利用角质颚形态判别东太平洋茎柔鱼3个不同种群的可行性研究

李金桧,赵振方,刘必林,2,3,4,5,方舟,2,3,4,5,胡贯宇,2,3,4,5*,陈新军,2,3,4,5

(1.上海海洋大学 海洋科学学院,上海 201306;2.上海海洋大学 大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室,上海 201306;3.上海海洋大学 国家远洋渔业工程技术研究中心,上海 201306;4.上海海洋大学 农业农村部大洋渔业开发重点实验室,上海 201306;5.农业农村部大洋渔业资源环境科学观测实验站,上海 201306)

引 言

茎柔鱼(Dosidicusgigas),隶属于柔鱼科(Ommastrephidae)、茎柔鱼属(Dosidicus)。其生长迅速,生命周期短,一般只有一年[1],对环境变化的适应性强,广泛分布于东太平洋[2-3],资源丰富而且生态地位极高,是海洋生态系统的重要组成部分[4]。此外,茎柔鱼是柔鱼科中个体最大、资源量最为丰富的种类之一,是我国远洋渔业重要的目标经济种类[2,5-7]。

据FAO统计,2000年全球茎柔鱼总产量为21.0万t,随后呈现波动上升的趋势,2019年全球茎柔鱼总产量为93.9万t,中国茎柔鱼总产量为33.1万t。茎柔鱼经历一次产卵周期后死亡,性成熟体长通常代表着其最大体长[8-9]。最早Nigmatullin等[3]提出根据性成熟雄性和雌性个体的胴长将茎柔鱼划分为3个种群,即小种群:雄、雌胴长范围分别为130～260 mm、140～340 mm;中种群:雄、雌胴长范围分别为240～420 mm、280～600 mm;大种群:雄、雌胴长范围分别为>400～500 mm、>550～650 mm。除此之外,Nesis K等[10]和Argüelles等[11]也根据茎柔鱼性成熟的个体大小对其种群进行了划分,研究茎柔鱼的种群结构。然而,不同种群的生长特性和资源量可能存在差异,对茎柔鱼的资源评估存在较大的影响,因此,茎柔鱼种群的判别对茎柔鱼资源的评估和管理极为重要。

角质颚是位于头足类口球内的硬组织,由上颚和下颚两部分组成[12],是头足类的主要摄食器官。其主要成分是几丁质和蛋白质[13],且与耳石和内壳等其它硬组织一样具有稳定的形态特征,蕴含着许多生物学信息[14]。角质颚稳定的形态结构和极强的耐腐性使其经常存在于捕食者的胃含物中,在头足类的分类鉴定中起着重要的作用。近年来,角质颚被广泛用于种群判别、分类和摄食生态等研究[15]。本文通过分析角质颚形态在性别和种群间的差异,并根据标准化后的形态参数建立判别函数,对茎柔鱼不同种群进行判别,为茎柔鱼的资源评估和管理提供基础。

1 材料和方法

1.1 采集的时间和地点

茎柔鱼样本委托专业鱿钓船采集,样本的采集时间为2018年7月—2020年12月,采样地点为东太平洋公海海域(79°26′～120°32′W,02°19′N～20°24′S)。

1.2 生物学测定和角质颚提取

样本采集时,每一采集站点的样本从渔获物中随机获得,将茎柔鱼样本带回实验室并解冻,测量茎柔鱼的胴长(mm)、体重(g),对其性别和性腺成熟度进行鉴定,其中性成熟个体共计661尾,雌、雄样本数分别为154和507尾,根据性成熟胴长来划分大、中、小三个种群,其中小种群雌性55尾,雄性232尾;中种群雌性48尾,雄性203尾;大种群雌性51尾,雄性72尾。角质颚位于头部口器中,下颚盖嵌上颚,因此,提取角质颚时应先用镊子取出下颚,再取上颚,对取出的角质颚进行编号,用清水先冲洗干净,尽量去除附在表面的有机物质,并将其保存在70%的乙醇溶液中。

1.3 角质颚形态测量

测量时,使用数显游标卡尺对角质颚的12个形态参数进行长度测量[16](图1)。首先在水平和垂直方向上对卡尺进行校准[17],然后对角质颚的外部形态进行测量,测量结果精确至0.01 mm。测量完存放于装有75%乙醇溶液的50 mL离心管中。

图1 角质颚外部形态测量示意图

1.4 数据处理方法

为了消除个体大小的影响,本研究利用胴长对茎柔鱼角质颚各形态参数进行标准化处理[18],公式如下:

(1)

lnY=lna+blnML+ε,ε～N(0,δ2)

(2)

a和b是估算参数,ε～N(0,δ2)表示残差相符合正态分布[19]。角质颚的形态学变量通过ML来进行标准化,标准化后的形态参数变量在每个变量的后面加s来标识,即UCLs、URLs、ULWLs、UWLs、LCLs、LRLs、LLWLs等。

