Luận án tiến sĩ thủy sản: Đa dạng di truyền cá Chình hoa (Anguilla marmorata) tại Thừa Thiên Huế - Kiều Thị Huyền

Nghiên cứu đa dạng di truyền cá Chình hoa Anguilla marmorata ở Thừa Thiên Huế. Phân tích cấu trúc di truyền và đặc điểm sinh học loài cá này.

• Tác giả: Kiều Thị Huyền
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Linh
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Huế
• Chuyên ngành: Nuôi trồng Thủy sản
• Đề tài: Nghiên cứu đặc điểm phân bố, hình thái và đa dạng di truyền của cá chình hoa (Anguilla marmorata Quoy & Gaimard, 1824) ở Thừa Thiên Huế
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Tổng quan về cá chình hoa Anguilla marmorata Thừa Thiên Huế

Cá chình hoa (Anguilla marmorata Quoy & Gaimard, 1824) thuộc họ Anguillidae, là loài cá nước ngọt có giá trị kinh tế cao tại vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới. Loài này phân bố rộng rãi từ Đông Phi qua Ấn Độ Dương đến Thái Bình Dương, bao gồm Nhật Bản, Đài Loan, Trung Quốc và Đông Nam Á. Tại Việt Nam, cá chình hoa xuất hiện ở nhiều hệ thống sông ngòi, đặc biệt tại tỉnh Thừa Thiên Huế. Loài này có thể đạt chiều dài 2 mét với 100-110 đốt sống, da màu vàng ô liu đến nâu, lốm đốm nâu xanh đậm. Thân hình trụ, không có vảy rõ ràng ở cá nhỏ. Vây lưng, vây hậu môn và vây đuôi dính liền nhau tạo thành dải vây liên tục. Cá chình hoa là loài di cư catadromous, sinh trưởng ở nước ngọt nhưng sinh sản ở đại dương. Nghiên cứu về đặc điểm phân bố, hình thái và đa dạng di truyền của loài này tại Thừa Thiên Huế đóng vai trò quan trọng trong công tác bảo tồn và phát triển nguồn lợi thủy sản bền vững.

1.1. Phân bố địa lý của cá chình hoa trên thế giới

Cá chình hoa có phạm vi phân bố địa lý rộng nhất trong họ cá chình Anguilla, trải dài từ bờ biển phía Đông châu Phi qua Ấn Độ Dương đến khu vực Thái Bình Dương. Phân bố theo chiều dọc từ Tây Nam Nhật Bản, Đài Loan, Đông Nam Trung Quốc qua Việt Nam, Malaysia đến Nam Phi. Tại châu Phi, loài này phổ biến ở phía Nam sông Limpopo. Các nghiên cứu cho thấy tiểu quần thể Bắc Thái Bình Dương có tính hỗn giao hoàn toàn, trong khi quần thể Ấn Độ Dương-Nam Thái Bình Dương có cấu trúc di truyền phân hóa rõ rệt hơn.

1.2. Đặc điểm hình thái nổi bật của cá chình hoa

Cá chình hoa có thân hình trụ dài, dẹt bên, không có vảy rõ ràng ở giai đoạn nhỏ. Da có màu vàng đến ô liu hoặc nâu, lốm đốm với các vệt nâu xanh đậm, phần bụng màu nhạt hơn. Miệng rộng, hàm dưới dài hơn hàm trên, mắt nhỏ. Vây ngực hình quạt, có nguồn gốc phía sau khe mang. Đặc biệt, vây lưng, vây hậu môn và vây đuôi dính liền nhau tạo thành dải vây liên tục. Đường bên hoàn thiện với các lỗ rất nhỏ, cá lớn có vảy nhỏ sắp xếp theo kiểu đan rổ.

