高會曉，崔妍，杜杰，仇雪梅，楊潤清，劉海金，劉永新

(1．大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖重點實驗室，遼寧大連116023;2．上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海200240;3．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院，北京100141)

牙鲆Paralichthys olivaceus俗稱牙片、比目魚、偏口，隸屬于輻鰭魚綱、鰈形目、鰈亞目、牙鲆科、牙鲆屬，廣泛分布于中國渤海、黃海、東海、南海，以及朝鮮、日本、俄國遠東沿岸海區(qū)。牙鲆具有體型大、生長快、肉質(zhì)鮮美、營養(yǎng)豐富等特點，是一種經(jīng)濟價值很高的海水增養(yǎng)殖魚類［1-2］。牙鲆養(yǎng)殖從20世紀(jì)50年代開始，至90年代后得到快速發(fā)展，但由于近親繁殖、近交累積，出現(xiàn)了種質(zhì)退化、繁殖力下降等問題，阻礙了牙鲆養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，為此，以重要的經(jīng)濟性狀為目標(biāo)，以遺傳育種學(xué)理論和數(shù)量遺傳學(xué)為依據(jù)，制定合理的牙鲆育種方案，才能培育出優(yōu)良的養(yǎng)殖品種［3-4］。

生長可以分為絕對生長和相對生長，絕對生長是單位時間內(nèi)的絕對增量，相對生長是單位時間內(nèi)的增加量占整體增量的比值。在比較不同動物的生長速率時，絕對生長常受到限制，在此情況下用相對生長來表示就顯得比較合理。因此，對魚類體質(zhì)量和形態(tài)性狀相對生長的遺傳分析越來越受到關(guān)注。佟雪紅等［5］對20～40日齡牙鲆進行了絕對生長率和特定生長率的測定，發(fā)現(xiàn)體高是該時期影響體質(zhì)量的主要性狀，牙鲆變態(tài)期間和變態(tài)后的體質(zhì)量、體長和體高雖然一直呈增長狀態(tài)，但每天的增長幅度一直在下降。馬境等［6］對施氏鱘Acipenser schrenckii仔魚發(fā)育的研究發(fā)現(xiàn)，仔魚許多關(guān)鍵器官存在異速生長現(xiàn)象，如眼徑、口寬、尾鰭長、胸鰭長在拐點 (2日齡、8～9日齡、10日齡、11日齡)之前快速生長，拐點之后生長速度減慢甚至近似等速生長。對于重復(fù)測量的生長和發(fā)育性狀，早期的方法是用單變量動物模型分別對每個生長點進行分析，然后用多變量遺傳分析來估計這些生長點的遺傳力和遺傳相關(guān)。但是如果測量的生長點太多或者沒有測量每個生長點的所有個體，這種方法便不適用。隨機回歸模型不僅能靈活地估計任意點的遺傳力以及它們之間的遺傳相關(guān)，還能預(yù)測特定生長點的育種值，因此，也有學(xué)者用隨機回歸的方法對魚類的生長進行了遺傳分析［7-8］。

Snell［9］在1892年首次提到異速生長這個概念，之后 D'arcy［10］在 1917 年，Huxley 等［11］在 1932 年又對其進行了闡述。異速生長在自然界廣泛存在，它旨在描述生物學(xué)性狀、組織功能和體大小之間相對生長率的關(guān)系。由于有機體在物理學(xué)、幾何學(xué)和功能上具有很大的相關(guān)性［12］，所以異速生長涉及到生理學(xué)、形態(tài)學(xué)、發(fā)育學(xué)、解剖學(xué)、生活史、生態(tài)學(xué)、進化生物學(xué)等各個方面［13-15］。Huxley等［11］提出的簡單異速方程，初步量化了異速生長尺度。作為簡單異速生長方程的獨立變量，生物性狀和功能不僅包括部分體大小，還包括部分體形狀、密度、體積、代謝速率等。為了分析多個部分體大小對整體體大小的異速生長尺度，Gao等［16］于2013年提出了聯(lián)合異速生長尺度模型的概念，此模型適用于同時分析多個生物性狀和相同或者相似的功能，以及多種因素對多個異速生長尺度的影響。

