利用角質顎形態判別東太平洋莖柔魚3個不同種群的可行性研究

李金檜,趙振方,劉必林,2,3,4,5,方舟,2,3,4,5,胡貫宇,2,3,4,5*,陳新軍,2,3,4,5

(1.上海海洋大學 海洋科學學院,上海 201306;2.上海海洋大學 大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室,上海 201306;3.上海海洋大學 國家遠洋漁業工程技術研究中心,上海 201306;4.上海海洋大學 農業農村部大洋漁業開發重點實驗室,上海 201306;5.農業農村部大洋漁業資源環境科學觀測實驗站,上海 201306)

引 言

莖柔魚(Dosidicusgigas),隸屬于柔魚科(Ommastrephidae)、莖柔魚屬(Dosidicus)。其生長迅速,生命周期短,一般只有一年[1],對環境變化的適應性強,廣泛分布于東太平洋[2-3],資源豐富而且生態地位極高,是海洋生態系統的重要組成部分[4]。此外,莖柔魚是柔魚科中個體最大、資源量最為豐富的種類之一,是我國遠洋漁業重要的目標經濟種類[2,5-7]。

據FAO統計,2000年全球莖柔魚總產量為21.0萬t,隨后呈現波動上升的趨勢,2019年全球莖柔魚總產量為93.9萬t,中國莖柔魚總產量為33.1萬t。莖柔魚經歷一次產卵周期后死亡,性成熟體長通常代表著其最大體長[8-9]。最早Nigmatullin等[3]提出根據性成熟雄性和雌性個體的胴長將莖柔魚劃分為3個種群,即小種群:雄、雌胴長范圍分別為130～260 mm、140～340 mm;中種群:雄、雌胴長范圍分別為240～420 mm、280～600 mm;大種群:雄、雌胴長范圍分別為>400～500 mm、>550～650 mm。除此之外,Nesis K等[10]和Argüelles等[11]也根據莖柔魚性成熟的個體大小對其種群進行了劃分,研究莖柔魚的種群結構。然而,不同種群的生長特性和資源量可能存在差異,對莖柔魚的資源評估存在較大的影響,因此,莖柔魚種群的判別對莖柔魚資源的評估和管理極為重要。

角質顎是位于頭足類口球內的硬組織,由上顎和下顎兩部分組成[12],是頭足類的主要攝食器官。其主要成分是幾丁質和蛋白質[13],且與耳石和內殼等其它硬組織一樣具有穩定的形態特征,蘊含著許多生物學信息[14]。角質顎穩定的形態結構和極強的耐腐性使其經常存在于捕食者的胃含物中,在頭足類的分類鑒定中起著重要的作用。近年來,角質顎被廣泛用于種群判別、分類和攝食生態等研究[15]。本文通過分析角質顎形態在性別和種群間的差異,并根據標準化后的形態參數建立判別函數,對莖柔魚不同種群進行判別,為莖柔魚的資源評估和管理提供基礎。

1 材料和方法

1.1 采集的時間和地點

莖柔魚樣本委托專業魷釣船采集,樣本的采集時間為2018年7月—2020年12月,采樣地點為東太平洋公海海域(79°26′～120°32′W,02°19′N～20°24′S)。

1.2 生物學測定和角質顎提取

樣本采集時,每一采集站點的樣本從漁獲物中隨機獲得,將莖柔魚樣本帶回實驗室并解凍,測量莖柔魚的胴長(mm)、體重(g),對其性別和性腺成熟度進行鑒定,其中性成熟個體共計661尾,雌、雄樣本數分別為154和507尾,根據性成熟胴長來劃分大、中、小三個種群,其中小種群雌性55尾,雄性232尾;中種群雌性48尾,雄性203尾;大種群雌性51尾,雄性72尾。角質顎位于頭部口器中,下顎蓋嵌上顎,因此,提取角質顎時應先用鑷子取出下顎,再取上顎,對取出的角質顎進行編號,用清水先沖洗干凈,盡量去除附在表面的有機物質,并將其保存在70%的乙醇溶液中。

1.3 角質顎形態測量

測量時,使用數顯游標卡尺對角質顎的12個形態參數進行長度測量[16](圖1)。首先在水平和垂直方向上對卡尺進行校準[17],然后對角質顎的外部形態進行測量,測量結果精確至0.01 mm。測量完存放于裝有75%乙醇溶液的50 mL離心管中。

圖1 角質顎外部形態測量示意圖

1.4 數據處理方法

為了消除個體大小的影響,本研究利用胴長對莖柔魚角質顎各形態參數進行標準化處理[18],公式如下:

(1)

lnY=lna+blnML+ε,ε～N(0,δ2)

(2)

a和b是估算參數,ε～N(0,δ2)表示殘差相符合正態分布[19]。角質顎的形態學變量通過ML來進行標準化,標準化后的形態參數變量在每個變量的后面加s來標識,即UCLs、URLs、ULWLs、UWLs、LCLs、LRLs、LLWLs等。

