Luận án Hệ gen ty thể, sinh học và sinh thái học của cá bống răng cưa Butis koilomatodon (Bleeker, 1894) ở vùng cửa sông hậu ven biển đồng bằng sông Cửu Long

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ LÂM THỊ HUYỀN TRÂN HỆ GEN TY THỂ, SINH HỌC VÀ SINH THÁI HỌC CỦA CÁ BỐNG RĂNG CƯA Butis koilomatodon (Bleeker, 1894) Ở VÙNG CỬA SÔNG HẬU VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÃ SỐ: 9420201 Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ LÂM THỊ HUYỀN TRÂN MÃ SỐ NCS: P0919005 HỆ GEN TY THỂ, SINH HỌC VÀ SINH THÁI HỌC CỦA CÁ BỐNG RĂNG CƯA Butis koilomatodon (Bleeker, 1894) Ở VÙNG CỬA SÔNG HẬU VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÃ SỐ: 9420201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PSG. TS. ĐINH MINH QUANG TS. TRƯƠNG THỊ BÍCH VÂN Năm 2023 XÁC NHẬN CỦA HỘI ĐỒNG Luận án này với tựa đề “Hệ gen ty thể, sinh học và sinh thái học của Cá bống răng cưa Butis koilomatodon (Bleeker, 1894) ở vùng cửa sông Hậu ven biển Đồng bằng sông Cửu Long” do nghiên cứu sinh Lâm Thị Huyền Trân thực hiện theo sự hướng dẫn của PGS. TS. Đinh Minh Quang và TS. Trương Thị Bích Vân. Luận án đã báo cáo và được Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ thông qua ngày: ./../.. Luận án đã được chỉnh sửa theo góp ý và được Hội đồng đánh giá luận án xem lại. Thư ký Ủy viên 1 Phản biện 1 Phản biện 2 Chủ tịch Hội đồng Cán bộ hướng dẫn LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập và thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và hỗ trợ của nhiều tổ chức và cá nhân. Qua đây, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ, Ban Lãnh đạo Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm, Ban Chủ nhiệm Khoa Sau đại học, cùng quý thầy cô của Viện, Khoa Sư Phạm và Khoa Thủy Sản đã truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy PGS. TS. Đinh Minh Quang và cô TS. Trương Thị Bích Vân đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cám ơn đến quý thầy cô đã tham gia Hội đồng đề cương, Hội đồng chuyên đề và tiểu luận tổng quan, Hội đồng báo cáo giữa kỳ, Hội đồng seminar toàn luận án và Hội đồng báo cáo cấp cơ sở đã có các đóng góp quý báu giúp tôi chỉnh sửa và hoàn thiện luận án tốt hơn. Tôi xin gửi lời cám ơn đến thầy cô và các bạn trong phòng thí nghiệm Động vật, Khoa Sư phạm và phòng thí nghiệm Sinh học phân tử, Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện các thí nghiệm của luận án. Đặc biệt, xin gửi lời cám ơn chân thành đến bạn CN. Nguyễn Hữu Đức Tôn đã hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình tôi thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn ủng hộ và giúp đỡ để cho tôi hoàn thành chương trình nghiên cứu sinh và luận án này. Xin trân trọng cám ơn. Tác giả Lâm Thị Huyền Trân i TÓM TẮT Luận án “Hệ gen ty thể, sinh học và sinh thái học của Cá bống răng cưa Butis koilomatodon (Bleeker, 1894) ở vùng cửa sông Hậu ven biển Đồng bằng sông Cửu Long” được thực hiện từ 01/2019 đến 12/2020 tại Khoa Sư Phạm và Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm, Trường Đại học Cần Thơ. Mục tiêu của nghiên cứu nhằm cung cấp các dẫn liệu về gen ty thể COI và Cytb; đặc điểm sinh học đá tai, sinh sản và tăng trưởng; đặc điểm sinh dưỡng và quần thể của Cá bống răng cưa ở Đồng bằng sông Cửu Long. Mẫu cá được thu thập tại sáu vùng cửa sông từ Trà Vinh đến Cà Mau mỗi tháng một lần từ 01/2019 đến 12/2020 bằng lưới đáy với kích thước mắt lưới 1,5 cm. Kết quả phân tích thành phần chính cho thấy pH và độ mặn của nước có tác động rõ rệt đến chỉ số hình thái của ba loài cá thuộc giống Butis. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy kết hợp đặc điểm hình thái với mã vạch gen ty thể COI và Cytb đã giúp định loại chính xác loài B. koilomatodon và xác định được mối quan hệ di truyền giữa ba loài cá thuộc giống Butis. Đá tai của Cá bống răng cưa có hình dạng đặc trưng, tương đồng giữa hai bên trái và phải và có quan hệ hồi quy trung bình với kích thước cơ thể cá. Cá đực chiếm ưu thế trong quần thể so với cá cái với tỷ lệ giới tính 2,21: 1,00. Chiều dài thành thục đầu tiên của Cá bống răng cưa khoảng 5 cm. Cá bống răng cưa là loài đẻ nhiều lần trong mùa sinh sản nhưng tập trung vào mùa mưa từ tháng 06 đến tháng 10. Cá có kiểu hình tăng trưởng chủ yếu là bất đẳng âm và thích nghi tốt với môi trường sống, đặc biệt vào mùa khô và ở Trà Vinh. Cá bống răng cưa là loài ăn động vật với phổ thức ăn gồm tép, cá nhỏ, mảnh vụn hữu cơ và giun nhiều tơ, trong đó, tép được xem là loại thức ăn quan trọng với số lượng nhiều nhất. Quần thể Cá bống răng cưa hiện có mức khai thác hợp lý với hai đỉnh phục hồi hằng năm vào tháng 04-05 và tháng 07-08. Các kết quả của luận án là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị cho công tác giảng dạy, nghiên cứu, giúp bảo tồn và khai thác hợp lý nguồn lợi loài cá này ở vùng ĐBSCL. Từ khóa: Cá bống răng cưa, gen COI, gen Cytb, đá tai, sinh sản, tăng trưởng, sinh dưỡng, quần thể. ii ABSTRACT The thesis entitled "Mitochondrial genome, biology and ecology of the Mud sleeper Butis koilomatodon (Bleeker, 1894) in the Hau estuary along the Mekong Delta" was carried out during 01/2019-12/2020 at the School of Education and Biotechnology and Food Institute, Can Tho University. The objective of the study is to provide additional data about mitochondrial genes (COI and Cytb); biological characteristics of otolith, reproduction and growth; feeding ecology and population of Mud sleeper in Mekong Delta. Fish were collected in six estuaries from Tra Vinh to Ca Mau, once a month from 01/2019 to 12/2020 by using bottom net with mesh size of 1.5 cm. The results of PCA analysis showed that the pH and salinity of the water had significantly impact on the morphology of Butis species. The results also showed that the combination of morphological and molecular (COI and Cytb genes) analyses was helpful to accurately identify B. koilomatodon and to construct a phylogenetic tree of three Butis species. The otolith of Mud sleeper had a characteristic shape, similarity between the left and right, and showed an average regression relationship with fish body size. Males predominated in the population over females with a sex ratio of 2.21: 1.00. The length at first maturation of B. koilomatodon was about 5 cm. B. koilomatodon was an iteroparous species that spawned many times during the breeding season but peaked in the wet season from June to October. This goby had a predominantly negative allometry growth pattern and was well adapted to the habitat, especially in the dry season and at Tra Vinh. Mud sleeper was a carnivorous with diet composition consisted of shrimp, small fish, organic detritus and polychaetes, in which, shrimp was the most important food with the largest amount. The population of Mud sleeper had a reasonable exploitation, with two recruitment peaks once in April-May and once in July-August. This thesis is a valuable reference source for teaching and research, and proposing solutions to conserve and sustainable exploitation the resources of this fish species in the Mekong Delta. Keywords: Mud sleeper, COI, Cytb, otolith, reproduction, growth, feeding ecology, population iii LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Lâm Thị Huyền Trân, là NCS ngành Công nghệ Sinh học, khóa 2019. Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học thực sự của bản thân tôi được sự hướng dẫn của PGS.TS. Đinh Minh Quang và TS. Trương Thị Bích Vân. Các thông tin được sử dụng tham khảo trong đề tài luận án được thu thập từ các nguồn đáng tin cậy, đã được kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng ở phần Danh mục Tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện một cách nghiêm túc, trung thực và không trùng lắp với các đề tài khác đã được công bố trước đây. Tôi xin lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này. Cần Thơ, ngày tháng năm Người hướng dẫn Tác giả thực hiện PGS. TS. Đinh Minh Quang Lâm Thị Huyền Trân TS. Trương Thị Bích Vân iv MỤC LỤC TÓM TẮT ....................................................................................................................... i ABSTRACT .................................................................................................................. ii LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ iii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................. viii DANH SÁCH HÌNH ..................................................................................................... x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... xii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .......................................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................. 1 1.2 Mục tiêu .................................................................................................................... 2 1.2.1 Mục tiêu chung ....................................................................................................... 2 1.2.2 Mục tiêu cụ thể ...................................................................................................... 2 1.3 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................... 2 1.4 Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................. 2 1.5 Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 3 1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................... 