通過把簡單異速生長尺度方程分解為混合線性模型的加性遺傳效應(yīng)［17-18］和QTL定位遺傳模型的基因型效應(yīng)［19-21］，能對生物學(xué)性狀和功能相對體大小的異速生長尺度進行遺傳分析。本研究中，首先構(gòu)建包含整體體大小和多個部分體大小的表型信息的最佳聯(lián)合異速生長尺度模型;然后把最佳聯(lián)合異速生長尺度模型作為一個子模型建立兩個隨機回歸模型，用于多個異速生長尺度的遺傳分析;最后把遺傳模型應(yīng)用于牙鲆不同生長時期多個體形態(tài)性狀分別對體長和體質(zhì)量的聯(lián)合異速生長尺度分析。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2009年在河北省秦皇島市中國水產(chǎn)科學(xué)研究院北戴河中心試驗站進行，牙鲆親魚包含52個全同胞家系，其中30個父本，31個母本。

1.2 方法

1．2．1 試驗設(shè)計 從每個家系取180尾魚苗，分別飼養(yǎng)在有流動海水、規(guī)格為300 cm×100 cm×100 cm的矩形缸中。在0～25日齡時投喂輪蟲，15～60日齡投喂鹵蟲，60日齡以后喂食干料粒。當(dāng)魚苗培養(yǎng)至180日齡時，從每個家系抽出100個個體進行 PTT標(biāo)記 (PIT tags，Trovan，Ltd，Germany)。用標(biāo)簽標(biāo)記以后，把每個家系的魚隨機分配到室內(nèi)規(guī)格為100 m2的相同缸中，并喂以過量的標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)飼料。水溫控制在15．4～22．3℃，每天從8:00～18:00光照10 h。

本研究中測量了4939尾牙鲆的體質(zhì)量、體長(L)、頭長 (LH)、尾柄長 (LCP)、體高 (H)、尾柄高 (HCP)、全長 (LF)、尾鰭長 (LCF)等18個表型性狀。測量前，用2-苯氧乙醇對每個個體進行麻醉。測量時，把試驗魚放入帶尺子的淺水中，在同一高度照相形成電子相片，再用軟件測量電子相片上魚的尺寸，并根據(jù)比例還原為真實數(shù)據(jù)。共有15 224個記錄，分別為 150、180、240、330、360、450、500、653日齡時的測量值。大多數(shù)性狀在150、180、240、360、450、500、653日齡時有記錄，但在150、180、240、360日齡時記錄較多。試驗材料和測量由北戴河實驗中心提供。

從數(shù)據(jù)中集中剔除表型記錄不完整和親本未知的個體，且表型值被控制在一個性狀的表型平均值左右、標(biāo)準(zhǔn)差的3倍以內(nèi)。以此為依據(jù)對數(shù)據(jù)進行處理后，數(shù)據(jù)中性狀測量完整的個體數(shù)為4939，總記錄數(shù)為13 413。對7個年齡組的體質(zhì)量、體長、頭長、尾柄長、體高和尾柄高6個性狀的表型信息進行統(tǒng)計 (表1)，從數(shù)據(jù)中可以得到一個包含30個父本、31個母本、5001個個體組成的系譜，用于牙鲆多個表型性狀相對體質(zhì)量或體長異速生長的遺傳分析。

1．2．2 聯(lián)合異速生長尺度模型 β Huxley等［11］提出的簡單異速生長方程為xi=ayb，其中xi為要研究的性狀屬性值，y為某一物種的整體體大小，a為異速生長系數(shù)，b為異速生長指數(shù)。Gao等［16］提出的一個能同時估計多個部分體大小相對于整體體大小異速生長的聯(lián)合異速生長尺度模型為

其中:β0為標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù);βi(i=1，2，…，m)為第i部分體大小相對于整體體大小的異速生長指數(shù)。對模型 (1)的兩邊取自然對數(shù)后可使計算更方便，得到的方程為

1．2．3 多個異速生長的遺傳分析 將整體體大小的自然對數(shù)形式用單個性狀動物模型可表示為

其中:bj為第j個個體的固定效應(yīng);ai為第i個個體的加性遺傳效應(yīng);xi為與bj相對應(yīng)的單位矩陣;ei為服從正態(tài)分布的殘余誤差，其期望值為0，方差為。為了對多個部分體大小相對整體體大小的異速生長進行遺傳分析，在模型(3)中，把固定效應(yīng)和加性遺傳效應(yīng)鑲嵌到模型(2)中，得到隨機回歸動物模型［22-24］為