II. Phân tích đặc điểm hình thái và môi trường sống cá chình hoa

Nghiên cứu đặc điểm hình thái cá chình hoa tại Thừa Thiên Huế cho thấy sự biến đổi đáng kể giữa các cá thể tùy theo giai đoạn phát triển và môi trường sống. Cá chình hoa là loài có tính linh hoạt cao trong việc thích nghi với nhiều môi trường sống khác nhau bao gồm nước ngọt, nước lợ và nước biển. Tại các con sông Đài Loan, A. marmorata chiếm tỷ lệ 76-86% ở vùng hạ lưu và 76-100% ở vùng thượng lưu. Kết quả nghiên cứu lần đầu tiên xác nhận sự xuất hiện của cá chình hoa định cư ở biển, chưa bao giờ di cư vào nước ngọt. Môi trường sống có sự khác biệt giữa các quốc gia và khu vực. Tại Indonesia và Việt Nam, phần lớn cá chình phân bố ở biển hoặc nước lợ, trong khi ở Malaysia loài này lại phân bố ở nước ngọt. Cá chình thủy tinh A. marmorata nuôi trong nước biển có tốc độ tăng trưởng và tỷ lệ sống thấp hơn đáng kể so với nước ngọt và nước lợ, cho thấy sở thích môi trường nước ngọt và nước lợ cao hơn.

2.1. Sự biến đổi hình thái theo môi trường sống

Cá chình hoa thể hiện sự biến đổi hình thái đáng kể theo môi trường sinh sống. Các cá thể trong môi trường nước ngọt thường có thân hình thon dài, màu sắc sẫm hơn so với cá sống ở vùng cửa sông và biển. Kích thước trung bình của cá trưởng thành trong nước ngọt lớn hơn so với cá ở môi trường nước lợ. Hệ số hình thái cơ thể cũng có sự khác biệt giữa các quần thể, phản ánh khả năng thích nghi với điều kiện sinh thái đặc thù của từng vùng. Những biến đổi này có ý nghĩa quan trọng trong phân loại học và quản lý nguồn lợi.

2.2. Mô hình di cư linh hoạt của loài cá chình hoa

Cá chình hoa thể hiện mô hình di cư linh hoạt, khác biệt so với các loài cá chình ôn đới. Sự di cư vào nước ngọt không phải là con đường bắt buộc, loài này được định nghĩa là sinh vật biển và cửa sông cơ hội. Cá chình có thể hoàn thành vòng đời trong môi trường nước lợ hoặc biển mà không cần di cư vào nước ngọt. Tính linh hoạt này tương tự các loài Anguilla nhiệt đới khác, cho phép cá chình hoa thích nghi với nhiều điều kiện sinh thái khác nhau trong khu vực phân bố rộng lớn của mình.

III. Phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền cá chình hoa

Nghiên cứu đa dạng di truyền cá chình hoa tại Thừa Thiên Huế áp dụng các phương pháp phân tử hiện đại bao gồm kỹ thuật PCR và giải trình tự ADN ty thể. Các marker di truyền được sử dụng phổ biến là gen cytochrome b (Cytb) và vùng kiểm soát (D-loop) của ADN ty thể. Quy trình thu thập mẫu vật được thực hiện tại các điểm nghiên cứu trên hệ thống sông ngòi, đầm phá và vùng ven biển Thừa Thiên Huế từ năm 2017 đến 2021. Mẫu mô được bảo quản trong ethanol 95% và xử lý tại phòng thí nghiệm công nghệ sinh học. Phân tích trình tự được thực hiện bằng phần mềm MEGA, BioEdit và Arlequin. Xây dựng cây phát sinh loài bằng phương pháp Maximum Likelihood và Bayesian Inference. Bản đồ phân bố được tạo bằng phần mềm GIS kết hợp dữ liệu điều tra thực địa. Kết quả phân tích cho thấy sự đa dạng di truyền cao trong quần thể cá chình hoa, phản ánh lịch sử tiến hóa phức tạp của loài tại khu vực nghiên cứu.