3 1.6.1 Ý nghĩa khoa học .................................................................................................... 3 1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................................... 3 1.7 Tính mới của đề tài .................................................................................................... 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 5 2.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu ........................................ 5 2.2 Khái quát về đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 7 2.2.1 Cá bống răng cưa B. koilomatodon ........................................................................ 7 2.2.2 Cá bống B. humeralis ............................................................................................. 9 2.2.3 Cá bống B. butis ................................................................................................... 10 2.3 Khái quát về các vấn đề nghiên cứu ....................................................................... 11 2.3.1 Đặc điểm về hình thái .......................................................................................... 11 2.3.2 Đặc điểm di truyền bộ gen ty thể và mã vạch DNA ........................................... 12 2.3.2.1 Bộ gen ty thể ..................................................................................................... 12 v 2.3.2.2 Phương pháp mã vạch DNA gen COI ............................................................... 14 2.3.2.3 Phương pháp mã vạch DNA gen Cytb ............................................................. 15 2.3.3 Đặc điểm sinh học đá tai ...................................................................................... 16 2.3.3.1 Tổng quan về đá tai .......................................................................................... 16 2.3.3.2 Một số ứng dụng của đá tai ............................................................................... 17 2.3.4 Đặc điểm sinh học sinh sản .................................................................................. 18 2.3.4.1 Sinh học sinh sản và sự hình thành tế bào mầm sinh dục ở cá ........................ 18 2.3.4.2 Các giai đoạn phát triển của tuyến trứng ........................................................... 20 2.3.4.3 Các giai đoạn phát triển của tuyến tinh ............................................................. 21 2.3.4.4 Hình thức và mùa vụ sinh sản ........................................................................... 22 2.3.4.5 Chiều dài thành thục đầu tiên ............................................................................ 25 2.3.4.6 Sức sinh sản ...................................................................................................... 25 2.3.5 Đặc điểm sinh học tăng trưởng ........................................................................... 26 2.3.6 Đặc điểm sinh thái dinh dưỡng ............................................................................ 28 2.3.6.1 Tính ăn của cá ................................................................................................... 29 2.3.6.2 Chỉ số sinh trắc dạ dày GI (Gastrosomatic index) ............................................ 29 2.3.6.3 Hệ số béo Clark ................................................................................................. 30 2.3.6.4 Phổ thức ăn ........................................................................................................ 30 2.3.7 Đặc điểm sinh thái quần thể ................................................................................ 32 2.3.7.1 Cấu trúc tuổi và tần suất chiều dài ................................................................... 32 2.3.7.2 Các chỉ số tăng trưởng của phương trình von Bertalanffy ................................ 33 2.3.7.3 Hệ số chết ......................................................................................................... 34 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................... 36 3.1 Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 36 3.2 Thời gian nghiên cứu .............................................................................................. 36 3.3 Địa điểm nghiên cứu ............................................................................................... 36 3.4 Phương tiện nghiên cứu .......................................................................................... 36 3.5 Phương pháp thu mẫu ............................................................................................. 38 3.6 Phương pháp phân tích mẫu ................................................................................... 