令

根據(jù)指示矩陣，模型 (3)可變?yōu)?/p>

lnyi的期望和協(xié)方差分別為

其中:A為分子關(guān)系矩陣;G和P分別為加性遺傳協(xié)方差矩陣和永久環(huán)境協(xié)方差矩陣，分別代表多個異速生長尺度中的加性遺傳效應(yīng)和永久環(huán)境效應(yīng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過DMU軟件計算得到加性遺傳協(xié)方差矩陣和永久環(huán)境效應(yīng)矩陣，第i部分體大小相對整體體大小異速生長的遺傳力可用下式進行計算:

其中:i，j=1，2，…，m;Cova(i，j)為G矩陣的第i行、第j列的非對角元素。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)性狀相對體質(zhì)量的異速生長

在進行遺傳分析之前，通過SAS軟件對牙鲆所有的性狀進行逐步回歸分析。在測量的18個性狀中，有5個性狀 (體長x1、頭長x2、尾柄長x3、體高x4、尾柄高x5)相對體質(zhì)量y的異速生長顯著。剔除異速生長指數(shù)不顯著的性狀后，建立了估計體質(zhì)量與體長、頭長、尾柄長、體高、尾柄高之間的最佳表型聯(lián)合異速生長尺度模型為

當(dāng)異速生長指數(shù)β＞1時，表示該性狀的生長速度慢于體質(zhì)量;β＜1時，表示該性狀的生長速度快于體質(zhì)量;β=1時，表示該性狀與體質(zhì)量等速生長［25］。從式(7)可知，除了體長x1的生長速度慢于體質(zhì)量外，其他形態(tài)性狀的生長速度均快于體質(zhì)量。利用DMU軟件對牙鲆這5個性狀相對于體質(zhì)量的異速生長性狀進行分析，結(jié)果見表2。從表2可見:從左上到右下的斜對角線上的值為各個性狀的估計遺傳力，在相對體質(zhì)量的異速生長中，除了體高表現(xiàn)為低遺傳力 (0．251)外，其他形態(tài)性狀的遺傳力均表現(xiàn)為高遺傳力;相對體質(zhì)量的異速生長的形態(tài)性狀之間的遺傳相關(guān)在大小和方向上均表現(xiàn)出差異性;體高和體長兩個性狀表現(xiàn)出最大負(fù)遺傳相關(guān)，為-0．695，表明與其他性狀相比，這兩個性狀相對體質(zhì)量的變化在遺傳上最為密切，但是它們相對體質(zhì)量的變化卻表現(xiàn)相反;而體長和尾柄高之間的遺傳相關(guān)最小 (0．029)。在相對體質(zhì)量異速生長的表型相關(guān)中，除了尾柄長和尾柄高為正相關(guān)外，其他性狀均為負(fù)值，這表明這些性狀的表型相關(guān)是相反的;體高和體長性狀具有最大表型負(fù)相關(guān)，為-0．704。

表2 5個形態(tài)性狀相對體質(zhì)量異速生長的估計遺傳力、表型相關(guān) (上三角)和遺傳相關(guān) (下三角)Tab.2 Estimated heritabilities and phenotypic(upper triangle)and genetic(lower triangle)correlations in allometries of the 5 morphological traits to body weights

2.2 形態(tài)性狀相對體長的異速生長

通過對體長x1和17個表型性狀進行逐步回歸分析，得到頭長x2、尾柄長x3、體高x4和尾柄高x54個形態(tài)性狀相對體長的異速生長是顯著的，建立估計體長與頭長、尾柄長、體高、尾柄高之間的最佳表型聯(lián)合異速生長尺度模型為

