曾令清 , 付世建 , 曹振東

重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室 動(dòng)物生物學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　401331

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鯽幼魚(Carassiusauratus)標(biāo)準(zhǔn)代謝個(gè)體差異與力竭后代謝特征及行為的關(guān)聯(lián)

曾令清 , 付世建 , 曹振東*

重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室 動(dòng)物生物學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401331

摘要:為考察鯽(Carassius auratus)幼魚標(biāo)準(zhǔn)代謝的個(gè)體差異與運(yùn)動(dòng)力竭后代謝特征和行為的關(guān)系，在(25.0±0.5) ℃條件下測(cè)定80尾鯽幼魚標(biāo)準(zhǔn)代謝率(SMR)，篩選出40尾實(shí)驗(yàn)魚[體重(13.54±0.20)g，體長(8.05±0.07)cm]，其中包括20尾高SMR個(gè)體和20尾低SMR個(gè)體，測(cè)定運(yùn)動(dòng)至力竭實(shí)驗(yàn)魚的最大代謝率(MMR)，并計(jì)算代謝空間(AS=MMR-SMR)、相對(duì)代謝空間(FAS)和過量耗氧(EPOC)總量，隨后測(cè)定單尾魚的快速啟動(dòng)行為[反應(yīng)時(shí)間(RT)、最大線速度(Umax)、最大線加速度(Amax)和120ms移動(dòng)距離(S120)]以及個(gè)性行為(勇敢性和活躍性)。結(jié)果顯示鯽幼魚的SMR與AS、FAS和EPOC總量均呈負(fù)相關(guān)，而與MMR不相關(guān)；MMR與AS、FAS和EPOC總量均呈正相關(guān)；協(xié)方差分析顯示高SMR個(gè)體組的代謝恢復(fù)速率與低SMR個(gè)體組無顯著差異。鯽幼魚的SMR與快速啟動(dòng)行為的RT呈正相關(guān)，與Amax呈負(fù)相關(guān)，而與Umax和S120均不相關(guān)。在快速啟動(dòng)行為中，鯽幼魚的RT與Umax、Amax和S120均呈負(fù)相關(guān)，而Umax與Amax和S120呈正相關(guān)。鯽幼魚的SMR與其勇敢性指標(biāo)如潛伏期(L)、曝露時(shí)間(ET)和探頭頻率(AF)以及活躍性指標(biāo)如運(yùn)動(dòng)時(shí)間比(PTM)、撞墻頻率(FHW)均不相關(guān)，但鯽幼魚的PTM與FHW和ET呈正相關(guān)。研究表明在實(shí)驗(yàn)室條件下鯽幼魚的能量代謝特征、快速啟動(dòng)和個(gè)性行為存在明顯的個(gè)體差異現(xiàn)象，并且部分表型特征之間存在權(quán)衡，提示這些權(quán)衡可能是鯽幼魚的生理、行為與棲息環(huán)境相互作用的綜合結(jié)果。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)代謝率；快速啟動(dòng)；個(gè)性行為；個(gè)體差異；鯽

