Luận án Tiến sĩ Sinh học: Nghiên cứu đa dạng của họ bọ cánh cứng ăn lá (Chrysomelidae) và mối quan hệ của chúng với thực vật trong điều kiện môi trường của vườn quốc gia Núi Chúa, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam bằng phương pháp sinh học phân tử

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:124

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Đánh giá sự đa dạng loài và sự biến động theo không gian của họ Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa. Xác định thức ăn của các loài họ Chrysomelidae và đánh giá sự thay đổi thức ăn của chúng theo không gian. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Sinh học: Nghiên cứu đa dạng của họ bọ cánh cứng ăn lá (Chrysomelidae) và mối quan hệ của chúng với thực vật trong điều kiện môi trường của vườn quốc gia Núi Chúa, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam bằng phương pháp sinh học phân tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN THỊ ĐỊNH NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG CỦA HỌ BỌ CÁNH CỨNG ĂN LÁ (CHRYSOMELIDAE) VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA CHÚNG VỚI THỰC VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG CỦA VƯỜN QUỐC GIA NÚI CHÚA, TỈNH NINH THUẬN, VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHÂN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC HÀ NỘI -2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN THỊ ĐỊNH NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG CỦA HỌ BỌ CÁNH CỨNG ĂN LÁ (CHRYSOMELIDAE) VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA CHÚNG VỚI THỰC VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG CỦA VƯỜN QUỐC GIA NÚI CHÚA, TỈNH NINH THUẬN, VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHÂN TỬ Chuyên ngành: Sinh thái học Mã số: 9 42 01 20 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN VĂN SINH 2. TS. JESÚS GÓMEZ-ZURITA HÀ NỘI - 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trình bày trong luận án là trung thực. Một số kết quả nghiên cứu đã được tôi công bố riêng hoặc đồng tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Thị Định
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu đa dạng của họ Bọ cánh cứng ăn lá (Chrysomelidae) và mối quan hệ của chúng với thực vật trong điều kiện môi trường của Vườn quốc gia Núi Chúa, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam bằng phương pháp sinh học phân tử”, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên của Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật (IEBR), Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu de Biologia Evolutiva (IBE) ở Tây Ban Nha; Ban Giám hiệu Học viện Khoa học và Công nghệ. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin chân thành cảm ơn chương trình hợp tác khoa học giữa Viện Hàn Lâm Khoa học và Công Nghệ Việt Nam và Hội đồng nghiên cứu Quốc Gia Tây Ban Nha, giai đoạn 2011-2014 đã tài trợ học bổng và kinh phí cho tôi trong quá trình học tập ở Tây Ban Nha. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Tổng cục Lâm nghiệp Việt Nam đã cho phép tôi được làm việc trong VQG Núi Chúa. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban Quản lý VQG Núi Chúa đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thu mẫu ở VQG Núi Chúa. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu trong phòng Sinh thái môi trường đất (IEBR), Annabela Cardoso và các bạn bè sinh viên trong phòng thí nghiệm Đa dạng và Tiến hóa côn trùng ăn lá (IBE) đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Văn Sinh (Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật), Tiến sĩ Jesús Gómez-Zurita (de Biologia Evolutiva, Tây Ban Nha) – những người thầy trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận án này. Cuối cùng tôi chân thành cảm ơn tới chồng tôi là Trịnh Đình Cường, con gái Trịnh Nguyễn Thu Thủy, con trai Trịnh Bình Minh và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. NCS: Nguyễn Thị Định
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................................... ii MỤC LỤC.............................................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. vi DANH LỤC CÁC BẢNG..................................................................................................................... viii DANH LỤC CÁC HÌNH ........................................................................................................................ ix MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................1 1.1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................................1 1.2. Mục tiêu của đề tài ....................................................................................................................1 1.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................................2 1.4. Đối tượng nghiên cứu................................................................................................................2 1.5. Phạm vi nghiên cứu...................................................................................................................2 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................................................2 1.6.1. Ý nghĩa khoa học....................................................................................................................2 1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...................................................................................................2 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................................................................3 1.1. Các vấn đề liên quan đến luận án ..........................................................................................3 1.1.1. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để đánh giá đa dạng sinh học .....................................3 1.1.1.1. Đa dạng sinh học và những vấn đề liên quan ...................................................................3 1.1.1.2. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để tăng tốc độ đánh giá đa dạng sinh học ................6 1.1.2. Sự không đồng nhất của môi trường và ảnh hưởng của nó đến đa dạng sinh học ..........11 1.1.3. Chrysomelidae là đối tượng thích hợp để áp dụng công cụ sinh học phân tử trong đánh giá đa dạng sinh học và nghiên cứu sự phụ thuộc lẫn nhau trong hệ sinh thái.........................12 1.1.3.1. Tình hình nghiên cứu Chrysomelidae ở Việt Nam ..........................................................14 1.1.3.2. Tình hình nghiên cứu Chrysomelidae trên thế giới ........................................................15 1.2. Khái quát về điều kiện tự nhiên – kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu ......................16 1.2.1. Vị trí địa lý ............................................................................................................................17 1.2.2. Địa hình ................................................................................................................................17 1.2.3. Khí hậu, thủy văn .................................................................................................................18 1.2.4. Đặc điểm sinh thái thảm thực vật ........................................................................................20
iv 1.2.5. Hệ động, thực vật .................................................................................................................21 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................................................................................23 2.1. Phương pháp thu mẫu và phân chia sinh cảnh ở VQG Núi Chúa ...........................................23 2.1.1. Thiết kế và thu thập mẫu vật ...............................................................................................23 2.1.2. Phân chia sinh cảnh trong khu vực thu mẫu ở VQG Núi Chúa........................................27 2.2. Phương pháp sinh học phân tử: ...............................................................................................27 2.3. Phương pháp xác định loài Chrysomelidae ........................................................................29 2.4. Phương pháp xác định thức ăn của các loài Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ........................31 2.5. Đánh giá độ giàu loài tiềm năng của Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ................................31 2.6. Nhóm các phương pháp xác định mối liên quan của Chrysomelidae với điều kiện môi trường ................................................................................................................................................31 2.6.1. Phân tích biến động của quần xã Chrysomelidae theo không gian...................................31 2.6.2.Phân tích sự sắp xếp hợp quy chuẩn (CCA) để tìm ra nhân tố tác động tới mối liên hệ giữa Chrysomelidae và thực vật chủ của chúng ...........................................................................31 2.6.3. Đánh giá đa dạng beta của mối tương tác giữa các loài Chrysomelidae và thực vật chủ của chúng theo độ cao (sinh cảnh) ...............................................................................................32 2.6.4.. Phân tích mô hình của mạng lưới tương tác giữa các loài Chrysomelidae và thực vật chủ của chúng .......................................................................................................................................33 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................................................34 3.1. Phân định vùng chuyển tiếp sinh thái .........................................................................................34 3.2. Đa dạng loài Chrysomelidae thu được ở VQG Núi Chúa ...........................................................35 3.2.1. Đa dạng loài Chrysomelidae thu được ở VQG Núi Chúa dựa trên đặc điểm hình thái ...35 3.2.2. Đa dạng loài Chrysomelidae thu được ở VQG Núi Chúa dựa trên dữ liệu ADN .............43 3.2.3. Tiềm năng đa dạng loài Chrysomelidae đạt được ở VQG Núi Chúa .................................49 3.2.4. Đánh giá độ giàu loài của Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ............................................50 3.3. Thực vật chủ của Chrysomelidae ................................................................................................52 3.4. Sự biến đổi của quần xã Chrysomelidae và thức ăn của chúng theo sự thay đổi độ cao ở VQG Núi Chúa ............................................................................................................................................62 3.4.1. Cấu trúc của quần xã Chrysomelidae xuyên qua không gian và độ cao ở VQG Núi Chúa .........................................................................................................................................................62 3.4.1.1. Ảnh hưởng của mô hình “mid-domain” (sự chiếm cứ giữa lãnh thổ) tới Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ............................................................................................................................62 3.4.1.2. Sự biến động của quần xã Chrysomelidae theo không gian ...........................................64 3.4.2. Sự thay đổi của tương tác giữa Chrysomelidae và thực vật chủ theo sự thay đổi của độ cao ...................................................................................................................................................71 3.4.2.1 Sự sắp xếp phù hợp với quy chuẩn....................................................................................71