利用方差分析(ANOVA)来检验3个不同种群角质颚形态参数差异,同时采用逐步判别分析法(stepwise discriminant analysis,SDA)对标准化后的角质颚参数进行筛选,建立判别函数,从而计算出判别正确率[20]。主成分分析(principal component analysis,PCA)是一种常用的多变量分析方法,主要通过降维将一些相关联的数值转化成少数不相互关联的指标[21]。本文对3个种群雌、雄间12项角质颚形态参数进行t-检验、主成分分析,便于找出能够表征角质颚主要特征的形态参数[22]。本研究利用SPSS 26.0和R4.1.1进行统计分析。

2 结果

2.1 角质颚形态的性别差异

在雌、雄个体的角质颚差异性方面,t-检验结果显示(表1),除了下头盖长(LHL),小、中种群雌、雄间的角质颚形态参数差异均显著(P<0.05);除了上翼长(UWL)、下头盖长(LHL),大种群雌、雄间的角质颚形态参数差异均显著(P<0.05)。3个种群的雌性个体的角质颚形态参数均大于雄性。主成分分析结果显示(表2),第一主成分特征值为4.975,主要反映在LRLs,解释总变异的41.46%;第二主成分特征值为3.713,主要反映在UHLs这一形态参数中,解释总变异的30.95%,第三主成分特征值为1.426,主要反映在UCLs,因此在角质颚所有形态参数中LRLs形态参数对主成分分析贡献最大。角质颚形态在雌、雄之间存在差异,与中种群相比,大、小种群雌、雄间的的主成分散点重叠更少(图2)。

表1 3个种群雌、雄角质颚形态差异(均值±标准差)

表2 传统测量法对角质颚形态的主成分分析

图2 3个种群雌、雄角质颚形态参数的主成分分析:(A)小种群、(B)中种群、(C)大种群

2.2 不同种群角质颚形态的差异

方差分析(ANOVA)结果显示,角质颚各形态参数在3个种群间(表3)、两两种群间差异极显著(P<0.01)(表4),大种群的角质颚最大,其次是中种群,小种群最小,大型群角质颚的上脊突长(UCL)、上头盖长(UHL)、上喙长(URL)是中型群长两倍左右;逐步判别分析结果显示(表5),10个标准化后的角质颚参数被选择用于最终的判别分析,分别是上头盖长(UHLs)、下脊突长(LCLs)、上喙宽(URWs)、下侧壁长(LLWLs)、上侧壁长(ULWLs)、上喙长(URLs)、上脊突长(UCLs)、上翼长(UWLs)、下头盖长(LHLs)、下喙长(LRLs),其中上头盖长(UHLs)、下脊突长(LCLs)、上喙宽(URWs)贡献了绝大部分的种间差异。同时根据10项形态参数对3个种群建立判别函数:

表3 茎柔鱼3个种群的形态参数

表4 茎柔鱼种群间的形态参数差异

表5 茎柔鱼角质颚形态的逐步判别分析结果

茎柔鱼小种群:

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

茎柔鱼中种群:

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

茎柔鱼大种群:

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

利用上述判别函数得出判别正确率,大、中、小3个种群的判别正确率分别为100%、93.2%和98.6%,综合判别正确率为97.3%,交叉验证的结果与初始判别相似,大、中、小3个种群的判别正确率分别是100%、92.8%、98.6%,3个种群总判别正确率为97.13%(表6,图3)。

表6 茎柔鱼三个种群的判别正确率

图3 3个种群角质颚参数的判别分析

3 讨论

3.1 角质颚形态的性别差异

角质颚作为头足类的重要硬组织,在头足类种类中,雌、雄个体之间的异速生长普遍存在[23-27]。本研究发现,除了上翼长和下头盖长,3个种群角质颚参数值雌性均显著大于雄性。相关论文同样研究表明雌性的角质颚大于雄性,例如,方舟等[8]研究2个种群外部形态和生长结果显示北太平洋柔鱼(Ommastrephesbartramii)角质颚形态参数雌性均大于雄性,且冬春生种群雌、雄差异大于秋生种群。Bolstad等[28]研究认为,强壮桑椹乌贼(Moroteuthisingens)雌、雄角质颚的生长存在差异,且雌性大于雄性,成熟的雌性角质颚整体颜色较深,侧壁增厚且有褶皱[29]。胡贯宇等[30]研究显示,不同胴长、性成熟阶段,雌雄个体角质颚存在差异。Fang等[31]利用角质颚微结构对柔鱼进行日龄鉴定并研究其生长,发现雌性的日龄大于雄性,随着年龄增长,胴长和体重之间的线性关系能很好用于描述雌、雄间年龄变化。李建华等[32]研究认为,东太平洋公海海域茎柔鱼雌、雄个体年龄结构、性成熟胴长、生长率等差异明显,随着性腺的逐渐成熟,茎柔鱼雌、雄个体角质颚上脊突长(UCL)增长最快[33]。然而,许嘉锦等[34]分析发现台湾产砂蛸(Octopusaegina)与边蛸(Omarginatus)雌、雄个体的角质颚没有明显差异。