與體長相比，這4個形態(tài)性狀的異速生長指數(shù)均較低。頭長相對體長生長最快，體高次之，尾柄高相對體高的增長速度最慢。同樣用DMU軟件對這4個性狀進行遺傳分析，結(jié)果見表3。從表3可見:從左上到右下的斜對角線上的值亦是這4個性狀的估計遺傳力，尾柄高相對體長的異速生長的遺傳力最高，為0．871，而其他性狀相對體長的遺傳力均表現(xiàn)為中等;尾柄長和體高的遺傳相關(guān)表現(xiàn)較弱，為0．210，而其他性狀相對體長的遺傳相關(guān)均為負(fù)值;除了頭長和尾柄高兩個性狀外，表型相關(guān)普遍高于遺傳相關(guān)。

表3 4個形態(tài)性狀相對體長異速生長的估計遺傳力、表型相關(guān) (上三角)和遺傳相關(guān) (下三角)Tab.3 Estimated heritabilities and phenotypic(upper triangle)and genetic(lower triangle)correlations in allometries of the four morphological traits to body lengths

3 討論

Huxley［11］提出的簡單異速生長方程是對單一獨立變量的簡單回歸分析。劉永新等［26］對牙鲆180、240、360日齡的體質(zhì)量、體長、體高進行遺傳分析時發(fā)現(xiàn)，這幾個性狀的遺傳力均屬中等，能夠作為指標(biāo)進行選擇育種。宋洪建等［27］分別對大馬哈魚Oncorhynchus keta卵黃囊期仔魚器官的異速生長指數(shù)進行單獨估計，結(jié)果表明，在大麻哈魚卵黃囊期，仔魚的頭部和尾部比軀干生長較快，頭部的快速增長是為了形成有效的攝食器官以滿足攝食的需求，其尾部的快速發(fā)育是為了避免被捕食。Baldauf等［28］比較了雌性帶紋矛耙麗魚Pelvicachromis taeniatus的腹鰭、尾鰭、臀鰭、胸鰭和背鰭對體大小的異速生長，發(fā)現(xiàn)腹鰭與其他鰭相比具有顯著差異，腹鰭是等速生長，而其他鰭相對于體大小是負(fù)異速生長。Zelditch等［29］對小虎魚紅腹水虎魚Pygocentrus nattereri體型變化的個體發(fā)育研究表明，個體發(fā)育過程中體型的變化不只是簡單大規(guī)模事件的統(tǒng)一，而是局部小規(guī)模性狀變化相互作用的結(jié)果。吳水清等［25］研究斜帶石斑魚 Epinephelus coioides(♀)×鞍帶石斑魚E．lanceolatus(♂)雜交子代仔、稚魚的簡單異速生長時也發(fā)現(xiàn)，有關(guān)攝食、感覺、運動等功能器官在早期得到優(yōu)先發(fā)育。然而單獨計算每個性狀的異速生長指數(shù)沒有考慮性狀之間的相互影響，并不十分精確，而Gao等［16］的聯(lián)合異速生長尺度模型是對多個獨立變量進行的多元回歸分析，考慮了各個性狀的相關(guān)性，能更精確地估計每個性狀相對整體大小的異速生長尺度。把聯(lián)合異速生長尺度模型作為子模型，建立一個以整體大小的對數(shù)作為目標(biāo)性狀的隨機回歸模型，本研究在此基礎(chǔ)上對牙鲆多個形態(tài)性狀相對體質(zhì)量或體長的異速生長進行了遺傳分析。結(jié)果表明:在遺傳力方面，只有體高相對體質(zhì)量表現(xiàn)為低遺傳力，其他性狀均表現(xiàn)為高等或中等遺傳力，說明大多數(shù)性狀具有較好的遺傳性能;相對體質(zhì)量的異速生長中，體高和頭長在表型和遺傳上均表現(xiàn)為最大負(fù)相關(guān)，說明這兩個性狀的變化無論是在表型上還是在遺傳上都是相反的;除了體長與尾柄高、頭長與體高、尾柄長與體高這3對性狀外，其他性狀之間的遺傳相關(guān)和表型相關(guān)都一致;在相對體長的生長中，只有頭長與尾柄的遺傳相關(guān)和表型相關(guān)符號相反。異速生長的遺傳參數(shù)估計對于指導(dǎo)并改善牙鲆的表型性狀和體質(zhì)量具有重要意義，也將有助于對體質(zhì)量遺傳進化的相關(guān)體形進行選擇。

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