3.1. Kỹ thuật thu thập mẫu và phân tích hình thái

Quy trình thu thập mẫu cá chình hoa được thực hiện tại các điểm nghiên cứu trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế, bao gồm hệ thống sông Hương, sông Bồ, phá Tam Giang và vùng ven biển. Mẫu vật được thu bằng lưới đánh, lờ bát quái và mua từ ngư dân địa phương. Các chỉ số hình thái được đo bằng thước cặp điện tử với độ chính xác 0,01mm bao gồm chiều dài tổng thể, chiều dài chuẩn, chiều cao thân, chiều rộng đầu. Mẫu mô được cắt từ vây đuôi, bảo quản trong ethanol 95% phục vụ phân tích ADN.

3.2. Phân tích đa dạng di truyền bằng kỹ thuật phân tử

Phân tích đa dạng di truyền sử dụng kỹ thuật PCR khuếch đại gen cytochrome b và vùng D-loop của ADN ty thể. ADN được chiết xuất từ mẫu mô bằng kit commercial theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Trình tự nucleotide được đọc bằng máy giải trình tự ABI 3730xl. Dữ liệu trình tự được chỉnh sửa, căn chỉnh bằng phần mềm ClustalW trong MEGA 11. Các chỉ số đa dạng di truyền gồm số haplotype, nucleotide diversity, haplotype diversity được tính bằng phần mềm DnaSP và Arlequin. Cây phát sinh haplotype xây dựng bằng phương pháp Maximum Likelihood với mô hình thay thế nucleotide phù hợp.

IV. Kết luận và ứng dụng bảo tồn cá chình hoa Thừa Thiên Huế

Nghiên cứu luận án tiến sĩ về cá chình hoa Anguilla marmorata tại Thừa Thiên Huế đã cung cấp những kết quả quan trọng về đặc điểm phân bố, hình thái và đa dạng di truyền của loài. Kết quả xác nhận sự phân bố rộng rãi của cá chình hoa trong hệ thống sông ngòi, đầm phá và vùng ven biển tỉnh Thừa Thiên Huế. Đặc điểm hình thái cho thấy sự biến đổi liên tục theo môi trường sống và giai đoạn phát triển. Đa dạng di truyền cao được ghi nhận trong quần thể, phản ánh lịch sử tiến hóa phức tạp và khả năng thích nghi linh hoạt của loài. Phát hiện về cá chình hoa định cư ở biển mở rộng hiểu biết về sinh thái học loài. Những kết quả này có ý nghĩa thiết thực trong xây dựng chiến lược quản lý và bảo tồn nguồn gen quý hiếm. Nuôi thương phẩm cá chình hoa cần được phát triển dựa trên cơ sở khoa học về đặc điểm di truyền và sinh thái loài. Công tác bảo tồn nguồn lợi thiên nhiên đòi hỏi sự phối hợp giữa chính quyền, nhà khoa học và cộng đồng ngư dân địa phương.

4.1. Ý nghĩa khoa học của kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đóng góp quan trọng vào kho tàng tri thức về sinh học và di truyền quần thể cá chình hoa tại Việt Nam. Lần đầu tiên xác nhận sự tồn tại của cá chình hoa định cư ở biển, thay đổi nhận thức truyền thống về mô hình di cư của loài. Dữ liệu đa dạng di truyền cung cấp cơ sở khoa học cho phân loại quần thể và truy xuất nguồn gốc. Phát hiện về sự linh hoạt trong mô hình di cư mở rộng hiểu biết về cơ chế thích nghi của loài nhiệt đới với biến đổi môi trường.