v 3.4.2.2. Đa dạng beta của tương tác Galerucinae và thực vật chủ theo sự thay đổi độ cao ở VQG Núi Chúa ...............................................................................................................................73 3.4.3. Hoạt động bảo tồn ở VQG Núi Chúa cần chú ý đến sự mất môi trường sống của quần xã Chrysomelidae ................................................................................................................................79 KẾT LUẬN .............................................................................................................................................80 KIẾN NGHỊ ............................................................................................................................................81 DANH SÁCH TÀI LIỆU TRÍCH DẪN .................................................................................................82 DANH SÁCH CÁC CÔNG BỐ ...........................................................................................................103 PHỤ LỤC..............................................................................................................................................104
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADN: Acid deoxyribonucleic AFLP: Đa hình chiều dài đoạn cắt khuếch đại ARN: Acid Ribonucleic bPTP: Mô hình Poisson Tree Processes Cây “ultrametric”: Cây quan hệ họ hàng mà tất cả chiều dài từ rễ tới đỉnh là bằng nhau Cây ML: Cây quan hệ họ hàng có khả năng xảy ra nhất CCA: Phân tích sự sắp xếp hợp quy chuẩn Chi-sq: Giá trị phân phối khi bình phương COI: Gen Cytochrome c oxidase subunit I cpDNA: ADN lục lạp GenBank: Ngân hàng gen GMYC: Mô hình Generalized Mixed Yule-Coalescent Haplotype: Dạng đơn bội ITS: Vùng sao chép bên trong Ribosome nhân Loài singleton: Loài chỉ thu được một cá thể Mmid-domain: Sự chiếm cứ giữa lãnh thổ p- distance: Khoảng cách cặp so sánh PCR: Phản ứng khuếch đại gen RFLP: Đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn RAPD: Đa hình khuếch đại ngẫu nhiên SC: Mô hình tiến hóa đồng hồ nghiêm ngặt (Strict clock) SSR: Lặp lại trình tự đơn giản ULN: Mô hình tiến hóa đồng hồ tự do thông thường (Unstrict lognomal clock) VIF: Yếu tố làm tăng sự khác nhau VQG: Vườn Quốc Gia βOS: Sự không giống nhau của tương tác hình thành giữa các loài chia sẻ βrepl: Đa dạng beta của các loài thay thế
vii βrich: Đa dạng beta của các loài mất đi/tăng lên βS: Sự không giống nhau trong thành phần loài của quần xã βsim: Đa dạng beta của thành phần các loài thay thế βsne: Đa dạng beta của thành phần các loài tạo ổ βST: Sự không giống nhau của các tương tác do các loài thay thế βtotal: Đa dạng beta tổng phản ánh cả loài thay thế và loài mất đi/tăng thêm βWN: Sự không giống nhau của các tương tác trong hai sinh cảnh GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ Loài thay thế: Là những loài xuất hiện ở vị trí mới và thay thế loài mất đi ở vị trí cũ (số loài thay thế bằng số loài mất đi). Loài tạo ổ: Là những loài là tập hợp con của những loài thu được ở vị trí có nhiều loài hơn. Loài mất đi: Là loài xuất hiện ở vị trí cũ nhưng lại không xuất hiện ở vị trí mới Loài tăng thêm: Là loài xuất hiện ở vị trí mới mà vị trí khác không có. Loài chia sẻ: Là loài giống nhau giữa các vị trí so sánh. Loài bPTP: Là loài xác định được bằng phương pháp Mô hình Poisson Tree Processes (bPTP). Bộ ba mã vạch: Là một phương pháp phân loại sử dụng một đoạn gen ngắn trong ADN của sinh vật để xác định sinh vật đó là thuộc về một loài riêng biệt.
viii DANH LỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tọa độ các vị trí thu mẫu ở VQG Núi Chúa……………………………….25 Bảng 3.1: Đa dạng loài Chrysomelidae trong các tuyến điều tra và theo độ cao ở VQG Núi Chúa………………………………………………………………………………43 Bảng 3.2: Kết quả phân định loài dựa trên trình tự ADN gen cox1 của Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa theo các thuật toán và mô hình khác nhau …………………………..44 Bảng 3.3: Sự không đồng thuận giữa loài hình thái và loài bPTP của Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ………………………………………………………………………..45 Bảng 3.4: Dự đoán đa dạng loài Chryromelidae đạt được trong các tuyến thu mẫu, trong các sinh cảnh và trong toàn bộ khu vực nghiên cứu ở VQG Núi Chúa …….......50 Bảng 3.5: Nhận dạng phân loại học của các trình tự ADN lục lạp psbA-TrnH của thực vật chủ của các cá thể thuộc phân họ Galerucinae đạt được từ chương trình BAGpipe........................................................................................................................54 Bảng 3.6: Số cá thể, số trình tự ADN vùng psbA-trnH và số họ thực vật chủ của các loài thuộc phân họ Galerucinae ở khu vực nghiên cứu ………………………….........59 Bảng 3.7: So sánh cấu trúc của quần xã Chrysomelidae giữa các tuyến thu mẫu ở VQG Núi Chúa……………………………………………………………………………....65 Bảng 3.8: Kết quả phân tích CCA của riêng từng biến số đến tương tác giữa các loài Galerucinae và thực vật chủ ở khu vực nghiên cứu…………………………………...73 Bảng 3.9: Sự không giống nhau của quần xã Galerucinae và quần xã thực vật chủ giữa rừng khô và rừng ẩm ở khu vực nghiên cứu…………………………………………..73 Bảng 3.10: So sánh đặc điểm cấu trúc của mạng lưới tương tác giữa các loài Galerucinae và thực vật chủ trong hai sinh cảnh khô và ẩm ở khu vực nghiên cứu…..78