穩(wěn)定個(gè)體差異(CIDs)是自然界普遍存在的現(xiàn)象，它是指動(dòng)物表型特征(如形態(tài)、生理和行為)存在個(gè)體差異并且這種差異在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，即表型特征可重復(fù)測(cè)量[1- 2]。能量代謝是動(dòng)物生理功能維持和行為特征展現(xiàn)的內(nèi)在基礎(chǔ)，多以動(dòng)物個(gè)體的耗氧率(MO2)表征，常見參數(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)代謝率(SMR)、最大代謝率(MMR)和代謝空間(AS=MMR-SMR)和相對(duì)代謝空間(FAS=MMR/SMR)等。由于SMR是評(píng)價(jià)動(dòng)物生活史的重要參數(shù)之一，多數(shù)研究以標(biāo)準(zhǔn)代謝率的個(gè)體差異作為研究起點(diǎn)[3- 5]，因?yàn)镾MR的高低在一定程度上影響動(dòng)物其它機(jī)體生理功能(如生長、運(yùn)動(dòng)、繁殖)的水平[2- 3]。早期研究主要聚焦于小型哺乳類、兩棲爬行類和鳥類等脊椎動(dòng)物[3]，而近期魚類的相關(guān)研究也逐漸引起研究者的廣泛關(guān)注[3- 5]?？疾靹?dòng)物SMR的個(gè)體差異對(duì)其它生理功能影響的研究包括諸多方面，其中與MMR、AS等指標(biāo)的關(guān)聯(lián)受到廣泛關(guān)注[6- 8]，上述相關(guān)參數(shù)可通過動(dòng)物力竭運(yùn)動(dòng)后的代謝恢復(fù)(如EPOC)獲得。動(dòng)物的個(gè)性行為(Animal personality)包括勇敢性(Boldness)、好斗性(Aggression)、探索性(Exploration)、活躍性(Activity)和群集性(Sociability)等指標(biāo)[1- 2, 9]。個(gè)性行為的產(chǎn)生和改變是動(dòng)物體內(nèi)生理過程的整體反映，也是對(duì)棲息環(huán)境變化的適應(yīng)性表現(xiàn)，常與能量消耗密切相關(guān)[1]。因此，動(dòng)物個(gè)性行為的個(gè)體差異可能存在能量學(xué)機(jī)制[1- 2]。動(dòng)物體內(nèi)能量的有效補(bǔ)充需要通過外界食物獲取而得到滿足，而食物獲取常與動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)能力和捕食能力密切相關(guān)，并且運(yùn)動(dòng)能力(如捕食或反捕食能力)可能影響動(dòng)物個(gè)體的存活率[5]?？焖賳?dòng)(Fast-start)是魚類的另外一種主要以無氧代謝供能的運(yùn)動(dòng)行為，其持續(xù)時(shí)間通常少于1 s，在其捕食與逃避敵害等方面均具有重要的生態(tài)學(xué)意義[10- 12]。魚類快速啟動(dòng)能力的評(píng)價(jià)參數(shù)包括反應(yīng)時(shí)間(RT)、最大游泳速度(Umax)、最大加速度(Amax)、單位時(shí)間質(zhì)心移動(dòng)距離等[10]。與其它表型特征一樣，魚類的快速啟動(dòng)能力也存在明顯的個(gè)體差異[5]。那么，鯽幼魚SMR的個(gè)體差異是否與其它能量代謝指標(biāo)存在普遍關(guān)聯(lián)，而與哪些指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)更為緊密是一個(gè)研究人員普遍關(guān)注的科學(xué)問題；另外，實(shí)驗(yàn)魚SMR的個(gè)體差異是否還與其運(yùn)動(dòng)行為、個(gè)性行為具有某種聯(lián)系也值得關(guān)注。

鯽(Carassiusauratus)是一種廣泛分布在溫帶水域的雜食性魚類，適應(yīng)能力強(qiáng)。該魚不僅是一種常見經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖魚類，而且也是常用于基礎(chǔ)研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象[13- 14]。至今，該種魚能量代謝與個(gè)性行為和運(yùn)動(dòng)行為之間的關(guān)聯(lián)研究尚未見報(bào)道。為回答上述有關(guān)科學(xué)問題，本研究以鯽幼魚為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，考察該種魚的能量代謝特征(SMR、MMR、AS和FAS)、個(gè)性行為(勇敢性和活躍性)和運(yùn)動(dòng)行為(快速啟動(dòng))的個(gè)體差異，分析能量代謝與個(gè)性行為、運(yùn)動(dòng)行為的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為魚類生理功能、個(gè)性行為與能量代謝之間關(guān)聯(lián)的研究提供基礎(chǔ)資料。

1材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)魚來源及其馴化

實(shí)驗(yàn)魚來源于重慶市當(dāng)?shù)厝斯ゐB(yǎng)殖基地，購回后將魚置于實(shí)驗(yàn)室循環(huán)控溫水槽(1.2 m × 0.55 m × 0.55 m)馴養(yǎng)2周。馴化期間，每天以人工顆粒浮性餌料(通威公司)飽足投喂兩次(9:00、21:00)，投餌30 min后用虹吸管清除殘餌和糞便。水槽用水為曝氣4 d后的自來水，日換水量約10%。用充氣泵不停向水體充入空氣使溶氧水平大于7 mg/L，水溫控制在(25.0±0.5)℃，光周期為12 L: 10 D。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

