003 個鹼基對(Digby et al.,1992)，魺鱸科約 900∼1200 個鹼基對，而在鯨豚類約 400 個鹼基對，在海膽只有 121 個鹼基對，在青蛙有 2134 個鹼基對。雖然在各種生物間粒線體 DNA 控制區域的長度變異甚大，但都有一共同的特徵，在兩端為變異較大的區域，而中間的序列較為保守 (Baker and Marshall, 1997)。但，在台灣鏟頷魚的粒線體 DNA 控制區域，卻發現不止於兩端的變異大，中間區域的變異也相當大，而此中間區域的變異主要為一插入/缺失的變異，此現象也出現在台灣特有的初級性淡水魚台灣石魚賓 (Acrossocheulus paradoxus; Wang et al., 2001)。五、參考文獻 Baker, A. J. and H. D. Marshall. 1997. Mitochondrial control region sequences as tools for understanding evolution. In ： Avian Molecular Evolution and systematics （Ed Mindell DP）. Pp. 51-83. Academic Press, New York. Bermingham, E. and A. P. Martin. 1998. Comparative mtDNA phylogeography of neotropical freshwater fishes: testing shared history to infer the evolutionary landscape of lower Central America. Mol. Eco. 7: 499-517. Chang, Y. S., F. L. Huang and T. B. Lo. 1994. The complete nucleotide sequence of carp （Cyprinus carpio）mitochondrial genome. J. Mol. Evol. 38: 138-155.. Excoffier, L., P. E. Smouse and J. M. Quattro.1992. Analysis of molecular variance inferred from metric distances among DNA haplotypes: application to human mitochondrial DNA data. Genetics 131: 479-491. Digby, T. J., M. W. Gray and C. B. Lazier. 1992. Rainbow trout mitochondrial DNA ： Sequence and structural characteristics of the non-coding control region and fianking tRNA genes. Gene 113：197-204. Faber, J. E. and C. A. Stepien. 1997. The utility of mitochondrial DNA control region sequences for analyzing phylogenetic relationships among populations, species, and genera of the Percudae. In：Molecular systemstics of Fishes (eds Kocher TD, Stepien CA), pp. 129-144. Academic Press, San Diego, CA. Higgins D. G., A. J. Bleasby and R. Fuchs. 1992. CLUSTAL V: improved software for multiple sequence alignment. CABIOS 8: 189-191. Kimura, M. 1980. A simple method for estimating evolutionary rates of base substitutions through comparative studies of nucleotide sequences. Mol. Evo., 16: 111-120. Kumar, S., K. Tamura and M. Nei. 1993. MEGA: Molecular evolutionary genetic analysis, version 1.02. Pennsylvania State University, University Park, PA. Li, W. H. and A. Zharkikh. 1997. Statistical tests of DNA phylogenies. Systemstic Biology 44: 49-63. Nei, M. 1972. Genetic distance between populations. Am. Nat. 106: 283-292. Nei, M. and F. Tajima. 1983. Maximum likelihood estimation of number of nucleotide substitution from restriction site data. Genetica 105: 207-217. Numachi, K. I., T. Kobayashi, K. H. Chang and Y. S. Lin. 1990. Genetic identification and differentiation of the Formosan salmon, Oncorhynchus 4.

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