38 3.6.1 Sự biến động yếu tố môi trường ở khu vực nghiên cứu ....................................... 38 vi 3.6.2 Nội dung nghiên cứu 1 ......................................................................................... 38 3.6.2.1 Xác định loài dựa trên đặc điểm hình thái ........................................................ 39 3.6.2.2 Xác định loài dựa trên phân tích di truyền ........................................................ 40 3.6.3 Nội dung nghiên cứu 2 ......................................................................................... 43 3.6.3.1 Nghiên cứu đặc điểm sinh học đá tai ................................................................ 43 3.6.3.2 Nghiên cứu đặc điểm sinh học sinh sản ............................................................ 43 3.6.3.3 Nghiên cứu đặc điểm sinh học hình thái và tăng trưởng ................................... 47 3.6.4 Nội dung nghiên cứu 3 ........................................................................................ 49 3.6.4.1 Nghiên cứu đặc điểm sinh thái dinh dưỡng ....................................................... 49 3.6.4.2 Nghiên cứu đặc điểm sinh thái quần thể ........................................................... 51 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 53 4.1 Sự biến động yếu tố môi trường ở khu vực nghiên cứu ......................................... 53 4.2 Đặc điểm hình thái và di truyền của ba loài thuộc giống Butis .............................. 55 4.2.1 Định loại ba loài thuộc giống Butis dựa trên đặc điểm hình thái ........................ 55 4.2.2 Mối quan hệ giữa yếu tố môi trường với số đo và tỷ lệ hình thái ....................... 56 4.2.3 Định loại ba loài cá bống thuộc giống Butis bằng phương pháp mã vạch DNA của gen COI và Cytb ........................................................................................................... 59 4.2.3.1 Kết quả tách chiết DNA ................................................................................... 59 4.2.3.2 Kết quả khuếch đại các vùng gen nghiên cứu bằng kỹ thuật PCR ................... 60 4.2.3.3 Kết quả phân tích và xác định trình tự các vùng gen nghiên cứu .................... 61 4.2.3.4 Khoảng cách di truyền vùng gen COI và Cytb của ba loài thuộc giống Butis .. 70 4. 2.3.5 Xây dựng cây quan hệ di truyền của ba loài thuộc giống Butis dựa trên gen COI và Cytb ........................................................................................................................... 71 4.3 Đặc điểm sinh học đá tai, sinh sản, hình thái và tăng trưởng của loài Cá bống răng cưa.................................................................................................................................. 75 4.3.1 Đặc điểm sinh học đá tai ...................................................................................... 75 4.3.1.1 Hình thái đá tai .................................................................................................. 75 4.3.1.2 Sự khác biệt các số đo hình thái của đá tai ....................................................... 75 4.3.1.3 Quan hệ hồi quy giữa kích thước cá và kích thước đá tai ................................. 78 4.3.2 Đặc điểm sinh học sinh sản của loài Cá bống răng cưa ....................................... 79 4.3.2.1 Tỷ lệ giới tính .................................................................................................... 79 vii 4.3.2.2 Đặc điểm hình thái và mô học của tuyến sinh dục ............................................ 81 4.3.2.3 Hình thức sinh sản ............................................................................................ 86 4.3.2.4 Mùa sinh sản ..................................................................................................... 86 4.3.2.5 Chiều dài thành thục đầu tiên ........................................................................... 92 4.3.2.6 Sức sinh sản tuyệt đối và quan hệ hồi quy với TL và W .................................. 93 4.3.3 Đặc điểm sinh học hình thái và tăng trưởng của loài Cá bống răng cưa .............. 94 4.3.3.1 Sự biến động giá trị TL và W ............................................................................. 94 4.3.3.2 Quan hệ hồi quy chiều dài-khối lượng và hình thức tăng trưởng .................... 97 4.3.3.3 Hệ số điều kiện (CF) ........................................................................................ 99 4.4 Đặc điểm sinh thái dinh dưỡng và quần thể của loài Cá bống răng cưa ............... 100 4.4.1 Đặc điểm sinh thái dinh dưỡng ......................................................................... 100 4.4.1.1 Tập tính ăn ................