馴養(yǎng)結(jié)束，挑選大小相近、體格健壯的80尾鯽[體重為(13.39±0.16)g，體長為(8.08±0.05)cm，n=80]并禁食24 h。隨后將魚轉(zhuǎn)移至流水式代謝儀中的呼吸室馴化24 h。隔天用溶氧儀測(cè)定單尾魚的耗氧率以表征其標(biāo)準(zhǔn)代謝率(SMR)，篩選高SMR個(gè)體和低SMR個(gè)體各20尾。SMR篩選標(biāo)準(zhǔn)：先獲得單尾魚在7個(gè)時(shí)間點(diǎn)(09:00，11:00，13:00，15:00，17:00，19:00，21:00)SMR的平均值，并計(jì)算每尾魚SMR的變異系數(shù)(Coefficient of variation,CV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)，再對(duì)實(shí)驗(yàn)魚SMR排序；在高(或低)SMR個(gè)體中挑選CV較小的實(shí)驗(yàn)魚作為高SMR個(gè)體，反之亦然。將篩選出來實(shí)驗(yàn)魚(n=40)放入魚類運(yùn)動(dòng)力竭裝置的環(huán)形水道中追趕至力竭，隨后將魚迅速轉(zhuǎn)移至呼吸室內(nèi)并進(jìn)行為期30 min的恢復(fù)代謝測(cè)定。測(cè)定結(jié)束后將魚轉(zhuǎn)移至多單元格循環(huán)水槽中的單元格單獨(dú)馴養(yǎng)2 d。在此期間，餌料類型和投喂制度均與馴養(yǎng)期間一致。最后分別測(cè)定單尾魚的運(yùn)動(dòng)行為(快速啟動(dòng))和個(gè)性行為(勇敢性、活躍性)。在能量代謝測(cè)定之后，由于個(gè)別實(shí)驗(yàn)魚較為膽小而跳出馴化單元格，這些魚將不再參與后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。在本研究中該種魚的快速啟動(dòng)和個(gè)性行為分析的實(shí)際樣本量分別為39和38。

1.3實(shí)驗(yàn)方法與參數(shù)計(jì)算1.3.1能量代謝

(1)SMR

在呼吸室馴化結(jié)束后，用溶氧儀(HQ30d, Hach Company, Loveland, USA)于當(dāng)天7個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別測(cè)定單尾魚的SMR。呼吸室水流速度介于80—100 mL/min，該流速可使呼吸室進(jìn)水口與出水口的溶氧差值大于0.5 mg/L，但未造成輕度低氧環(huán)境。呼吸代謝儀的環(huán)境條件(水溫、溶氧、光照)均與實(shí)驗(yàn)魚馴養(yǎng)期間相同。SMR的計(jì)算公式如下：

SMR=ΔO2× v / m

(1)

式中，SMR為標(biāo)準(zhǔn)代謝率(mg O2h-1kg-1)，ΔO2為呼吸室進(jìn)水端與出水端的溶氧差值(mg/L)，v為呼吸室的流水速度(L/h)，m為實(shí)驗(yàn)魚的體重(kg)。

(2)MMR、AS與EPOC

在本研究中，通過人工追趕高流速水體中實(shí)驗(yàn)魚的方式可誘導(dǎo)其MMR(mg O2h-1kg-1)，并計(jì)算實(shí)驗(yàn)魚的AS(MMR-SMR)和FAS(MMR/SMR)。將實(shí)驗(yàn)魚從呼吸室取出至魚類運(yùn)動(dòng)力竭裝置(Φ外=56 cm,Φ內(nèi)=33 cm, 水深15 cm)的環(huán)形水道(流速為60 cm/s)中；在環(huán)形水道中實(shí)驗(yàn)魚逆流游泳，魚體因較高的水體流速而不能保持穩(wěn)定游泳運(yùn)動(dòng)而向后退，此時(shí)人工連續(xù)驅(qū)趕實(shí)驗(yàn)魚直至其運(yùn)動(dòng)力竭；處于運(yùn)動(dòng)力竭狀態(tài)的魚通常失去平衡且用手繼續(xù)追逐時(shí)不再有明顯應(yīng)激反應(yīng)，整個(gè)過程一般在5 min之內(nèi)完成[13- 16]；隨后將實(shí)驗(yàn)魚迅速(10 s內(nèi)完成)轉(zhuǎn)移至呼吸室內(nèi)進(jìn)行30 min的恢復(fù)代謝測(cè)定。數(shù)據(jù)采集時(shí)間分別設(shè)定為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30 min，水流速度約500 mL/min。經(jīng)計(jì)算，在該流水速度下呼吸室的水體置換率99%的歷時(shí)小于1 min。因此，將第1 min的耗氧率作為單尾魚的最大代謝率。如果單尾魚的即刻代謝率低于該魚120% SMR，那么則可認(rèn)為單尾魚的代謝已恢復(fù)，該時(shí)間稱為EPOC恢復(fù)歷時(shí)。EPOC總量(Magnitude of EPOC)是指實(shí)驗(yàn)魚在運(yùn)動(dòng)力竭后恢復(fù)過程中高于運(yùn)動(dòng)前消耗的差值在時(shí)間上的總和。