4.2. Ứng dụng trong nuôi trồng và bảo tồn thủy sản

Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực thực tiễn. Đặc điểm hình thái và di truyền hỗ trợ công tác xác định nguồn gốc cá giống phục vụ nuôi thương phẩm. Dữ liệu về phân bố và sinh thái học là cơ sở xây dựng vùng bảo tồn nguồn gen cá chình hoa tại Thừa Thiên Huế. Kỹ thuật phân tử được áp dụng trong quản lý chất lượng đàn giống và giám sát đa dạng di truyền quần thể nuôi. Phát hiện về sở thích môi trường nước ngọt và nước lợ giúp tối ưu hóa quy trình nuôi cá chình hoa thương phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong số 16 loài và 3 phân loài cá Chình Anguilla đã được xác định, cá Chình hoa (Anguilla marmorata Quoy & Gaimard, 1824) có kích thước lớn thứ hai và phân bố rộng trên thế giới [181]. Ở Việt Nam, cá Chình hoa phân bố chủ yếu ở các vùng ven biển, cửa sông, các đầm, hồ, sông, suối nước ngọt từ Hà Tỉnh đến Vũng Tàu, Tây Nguyên và đảo Phú Quốc, nhiều nhất là các tỉnh từ Thừa Thiên Huế đến Khánh Hòa [4], [174]. Trong quá trình di cư giữa môi trường nước ngọt, nước lợ và nước mặn nhiều đặc điểm sinh học khác biệt của cá Chình hoa đã được hình thành và thu hút sự quan tâm rất lớn của các nhà sinh vật học trong nhiều thế kỷ qua [74]. Những thay đổi môi trường mạnh mẽ cũng đã định hình các đặc tính sinh lý và cấu trúc di truyền của loài.

Sự đa dạng, phân bố và thích nghi với môi trường sống của cá Chình có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường, như độ mặn, nhiệt độ, độ cao, lưu vực sông và khả năng cạnh tranh sinh thái [73]. Với phạm vi phân bố rộng và vai trò sinh thái như là loài săn mồi bậc cao nhất trong chuỗi thức ăn, cá Chình hoa được đề xuất là một loài chỉ thị, đại diện cho việc bảo tồn đa dạng sinh học trong các hệ sinh thái nước ngọt [131]. Do đó, việc xem xét sự thay đổi và nhận diện các đặc trưng hình thái, phân bố và di truyền cho loài cá Chình hoa ở các giai đoạn phát triển cũng như sự thay đổi môi trường sống liên quan đến các yếu tố địa lý, điều kiện khí hậu là cần thiết để xây dựng các chiến lược phục hồi và phát triển nguồn lợi. Thừa Thiên Huế là một tỉnh nằm về phía Nam của khu vực Bắc Trung bộ, Việt Nam, có diện tích tự nhiên khoảng 502.629 ha trải dài trên 09 đơn vị hành chính gồm 06 huyện, 02 thị xã và 01 thành phố.

Địa bàn của tỉnh Thừa Thiên Huế khá rộng và trải dài từ Bắc đến Nam, có địa hình chia cắt mạnh, độ dốc lớn theo hướng từ phía Đông sang Tây. Với đặc điểm địa hình đó đã tạo nên hệ thống thủy văn khá độc đáo, sự kết nối giữa các lưu vực của nhiều hệ thống sông, suối, thác, ngềnh ở vùng núi với hệ thống đầm phá Tam Giang – Cầu Hai và đổ ra biển. Điều đặc biệt hơn hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai có diện tích lưu vực khoảng 22.000 ha, trải dài với 120 km bờ biển là nơi giao thoa giữa các hệ sinh thái sông và biển hết sức độc đáo. Chế độ trao đổi nước giữa sông và biển trên hệ thống sông vào mùa mưa và mùa khô [51], điều này đã tạo ra các điều kiện thuận lợi cho tập tính di cư của cá Chình hoa từ biển lên vùng thượng nguồn và ngược lại.

Trong hai loài cá Chình thuộc giống Anguilla đã được xác định thì loài cá Chình hoa xuất hiện phổ biến với giá trị thương mại và sinh thái cao [19]. Ngoài tự nhiên cá Chình hoa đã và đang bị khai thác quá mức để phục vụ cho nhu cầu thương phẩm cũng như nguồn cung cấp con giống trong các trại nuôi [20], [22]. Những áp lực của việc thay đổi môi trường trong quá trình di cư, khai thác quá mức và các nhân tố ảnh hưởng tới môi trường sống tự nhiên, như ô nhiễm môi trường, xây dựng các hồ, đập, thủy điện đã dẫn đến sự gia tăng nguy cơ suy giảm nguồn lợi trong tự nhiên. Năm 2007, 2 cá Chình hoa đã được liệt kê trong Sách Đỏ Việt Nam ở cấp độ là VU [4].