ix DANH LỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Vị trí của gen COXI trong gen ty thể………………………………………..8 Hình 1.2: Sơ đồ VQG Núi Chúa………………………………………………………19 Hình 2.1: Thu mẫu ở khu vực nghiên cứu…………………………………………….24 Hình 2.2: Sơ đồ thu mẫu Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ………………………….26 Hình 3.1: Mô hình phân bố nhiệt trung bình/năm theo độ cao ở khu vực Núi Chúa….34 Hình 3.2: Mô hình phân bố loài giống nhau và loài đơn nhất dọc theo độ cao ở khu vực nghiên cứu …………………………………………………………………………….35 Hình 3. 3: Xác định loài dựa trên cây mtADN của Chrysomelidae (loài từ 001 đến 069) ở VQG Núi Chúa………………………………………………………………………47 Hình 3.4: Xác định loài dựa trên mtADN của Chrysomelidae (các loài từ 070-155) ở VQG Núi Chúa………………………………………………………………………...49 Hình 3.5: Sự sắp xếp phân loại học của trình tự ADN thức ăn của Galerucinae (loài số 87) theo chương trình BAGpipe……………………………………………………….53 Hình 3.6: Tương tác giữa Galerucinae và thực vật chủ của chúng ở khu vực nghiên cứu …………………………………………………………………………………………60 Hình 3.7: Mạng lưới tương tác giữa Galerucinae và thực vật chủ ở khu vực nghiên cứu …………………………………………………………………………………............62 Hình 3.8: Sự thay đổi đa dạng loài alpha của Chrysomelidae dọc theo độ cao ở VQG Núi Chúa ……………………………………………………………….......................64 Hình 3.9: So sánh đa dạng beta của Chrysomelidae theo không gian ở VQG Núi Chúa ........................................................................................................................................69 Hình 3.10: Phân tích sự sắp xếp hợp quy chuẩn của các biến số tới tương tác giữa các loài Galerucinae và thực vật chủ ở trong khu vực nghiên cứu………………………...72 Hình 3.11a: Mạng lưới tương tác giữa các loài Galerucinae và thực vật chủ trong hai sinh cảnh ở VQG Núi Chúa …………………………………………………………..76 Hình 3.11b: Đồ thị tương tác giữa Galerucinae và thực vật chủ trong hai sinh cảnh ở VQG Núi Chúa…………………………………………………………………...........77
1 MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài Các quần xã sinh vật không phải là các đơn vị độc lập, mà là những mảnh ghép của bức tranh môi trường tự nhiên, và có sự phụ thuộc lẫn nhau. Trong đó, quần xã thực vật có liên quan chặt chẽ đến tính chất vật lý của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ mặt trời…Các nhân tố vật lý này thay đổi theo độ cao, sẽ kéo theo sự thay đổi trong cấu trúc của quần xã thực vật. Về phần mình, thực vật là thức ăn của nhiều loại côn trùng, có vai trò quyết định trong sự đa dạng cũng như sự phân bố của chúng. Nghiên cứu về phản ứng của côn trùng ăn thực vật với sự thay đổi của quần xã thực vật theo độ cao sẽ giúp chúng ta hiểu biết rõ hơn về mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau trong hệ sinh thái. Bọ cánh cứng ăn lá (Chrysomelidae) là một họ lớn nhất trong bộ cánh cứng (Coleoptera). Thức ăn của Chrysomelidae là thực vật, vì vậy chúng có liên kết chặt chẽ với thực vật trong toàn bộ đời sống và việc thu bắt mẫu của chúng tương đối đơn giản. Do đó, Chrysomelidae là nhóm côn trùng phù hợp làm đối tượng cho việc nghiên cứu sự phụ thuộc của các quần xã sinh vật trong hệ sinh thái. Vườn Quốc Gia (VQG) Núi Chúa bao gồm diện tích rừng bán khô hạn độc đáo nhất Việt Nam và quần xã thực vật ở đây có sự thay đổi rõ rệt theo độ cao từ rừng khô trên đất thấp, qua rừng chuyển tiếp (rừng bán ẩm) tới rừng ẩm thường xanh trên núi cao. Vì vậy, VQG Núi Chúa là địa điểm lý tưởng để thực hiện nghiên cứu của luận án Vì tất cả các lý do trên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu đa dạng của họ bọ cánh cứng ăn lá (Chrysomelidae) và mối quan hệ của chúng với thực vật trong điều kiện môi trường của vườn quốc gia Núi Chúa, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam bằng phương pháp sinh học phân tử” 1.2. Mục tiêu của đề tài Đánh giá sự đa dạng loài và sự biến động theo không gian của họ Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa. Xác định thức ăn của các loài họ Chrysomelidae và đánh giá sự thay đổi thức ăn của chúng theo không gian.
2 1.3. Nội dung nghiên cứu Sử dụng bộ ba mã vạch ADN để đánh giá sự đa dạng loài của họ Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa. Sử dụng bộ ba mã vạch ADN để xác định thức ăn của các loài họ Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa. Xác định sự biến đổi thành phần của họ Chrysomelidae và thức ăn của chúng theo không gian ở VQG Núi Chúa. 1.4. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các loài trong họ Chrysomelidae thuộc bộ cánh cứng (Coleoptera) và thức ăn của chúng. 1.5. Phạm vi nghiên cứu Đề tài đánh giá đa dạng loài và tương tác loài của Chrysomelidae theo không gian thay đổi từ rừng khô trên đất thấp tới rừng ẩm ở độ cao trên 300 m so với mức nước biển, trong khu vực khoảng 10 km2 của Vườn Quốc Gia Núi Chúa, nằm trên địa bàn 02 huyện Ninh Hải và Thuận Bắc, tỉnh Ninh Thuận, phía Nam Việt Nam. 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1.6.1. Ý nghĩa khoa học Đây là nghiên cứu đầu tiên về quần xã Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa. Kết quả của nghiên cứu cho phép đánh giá sự đa dạng quần xã Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa, khám phá một số loài mới cho khoa học và ghi nhận thực vật chủ của một số nhóm loài của họ Chrysomelidae. 1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Kết quả của luận án cung cấp thông tin để hiểu rõ hơn về cấu trúc của đa dạng sinh học và nguy cơ làm mất đa dạng sinh học ở vùng nhiệt đới, từ đó có thể rút ra những nhận thức có liên quan đến bảo tồn.