大种群雌、雄的下头盖长(LHL)、上翼长(UWL)差异不显著(P>0.1),说明大种群雌、雄间下头盖长(LHL)、上翼长(UWL)存在较高的相似程度,不易被区分开。马迪等[35]对东海2种常见乌贼类种类研究,结果认为,下头盖长(LHL)差异不显著,该结果与本文结果相反。茎柔鱼不同生长发育摄食习性不同[36],雌、雄角质颚不同形态参数在摄食过程起的作用也不同,同时雌、雄角质颚差异显著的部位主要是脊突和侧壁[1],形态差异可能会促进被捕食者的大小和种类的转变[37-39]。

3.2 不同种群角质颚形态的差异

头足类角质颚物质的沉积是连续的、稳定的、不可逆的,可用于记录头足类整个生活史[40-41],并广泛用于摄食生态学研究[42]、种类的鉴定[43]及种群的划分[44-45]。3个种群角质颚差异结果显示,各形态参数在3个种群间差异极显著(P<0.01),大种群的角质颚最大,其次是中种群,小种群最小。相关研究认为,角质颚大小与胴长的生长基本是同步调的[46]。Lefkaditou等[47]对地中海东北地区尖盘爱尔斗蛸(Eledonecirrhosa)的角质颚特征进行研究,发现角质颚各形态参数和胴长、体重的关系均呈幂函数关系。角质颚的长度也会随着食性的改变而改变[48-49]。角质颚大的茎柔鱼其机能各方面游泳速度快、反应灵敏能够摄食更广的食物,促进食物的高效利用[50]。本文茎柔鱼角质颚脊突(CL)、盖长(HL)普遍比其他形态参数大,且大种群角质颚的上脊突长(UCL)、上头盖长(UHL)、上喙长(URL)是中种群长两倍左右。由于上下角质颚外形特点不同,上脊突长(UHL)、上头盖长(UCL)可看作是上角质颚水平方向的生长标志,上喙长(URL)可看作是上角质颚在垂直方向上的生长标志。不同形态发挥的作用不同,脊突(CL)、盖长(HL)起捕获、撕碎食物的一个支撑作用,生长速度快能提高茎柔鱼角质颚咬合力从而提高捕食效率,所以比其他茎柔鱼角质颚形态大。

近年来许多研究者尝试用角质颚形态来鉴别种类相近、栖息环境相似的头足类[34,51]。例如,Liu等[52]将茎柔鱼软体组织用于种群判别分析结果为77.3%,而用角质颚原始数据形态参数判别结果达到89.5%,甚至用标准化后的角质颚形态参数判别结果能达到100%。Martínez等[51]用角质颚进行种群的判别率(83.0%)显著高于软体组织的判别率(72.3%)。之后相关研究者进一步对角质颚长度进行研究,表示标准化后的角质颚长度能够更好地消除个体大小差异的影响,判定效果会更准确、更有效。例如,刘必林等[12]在进行标准化处理时,选用上头盖长作为自变量,将其余的长度参数和上头盖长建立线性关系,进而进行后续分析,得到了所有种类的判别正确率都达到100%的结果。陈芃等[53]对秋生群体、冬生群体的柔鱼进行角质颚逐步判别分析,判别率达到90.9%。方舟等[54]对中国枪乌贼(Loligochinensis)、杜氏枪乌贼(Uroteuthisduvauceli)等6科类进行角质颚原始数据和胴长标准化数据判别分析对比,发现标准化后的判别正确率比原始数据高,同时阐述了结合胴长数据对角质颚长度进行标准化处理,可获得更准确地判别结果。同理,本文利用标准化后的角质颚形态参数对3个种群进行判别分析,3个种群判别正确率均在93%以上。综上所述,标准化后的角质颚长度用于判别分析效果会更准确、更有效,可以广泛运用于头足类的种类和种群的判别[18]。

4 结论

东太平洋海域茎柔鱼雌、雄之间差异显著,雌性角质颚各形态参数长度显著大于雄性。3个种群角质颚各形态参数差异极显著,本研究利用标准化的角质颚形态参数进行判别,效果显著。在今后的研究中,通过对茎柔鱼3个不同的种群进行划分,进一步分析不同种群的生物学特征及其差异,研究不同种群的生长、摄食生态和洄游特性,可以为茎柔鱼的资源评估和管理提供科学依据。