Tuy nhiên, những hiểu biết về cá Chình hoa ở Việt Nam nói chung và Thừa Thiên Huế nói riêng vẫn còn rất hạn chế. Các nghiên cứu trước đây chỉ mới dừng lại ở việc xác định thành phần loài và sự có mặt của cá Chình hoa tại các thủy vực (ví dụ: [55], [39], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [17], [18], [19], [20], [22], [174]). Do vậy, các nghiên cứu sâu về đặc điểm sinh học và đa dạng di truyền quần thể của cá Chình hoa là cần thiết để phục vụ cho công tác bảo tồn, bảo vệ và phát triển nguồn lợi. Để xác định đa dạng di truyền của sinh vật có thể dựa trên các thông tin hình thái, sinh hóa và phân tử [110].

Việc sử dụng chỉ thị phân tử cho độ chính xác cao hơn so với chỉ thị hình thái và chỉ thị hoá học vì nó không phụ thuộc vào các yếu tố khách quan nào [55]. Trong các kỹ thuật di truyền phân tử đang được ứng dụng trong lĩnh vực thủy sản, DNA barcode đang trở thành bộ công cụ hữu ích trong nghiên cứu định danh và đa dạng di truyền của sinh vật liên quan đến những hiểu biết về ranh giới loài, sinh thái quần thể, tiến hóa, tương tác chuỗi thức ăn và bảo tồn đa dạng sinh học [140]. Đối với động vật, một vùng DNA ngắn của gen ty thể thường được sử dụng làm chỉ thị DNA, trong đó vùng mã hóa cytochrome c oxidase subunit I (COI) và 16S ribosomal ribonucleic acid (16S rRNA) là những chỉ thị phổ biến và hiệu quả nhất [226], [55]. Vì vậy, việc ứng dụng các chỉ thị phân tử trong đánh giá đa dạng di truyền quần thể của cá Chình hoa cần được thực hiện để làm rõ mối quan hệ giữa sự biến thái, thích nghi sinh thái và di truyền trong quá trình tiến hóa của loài.

Từ những lý do trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đặc điểm phân bố, hình thái và đa dạng di truyền của cá Chình hoa (Anguilla marmorata Quoy & Gaimard, 1824) ở Thừa Thiên Huế", để thực hiện trong phạm vi nghiên cứu thuộc Luận án Tiến sĩ này. Mục tiêu nghiên cứu Nhằm bổ sung thông tin về đặc điểm sinh học, cấu trúc quần thể và đa dạng nguồn gen liên quan đến sự thay đổi môi trường sống của cá Chình hoa (A. marmorata Quoy & Gaimard, 1824) tại Thừa Thiên Huế, làm cơ sở cung cấp dẫn liệu khoa học và thực tiễn phục vụ công tác bảo tồn và phát triển bền vững tài nguyên cá Chình hoa. Ý nghĩa của luận án 3.

Ý nghĩa khoa học Luận án đã cung cấp những dẫn liệu khoa học mới về mối quan hệ giữa đặc điểm hình thái, phân bố và di truyền của loài cá Chình hoa phân bố tại Thừa Thiên Huế. Bên cạnh những thông tin liên quan đến đặc điểm sinh học của loài, kết quả nghiên cứu chỉ ra được vai trò môi trường sinh thái, ý nghĩa của việc bảo tồn và phát triển nguồn lợi cá Chình hoa trong tự nhiên. Đây chính là những cơ sở quan trọng trong việc đề xuất các 3 chiến lược bảo tồn, phát triển bền vững tài nguyên cá Chình hoa tại địa bàn nghiên cứu cũng như ở Việt Nam và trên Thế giới. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án là lần đầu tiên phân tích được cấu trúc quần thể cá Chình hoa dựa trên các đặc điểm hình thái và sinh thái phân bố; đồng thời cung cấp dữ liệu khoa học mới nhất về gen COI và 16S rRNA thuộc hệ gen ty thể của cá Chình hoa và ứng dụng kỹ thuật DNA barcode trong đánh giá cấu trúc quần thể của cá Chình hoa ở Thừa Thiên Huế.