3 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Các vấn đề liên quan đến luận án 1.1.1. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để đánh giá đa dạng sinh học 1.1.1.1. Đa dạng sinh học và những vấn đề liên quan Định nghĩa đa dạng sinh học: Theo Luật Đa dạng sinh học (2008) thì “Đa dạng sinh học là sự phong phú về gen, loài sinh vật và hệ sinh thái trong tự nhiên”. Ba cấp độ này làm việc cùng nhau để tạo ra sự phức tạp của sự sống trên Trái đất [1]. Sự đa dạng di truyền ở cấp độ cơ bản nhất của nó được thể hiện bởi sự khác biệt trong trình tự của các nucleotide (adenine: A, cytosine: C, guanine: G, thymine: T…) hình thành nên ADN trong các tế bào của sinh vật. ADN được chứa trong các nhiễm sắc thể có mặt trong tế bào; một số nhiễm sắc thể được chứa trong các bào quan của tế bào (ví dụ, các nhiễm sắc thể của ty thể và lục lạp). Mỗi một gen là một đoạn của ADN nằm trên nhiễm sắc thể và quy định một đặc tính cụ thể của một sinh vật. Whittaker (1972) đưa ra 3 khái niệm đa dạng trong sinh thái học: đa dạng alpha, đa dạng bê ta và đa dạng gamma. Đa dạng alpha đánh giá đa dạng cho tập hợp mẫu từ một quần xã nhất định. Đa dạng beta đánh giá sự thay thế loài hay sự thay đổi thành phần sinh vật khi chuyển từ quần xã này sang quần xã khác. Đa dạng gamma đánh giá sự phong phú loài của một loạt sinh cảnh (một cảnh quan, một khu vực địa lý hoặc một hòn đảo), nó là hệ quả của đa dạng alpha của các quần xã thành phần và của đa dạng beta giữa chúng [2]. Mora et al. (2011) dự đoán có khoảng 8,7 triệu (± 1,3 triệu) loài có nhân trên toàn cầu; trong đó có khoảng 2,2 triệu (± 0,18 triệu) là sống dưới biển. Họ cho rằng khoảng 86% các loài đang tồn tại trên trái đất và 91% các loài trong đại dương vẫn đang chờ đợi mô tả [3]. Đến nay, tổng số loài mô tả được chấp nhận trên thế giới được ước tính là gần 1.900.000 loài và có khoảng 18.000 loài mới được miêu tả mỗi năm (năm 2007) (Chapman 2009) [4]. Nhiều loài đã tuyệt chủng trong lịch sử địa chất của trái đất. Lý do chính cho những sự tuyệt chủng là sự thay đổi môi trường hoặc sự cạnh tranh sinh học. Tỷ lệ tuyệt chủng gây ra bởi con người lớn hơn tỷ lệ tuyệt chủng tự nhiên của chúng khoảng từ 1.000 đến 10.000 lần. Hiện nay, sự tác động của con người
4 gây ra sự tuyệt chủng của các loài sinh vật trên trái đất là một trong những vấn đề môi trường lớn nhất đối với nhân loại (Pidwirny, 2015) [5]. Đánh giá đa dạng sinh học: Trong ba cấp độ đa dạng sinh học, cấp độ đa dạng loài gần như được áp dụng chủ yếu trong nghiên cứu sinh thái và bảo tồn sinh học, mặc dù các mức độ đa dạng của bậc phân loại cao hơn (chi, họ, bộ) hoặc mô hình đa dạng tiến hóa đôi khi cũng được coi là đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu cổ sinh vật học (Foote 1997; Roy et al. 1996; Raup và Sepkoski 1984) [6, 7, 8]. Do đó, các nhà sinh vật học thường đánh giá đa dạng sinh học thông qua đánh giá độ giàu loài. Có hai phương pháp chính để đánh giá độ giàu loài: (1) phương pháp đánh giá mang tính định tính bao gồm đa dạng loài alpha là tổng số loài trong một quần xã có trong một hệ sinh thái cụ thể. Tính đa dạng beta mô tả mức độ dao động thành phần loài khi các yếu tố môi trường thay đổi. Tính đa dạng gamma áp dụng cho những khu vực rộng lớn hơn về mặt địa lý. Trong thực tế, ba chỉ số đa dạng này thường liên quan chặt chẽ với nhau. (2) Phương pháp đánh giá mang tính định lượng bao gồm đánh giá số lượng cá thể hay sinh khối của một loài, hay mật độ loài, đó là số lượng mỗi loài trong khu vực hay đơn vị thu mẫu, ví dụ như số lượng các loài trên một mét vuông (Magurran 2013) [9] và các chỉ số sinh thái. Độ giàu loài (số lượng các loài trong một khu nghiên cứu) đại diện cho một thước đo duy nhất nhưng quan trọng, nó có giá trị như sự phổ biến chung của đa dạng sự sống nhưng nó phải được tích hợp với các số liệu khác để nắm bắt đầy đủ các mặt của đa dạng sinh học. Chỉ số sinh thái sử dụng số