Nghiên cứu đa dạng của họ bọ cánh cứng ăn lá và mối quan hệ của chúng với thực vật 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 Chúa43 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 Chúa19 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 Chúa47 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 trờiCác 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