Những đóng góp mới của luận án Luận án đã mô tả được các đặc điểm cấu tạo đặc trưng về phân bố, môi trường sinh thái và hình thái của cá Chình hoa có kích thước từ 120 – 1.500 g) tại Thừa Thiên Huế. Lần đầu tiên luận án sử dụng bộ công cụ phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích cụm (CA) để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự đa dạng trong cấu trúc quần thể cá Chình hoa tại Thừa Thiên Huế liên quan đến quá trình thích nghi với điều kiện sinh thái môi trường và biến thái của các giai đoạn trong vòng đời. Luận án đã giải trình tự và xây dựng được bộ mã vạch cho loài cá Chình hoa dựa trên trình tự hai đoạn gen COI và 16S rRNA để sử dụng trong định danh thành phần loài và nghiên cứu đa dạng di truyền. Những phân tích về đa dạng di truyền quần thể đã cho thấy sự đang dạng di truyền và tiến hóa theo hướng mở rộng ngẫu nhiên với sự bắt gặp của các allen hiếm cao trong quần thể khi được mở rộng phạm vi địa lý.

Kết quả nghiên cứu đã phần nào khẳng định được sự ảnh hưởng mạnh mẽ của các yếu tố môi trường sinh thái lên sự đa dạng về đặc điểm hình thái và cấu trúc di truyền quần thể của cá Chình hoa phân bố tại Thừa Thiên Huế. Thông qua đánh giá mô hình cấu trúc quần thể của cá Chình hoa tại Thừa Thiên Huế bằng các chỉ số hình thái, môi trường phân bố và phân tử đã làm sáng tỏ hơn nhiều thông tin về quá trình sinh trưởng, thích nghi, vòng đời và sự tiến hóa của loài sau khi di nhập và sinh sống tại các thủy vực ở Thừa Thiên Huế. Chính vì vây, kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho các nhà khoa học, các nhà quản lý thủy sản xây dựng các phương án bảo tồn và phát triển loài cá Chình hoa một cách hiệu quả và bền vững ở khu vực miền Trung cũng như Việt Nam. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu 1. Vị trí địa lý Thừa Thiên Huế là tỉnh nằm ở phía Nam của vùng Bắc Trung Bộ, kéo dài theo hướng Tây Bắc – Đông Nam, toạ độ địa lý nằm trong khoảng từ 15059’30” đến 16044’30’ vĩ độ Bắc và 107000’56” đến 108012’57” kinh độ Đông. Phía Bắc tiếp giáp với tỉnh Quảng Trị; phía Đông là biển Đông, phía Đông Nam giáp thành phố Đà Nẵng, phía Nam giáp tỉnh Quảng Nam, phía Tây giáp tỉnh Savanane và Sekong của Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào. Diện tích đất tự nhiên toàn tỉnh 502.629 ha kéo dài theo hướng Tây Bắc – Đông Nam và thềm lục địa trên biển Đông (rộng 12 hải lý) trong đó có đảo Sơn Chà, được phân chia ở 06 huyện, 02 thị xã và 01 thành phố.

Thừa Thiên Huế nằm trên trục giao thông Bắc - Nam (quốc lộ 1A, đường Hồ Chí Minh - đường Trường Sơn công nghiệp hóa và đường sắt thống nhất, đều đi qua địa phận Thừa Thiên Huế), trục hành lang Đông – Tây kết nối Lào, Thái Lan, Myanmar – 150 km và nối với Ấn Độ và các nước Nam Á; Bờ biển Thừa Thiên Huế cách đường hàng hải nội địa 25 km và cách đường hàng hải quốc tế 170 km.