利用方差分析(ANOVA)來檢驗3個不同種群角質顎形態參數差異,同時采用逐步判別分析法(stepwise discriminant analysis,SDA)對標準化后的角質顎參數進行篩選,建立判別函數,從而計算出判別正確率[20]。主成分分析(principal component analysis,PCA)是一種常用的多變量分析方法,主要通過降維將一些相關聯的數值轉化成少數不相互關聯的指標[21]。本文對3個種群雌、雄間12項角質顎形態參數進行t-檢驗、主成分分析,便于找出能夠表征角質顎主要特征的形態參數[22]。本研究利用SPSS 26.0和R4.1.1進行統計分析。

2 結果

2.1 角質顎形態的性別差異

在雌、雄個體的角質顎差異性方面,t-檢驗結果顯示(表1),除了下頭蓋長(LHL),小、中種群雌、雄間的角質顎形態參數差異均顯著(P<0.05);除了上翼長(UWL)、下頭蓋長(LHL),大種群雌、雄間的角質顎形態參數差異均顯著(P<0.05)。3個種群的雌性個體的角質顎形態參數均大于雄性。主成分分析結果顯示(表2),第一主成分特征值為4.975,主要反映在LRLs,解釋總變異的41.46%;第二主成分特征值為3.713,主要反映在UHLs這一形態參數中,解釋總變異的30.95%,第三主成分特征值為1.426,主要反映在UCLs,因此在角質顎所有形態參數中LRLs形態參數對主成分分析貢獻最大。角質顎形態在雌、雄之間存在差異,與中種群相比,大、小種群雌、雄間的的主成分散點重疊更少(圖2)。

表1 3個種群雌、雄角質顎形態差異(均值±標準差)

表2 傳統測量法對角質顎形態的主成分分析

圖2 3個種群雌、雄角質顎形態參數的主成分分析:(A)小種群、(B)中種群、(C)大種群

2.2 不同種群角質顎形態的差異

方差分析(ANOVA)結果顯示,角質顎各形態參數在3個種群間(表3)、兩兩種群間差異極顯著(P<0.01)(表4),大種群的角質顎最大,其次是中種群,小種群最小,大型群角質顎的上脊突長(UCL)、上頭蓋長(UHL)、上喙長(URL)是中型群長兩倍左右;逐步判別分析結果顯示(表5),10個標準化后的角質顎參數被選擇用于最終的判別分析,分別是上頭蓋長(UHLs)、下脊突長(LCLs)、上喙寬(URWs)、下側壁長(LLWLs)、上側壁長(ULWLs)、上喙長(URLs)、上脊突長(UCLs)、上翼長(UWLs)、下頭蓋長(LHLs)、下喙長(LRLs),其中上頭蓋長(UHLs)、下脊突長(LCLs)、上喙寬(URWs)貢獻了絕大部分的種間差異。同時根據10項形態參數對3個種群建立判別函數:

表3 莖柔魚3個種群的形態參數

表4 莖柔魚種群間的形態參數差異

表5 莖柔魚角質顎形態的逐步判別分析結果

莖柔魚小種群:

Y=0.573*UCLs+0.758*UHLs+1.151*URLs+0.875*URWs-0.11*ULWLs+
0.794*UWLs+0.205*LCLs+2.699*LHLs-0.488*LRLs+1.601*LLWLs

莖柔魚中種群:

Y=0.869*UCLs+1.493*UHLs+2.044*URLs+0.372*URWs-0.443*ULWLs+
0.462*UWLs-0.151*LCLs+3.416*LHLs-0.917*LRLs+1.711*LLWLs

莖柔魚大種群:

Y=1.411*UCLs+2.179*UHLs+3.261*URLs+4.59*URWs-0.556ULWLs+
3.998*UWLs-3.244*LCLs+0.123*LHLs-2.374*LRLs-0.3*LLWLs

利用上述判別函數得出判別正確率,大、中、小3個種群的判別正確率分別為100%、93.2%和98.6%,綜合判別正確率為97.3%,交叉驗證的結果與初始判別相似,大、中、小3個種群的判別正確率分別是100%、92.8%、98.6%,3個種群總判別正確率為97.13%(表6,圖3)。

表6 莖柔魚三個種群的判別正確率

圖3 3個種群角質顎參數的判別分析

3 討論

3.1 角質顎形態的性別差異

角質顎作為頭足類的重要硬組織,在頭足類種類中,雌、雄個體之間的異速生長普遍存在[23-27]。本研究發現,除了上翼長和下頭蓋長,3個種群角質顎參數值雌性均顯著大于雄性。相關論文同樣研究表明雌性的角質顎大于雄性,例如,方舟等[8]研究2個種群外部形態和生長結果顯示北太平洋柔魚(Ommastrephesbartramii)角質顎形態參數雌性均大于雄性,且冬春生種群雌、雄差異大于秋生種群。Bolstad等[28]研究認為,強壯桑椹烏賊(Moroteuthisingens)雌、雄角質顎的生長存在差異,且雌性大于雄性,成熟的雌性角質顎整體顏色較深,側壁增厚且有褶皺[29]。胡貫宇等[30]研究顯示,不同胴長、性成熟階段,雌雄個體角質顎存在差異。Fang等[31]利用角質顎微結構對柔魚進行日齡鑒定并研究其生長,發現雌性的日齡大于雄性,隨著年齡增長,胴長和體重之間的線性關系能很好用于描述雌、雄間年齡變化。李建華等[32]研究認為,東太平洋公海海域莖柔魚雌、雄個體年齡結構、性成熟胴長、生長率等差異明顯,隨著性腺的逐漸成熟,莖柔魚雌、雄個體角質顎上脊突長(UCL)增長最快[33]。然而,許嘉錦等[34]分析發現臺灣產砂蛸(Octopusaegina)與邊蛸(Omarginatus)雌、雄個體的角質顎沒有明顯差異。