liệu định lượng để đo lường các khía cạnh của đa dạng sinh học, điều kiện sinh thái, sự có lợi, hoặc sự điều khiển các thay đổi, nhưng không có chỉ số sinh thái đơn lẻ để nắm bắt tất cả các mặt của đa dạng sinh học. Lý tưởng nhất, để đánh giá các điều kiện và xu hướng của đa dạng sinh học trên toàn cầu hoặc phần nhỏ hơn là đo lường sự phong phú của tất cả các sinh vật theo không gian và thời gian, sử dụng phân loại (chẳng hạn như số lượng các loài), đặc điểm chức năng (ví dụ cây cố định nitơ như đậu so với cây không cố định nitơ), và sự tương tác giữa các loài có ảnh hưởng đến động lực và chức năng của chúng (ví dụ ăn thịt, ký sinh, cạnh tranh, giúp thụ phấn, và ảnh hưởng của những tương tác này đến hệ sinh thái như thế nào). Thậm chí quan trọng hơn sẽ là đánh giá sự dịch chuyển của đa
5 dạng sinh học trong không gian hoặc thời gian. Hiện nay, chúng ta không thể làm được điều này với độ chính xác cao bởi vì các số liệu còn thiếu. Khủng hoảng đa dạng sinh học: là sự mất đi của gen, các loài và các hệ sinh thái. Mooney (2010) cho thấy ví dụ về các tổn thất to lớn về sự mất đa dạng sinh học ở tất cả các cấp của sinh vật từ gen, các loài đến hệ sinh thái và toàn bộ cảnh quan [10]. Từ thế kỷ 17, có ít nhất 717 loài động vật và 87 loài thực vật đã mất đi. Ngày nay, hơn 17.000 loài thực vật và động vật có nguy cơ cùng số phận (Danh sách đỏ IUCN). Vos et al. (2015) ước tính rằng sự mất đi trong tự nhiên có thể gần với tỷ lệ 0,1 loài trên một triệu loài trên một năm và do đó tỷ lệ tuyệt chủng hiện nay là cao hơn 1000 lần so với tỷ lệ tự nhiên và trong tương lai có thể sẽ cao hơn 10.000 lần [11]. Levin (2002) cho thấy rằng trung bình cứ 20 phút có một loài trên trái đất bị mất đi. Sinh thái học ước tính rằng một nửa của tất cả các loài chim đang sống và động vật có vú sẽ biến mất trong vòng 200 hoặc 300 năm [12]. Nhân tố chính cho sự thay đổi đa dạng sinh học trong tương lai bao gồm sự thay đổi trong sử dụng đất, biến đổi khí hậu, lắng đọng Ni tơ, trao đổi sinh học và hấp thụ khí CO2 (Sala et al., 1997) [13]. Hậu quả của sự tuyệt chủng có thể phá vỡ quá trình sinh thái quan trọng như thụ phấn và phát tán hạt giống, dẫn đến sự mất mắt xích trong lưới và chuỗi thức ăn dẫn đến sự sụp đổ của hệ sinh thái và làm cho tăng tỷ lệ tuyệt chủng tổng thể (Sodhi et al. 2009) [14]. Sau khi hiện tượng tuyệt chủng bùng phát này kết thúc, số lượng loài cũng có thể trở lại như mức trước nhưng chắc chắn sẽ có ít hơn nhóm phân loại bậc cao hơn so với hiện tại. Một sự thay đổi quy mô như vậy trong hệ sinh vật của trái đất sẽ làm nghèo đa dạng sinh học trên hành tinh trong nhiều triệu năm tới (Levin 2002) [12]. Trở ngại phân loại trong nghiên cứu đa dạng sinh học: Phân loại thường được nhắc đến là sự mô tả lý thuyết và thực hành, đặt tên và sắp xếp có hệ thống các sinh vật sống. Công việc này là cần thiết cho sự hiểu biết cơ bản về đa dạng sinh học và bảo tồn. Việc thiếu tên khoa học và những khó khăn trong việc xác định loài trong nghiên cứu sinh thái là "trở ngại phân loại" (New, 1984) [15]. Điều này đang có ảnh hưởng rất lớn cho khoa học bảo tồn. Nhiều loài sẽ bị tuyệt chủng trước khi chúng được mô tả và chúng ta vẫn tiếp tục không biết chính xác có bao nhiêu loài trên hành tinh của chúng
6 ta. Các "trở ngại phân loại" đã dẫn tới sự hiểu biết không đầy đủ về phần lớn đa dạng sinh học toàn cầu. Như vậy, với sự đa dạng loài rất cao trên hành tinh của chúng ta, có rất nhiều loài đang chờ được mô tả trong khi có nhiều trở ngại trong việc định danh loài, nhiều loài có nguy cơ bị tuyệt chủng trước khi được mô tả. Điều này dẫn đến chúng ta sẽ đánh giá đa dạng sinh học không được chính xác và các nhà khoa học đã tìm ra công cụ hữu dụng giúp đánh giá đa dạng sinh học nhanh và chính xác, đó là công cụ sinh học phân tử. 1.1.1.2. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để tăng tốc độ đánh giá đa dạng sinh học Sử dụng công cụ sinh học phân tử để đánh giá đa dạng loài Như đã đề cập ở trên, có ba cấp độ đa dạng sinh học: Đa dạng loài, đa dạng di truyền và đa dạng hệ sinh thái. Sinh học phân tử là một lĩnh vực của sinh học liên quan đến quá trình phiên mã gen cho sản phẩm acid Ribonucleic (ARN), sự dịch mã của ARN thành protein và vai trò của những protein thể hiện trong chức năng tế bào (https://www.news-medical.net/life-sciences/Molecular-Biology-Techniques.aspx#). Mục đích chính của những kỹ thuật sinh học phân tử là có được trình tự ADN của gen mục tiêu. Những bước chính là: (1) tách triết ADN mục tiêu, (2) khuếch đại đoạn ADN mục tiêu (PCR) và (3) giải trình tự ADN: là việc xác định thứ tự của các nucleotide A, G, C và T có trong một phân đoạn của ADN mục tiêu. Hiện nay, kỹ thuật giải trình tự nhuộm màu là phương pháp chuẩn trong phân tích trình tự ADN. Đến nay, kỹ thuật giải trình tự thế hệ tiếp theo (NGS) đã được áp dụng trong một loạt các trường hợp, bao gồm cả trình tự cả hệ gen, các trình tự mục tiêu, phát hiện vị trí ràng buộc của các yếu tố phiên mã và sự biểu hiện sao chép đa hình của ARN không mã hóa. Tùy thuộc vào mục tiêu của nhà khoa học nhưng mục đích cuối cùng là nhận được trình tự của ADN để so sánh giữa chúng với nhau. Mã vạch ADN dựa trên gen ty thể (thường xuyên nhất gen Cytochrome oxidase subunit I: COI) đã nổi lên như một công cụ hữu ích để xác định các loài động vật. Mã vạch ADN được sử dụng như một công cụ hiệu quả cho cả việc xác định các loài đã biết và phát hiện ra những loài mới (Hebert et al. 2003, 2010, Savolainen et al. 2005) [16, 17, 18]. Ban đầu, mã vạch ADN đã được đề xuất cho giới động vật vào năm 2003,
7 khi Hebert và các đồng nghiệp đã thử nghiệm một mã vạch gen đơn để xác định loài và đặt ra thuật ngữ "mã vạch ADN" (Hebert et al. 2003) [16]. Kể từ thời điểm đó trình tự gen COI đã được sử dụng như là tác nhân định danh trong phần lớn các ngành động vật bao gồm động vật có xương sống (Hebert et al. 2004, Ward et al. 2005, Kerr et al. 2007, Smith et al. 2005, Nijman và Aliabadian 2010) [19, 20, 21, 22, 23] và động vật không xương (Hajibabaei et al. 2006, Bucklin et al. 2011, Hausmann et al. 2011) [24, 25, 26]. Trong những năm gần đây, các tiện ích thiết thực của mã vạch ADN chứng tỏ là một công cụ hấp dẫn để giúp giải quyết sự mơ hồ trong phân loại (Hebert et al. 2004, 2010) [17, 19], đánh giá đa dạng sinh học (Plaisance et al. 2009, Naro-Maciel et al. 2009, Grant et al. 2011) [27, 28, 29], và trong nghiên cứu sinh học bảo tồn (Neigel et al. 2007, Rubinoff 2006, Dalton và Kotze 2011) [30, 31, 32]. Mã vạch ADN có thể cung cấp thêm cơ sở dữ liệu giúp phân loại loài được chính xác hơn (Thompson et al. 2012) [33]. Thứ hai, mã vạch ADN có thể giúp xác định loài trong những trường hợp việc định loại chỉ được thực hiện tới mức chi hoặc họ. Thứ ba, dữ liệu di truyền thu thập cho mã vạch ADN thường bao gồm các biến đổi trong một loài, chúng cho phép phân tích theo hướng mức độ thấp của quần thể bao gồm cả việc phát hiện các cấu trúc di truyền, và trong một số trường hợp là theo dõi biến động quần thể (Nagy et al. 2013) [34]. Mã vạch ADN cũng có thể được áp dụng như là công cụ để giải quyết các câu hỏi cơ bản về sinh thái, tiến hóa và sinh học bảo tồn (Kress et al. 2014) [35]. Mã vạch ADN là một hoặc vài chuỗi gen tương đối ngắn lấy từ một phần của bộ gen tiêu chuẩn và được sử dụng để xác định loài. Một gen được sử dụng làm gen mã vạch ADN phải thỏa mãn ba tiêu chuẩn: (1) Có sự khác nhau và sự biến đổi gen có ý nghĩa ở cấp độ loài; (2) có vị trí sườn (flanking) bảo tồn để phát triển mồi PCR chung áp dụng cho số lượng phân loại học lớn; (3) có độ dài tương đối ngắn để dễ dàng tách chiết và khuếch đại ADN (Kress và Erickson 2008) [36]. Một trình tự ADN ngắn của 600 cặp bazơ trong gen mã hóa ty thể COI đã được chấp nhận như là chuẩn, mã vạch ADN cấp độ loài thiết thực cho nhiều nhóm động vật (Hebert et al. 2003) [16].