大種群雌、雄的下頭蓋長(LHL)、上翼長(UWL)差異不顯著(P>0.1),說明大種群雌、雄間下頭蓋長(LHL)、上翼長(UWL)存在較高的相似程度,不易被區分開。馬迪等[35]對東海2種常見烏賊類種類研究,結果認為,下頭蓋長(LHL)差異不顯著,該結果與本文結果相反。莖柔魚不同生長發育攝食習性不同[36],雌、雄角質顎不同形態參數在攝食過程起的作用也不同,同時雌、雄角質顎差異顯著的部位主要是脊突和側壁[1],形態差異可能會促進被捕食者的大小和種類的轉變[37-39]。

3.2 不同種群角質顎形態的差異

頭足類角質顎物質的沉積是連續的、穩定的、不可逆的,可用于記錄頭足類整個生活史[40-41],并廣泛用于攝食生態學研究[42]、種類的鑒定[43]及種群的劃分[44-45]。3個種群角質顎差異結果顯示,各形態參數在3個種群間差異極顯著(P<0.01),大種群的角質顎最大,其次是中種群,小種群最小。相關研究認為,角質顎大小與胴長的生長基本是同步調的[46]。Lefkaditou等[47]對地中海東北地區尖盤愛爾斗蛸(Eledonecirrhosa)的角質顎特征進行研究,發現角質顎各形態參數和胴長、體重的關系均呈冪函數關系。角質顎的長度也會隨著食性的改變而改變[48-49]。角質顎大的莖柔魚其機能各方面游泳速度快、反應靈敏能夠攝食更廣的食物,促進食物的高效利用[50]。本文莖柔魚角質顎脊突(CL)、蓋長(HL)普遍比其他形態參數大,且大種群角質顎的上脊突長(UCL)、上頭蓋長(UHL)、上喙長(URL)是中種群長兩倍左右。由于上下角質顎外形特點不同,上脊突長(UHL)、上頭蓋長(UCL)可看作是上角質顎水平方向的生長標志,上喙長(URL)可看作是上角質顎在垂直方向上的生長標志。不同形態發揮的作用不同,脊突(CL)、蓋長(HL)起捕獲、撕碎食物的一個支撐作用,生長速度快能提高莖柔魚角質顎咬合力從而提高捕食效率,所以比其他莖柔魚角質顎形態大。

近年來許多研究者嘗試用角質顎形態來鑒別種類相近、棲息環境相似的頭足類[34,51]。例如,Liu等[52]將莖柔魚軟體組織用于種群判別分析結果為77.3%,而用角質顎原始數據形態參數判別結果達到89.5%,甚至用標準化后的角質顎形態參數判別結果能達到100%。Martínez等[51]用角質顎進行種群的判別率(83.0%)顯著高于軟體組織的判別率(72.3%)。之后相關研究者進一步對角質顎長度進行研究,表示標準化后的角質顎長度能夠更好地消除個體大小差異的影響,判定效果會更準確、更有效。例如,劉必林等[12]在進行標準化處理時,選用上頭蓋長作為自變量,將其余的長度參數和上頭蓋長建立線性關系,進而進行后續分析,得到了所有種類的判別正確率都達到100%的結果。陳芃等[53]對秋生群體、冬生群體的柔魚進行角質顎逐步判別分析,判別率達到90.9%。方舟等[54]對中國槍烏賊(Loligochinensis)、杜氏槍烏賊(Uroteuthisduvauceli)等6科類進行角質顎原始數據和胴長標準化數據判別分析對比,發現標準化后的判別正確率比原始數據高,同時闡述了結合胴長數據對角質顎長度進行標準化處理,可獲得更準確地判別結果。同理,本文利用標準化后的角質顎形態參數對3個種群進行判別分析,3個種群判別正確率均在93%以上。綜上所述,標準化后的角質顎長度用于判別分析效果會更準確、更有效,可以廣泛運用于頭足類的種類和種群的判別[18]。

4 結論

東太平洋海域莖柔魚雌、雄之間差異顯著,雌性角質顎各形態參數長度顯著大于雄性。3個種群角質顎各形態參數差異極顯著,本研究利用標準化的角質顎形態參數進行判別,效果顯著。在今后的研究中,通過對莖柔魚3個不同的種群進行劃分,進一步分析不同種群的生物學特征及其差異,研究不同種群的生長、攝食生態和洄游特性,可以為莖柔魚的資源評估和管理提供科學依據。