8 Hình 1.1: Vị trí của gen COXI trong gen ty thể (nguồn www.slideshare.net/GullFatima/dna-barcoding-in-animals-71007134) Mã vạch ADN trên nhiễm sắc thể hiện nay thường được sử dụng nhiều nhất cho thực vật. Hai vùng ADN được định nghĩa là 'mã vạch lõi' gồm rbcLa và matK đã được chuẩn hóa như mã vạch ADN cho thực vật trên cạn (CBOL Plant Working Group 2009). Ngoài các mã vạch lõi, hai khu vực khác, trnH-psbA và nrITS đã được đề xuất như mã vạch ADN bổ sung cho thực vật (Hollingsworth et al. 2011, Li et al. 2011) [37, 38]. Lý do cho việc áp dụng hai vùng này (rbcLa và matK) là mức độ cao của khả năng thu được các trình tự có chất lượng cao và mức độ cho phép phân biệt loài (Burgess et al. 2011) [39]. Gere et al. (2013) kết hợp trnH-psbA với mã vạch ADN nhân đã cải thiện đáng kể phân biệt loài trong họ Bàng (Combretaceae) ở miền nam châu Phi, kết quả của họ cũng cho thấy sự thành công của mã vạch ADN trong phân biệt các loài có quan hệ gần [40]. Ballardini et al. (2013) đề nghị các gen ADN ở lục lạp psbZ-trnfM như một dấu hiệu mã vạch tiềm năng ở chi Phoenix [41]. Gen 16S rRNA, COI, và
9 cpn60 bình thường có thể được sử dụng như là dấu hiệu cho việc phát triển mã vạch ADN của vi khuẩn (Purty và Chatterjee 2016) [42]. ITS có thể đưa ra một sự khác biệt quan trọng trong sự hoàn thành của nó như là một mã vạch cho nấm (Dentinger et.al., 2011) [43]. Mã vạch ADN sẽ có nhiều ứng dụng cho sự sống ở biển: nhận dạng các ấu trùng, các loài xâm lấn, loài bí ẩn, các loài mới, sự buôn bán trái phép của loài được bảo vệ, quản lý vật nuôi, đánh giá đa dạng sinh học, giám sát hệ sinh thái, tu chỉnh lại các loài đã biết, suy luận của các mối quan hệ phát sinh loài, phát sinh địa lý và mô hình hình thành loài (Radulovici, Archambault và Dufresne 2010) [44]. Smith et al. (2005) chứng minh mã vạch ADN giúp giải quyết sự thất bại của phương pháp kiểm kê hiện tại để nhanh chóng đáp ứng nhu cầu cấp bách đánh giá đa dạng sinh học, đặc biệt trong việc đánh giá sự phong phú và sự thay thế khi chuyển đổi cảnh quan với đơn vị phân loại đa dạng cao và sử dụng mã vạch ADN trong sự hợp tác với các nhà phân loại sẽ cung cấp các bản đồ quy mô thiết yếu để đánh giá đa dạng sinh học ở quy mô mà quyết định bảo tồn được thực hiện [22]. Đối với các mẫu trong bộ sưu tập lịch sử tự nhiên, mã vạch ADN có một vai trò quan trọng, nó cung cấp một cách đơn giản để xác minh, một phương pháp để định danh mẫu vật và phát hiện các mục cơ sở dữ liệu không chính xác. Ngoài ra, mã vạch ADN cung cấp một phương pháp đơn giản ở thực địa, trong đó một miếng gạc hoặc mẫu sinh thiết, kết hợp với dữ liệu địa phương và những hình ảnh chính xác, sẽ là đủ để nhận dạng sơ bộ các loài (Chambers và Hebert 2016) [45]. Mã vạch ADN có thể sử dụng như một công cụ phân tử quan trọng để đánh giá đa dạng sinh học và bảo tồn các loài bò sát (Trivedi et al.2016) [46]. Do đó, các cơ sở dữ liệu trình tự của axit Nucleotide quốc tế (như GenBank…) đã thông qua từ khóa nhận dạng duy nhất (Barcode) để nhận ra các chuỗi mã vạch tiêu chuẩn theo quy định của cộng đồng khoa học (ví dụ Consortium for the Barcode of Life (CBOL)). Sự ra đời của mã vạch ADN là một sự bổ sung tự nhiên với thời kỳ hậu di truyền, trong đó trình tự của toàn bộ gen đã cung cấp một số lượng lớn các thông tin trình tự từ một số lượng loài hạn chế. Mã vạch ADN có thể giúp mở rộng kiến thức của chúng ta bằng cách khám phá nhanh chóng nhiều loài hơn và không tốn kém. Các kết