1.3.2游泳行為

鯽的快速啟動(dòng)用高速攝像測(cè)定儀完成，該儀器主要包括高速攝像機(jī)(德國BASLER公司A504K)、LED矩陣光源、運(yùn)動(dòng)水槽(底部刻有1 cm × 1 cm網(wǎng)格線)等組件，水槽四周貼紙以避免環(huán)境干擾。該儀器的結(jié)構(gòu)介紹詳見相關(guān)文獻(xiàn)[17]，水深為10 cm，水溫控制在(25.0±0.5) ℃，溶氧水平大于7 mg/L，光照條件與馴養(yǎng)期間相同。

將魚在馴化區(qū)適應(yīng)1 h，再將魚輕輕趕至實(shí)驗(yàn)區(qū)，當(dāng)魚處于靜止?fàn)顟B(tài)、頭朝向區(qū)域中心且距離水槽邊緣大于1倍體長時(shí)，開啟高速攝影機(jī)(分辨率1024×1024；頻率500 fps)同時(shí)并進(jìn)行電刺激(電壓20 v，持續(xù)時(shí)間20 ms)，拍攝時(shí)間持續(xù)1 s，該刺激條件足以引發(fā)實(shí)驗(yàn)魚進(jìn)行快速啟動(dòng)行為。拍攝結(jié)束后，將魚放入相應(yīng)單元格飼養(yǎng)，第2天重復(fù)測(cè)定1次以增加數(shù)據(jù)可靠性。用圖像處理軟件(ACDsee v8.0)對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行處理并采用軟件(tpsdig2)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，再通過計(jì)算分別獲得單尾魚的反應(yīng)時(shí)間(RT)、最大線速度(Umax)、最大線加速度(Amax)和120 ms移動(dòng)距離(S120)。單尾魚的快速啟動(dòng)參數(shù)測(cè)量值為兩次測(cè)定結(jié)果的平均值。

1.3.3個(gè)性行為

本研究用以評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)魚的個(gè)性行為指標(biāo)包括勇敢性和活躍性。將實(shí)驗(yàn)魚轉(zhuǎn)移至個(gè)性行為觀察裝置(60 cm × 30 cm × 30 cm，水深15 cm)的適應(yīng)區(qū)中馴化10 min[9]，進(jìn)行垂直攝像(25 fps)，再對(duì)所獲視頻資料定量分析。行為觀察裝置分3個(gè)區(qū)域，包括適應(yīng)區(qū)(長20 cm，上方加有不透明的隔板)、實(shí)驗(yàn)區(qū)(長36 cm，定量分析實(shí)驗(yàn)魚進(jìn)入該區(qū)域的行為指標(biāo))和動(dòng)力區(qū)(長4 cm，循環(huán)水和充氧)。在適應(yīng)區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)有一隔板并且隔板上安置一個(gè)門(10 cm × 10 cm)，當(dāng)門打開之后，實(shí)驗(yàn)魚可隨意在適應(yīng)區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)之間來回游動(dòng)。每一行為學(xué)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定兩次并取平均值，以減少實(shí)驗(yàn)的偶然性和環(huán)境誤差。

勇敢性用于評(píng)價(jià)魚類在新異環(huán)境中的勇敢程度，其參數(shù)包括潛伏期(L)、曝露時(shí)間(ET)和探頭頻率(AF)等[9]。其中，潛伏期是指在俯視角度上從視頻拍攝開始到實(shí)驗(yàn)魚的吻部首次剛好超過門線的最短時(shí)間(s)；曝露時(shí)間是指實(shí)驗(yàn)魚在實(shí)驗(yàn)區(qū)的時(shí)間總和(s)；探頭頻率是指魚頭部越過門線隨后退回適應(yīng)區(qū)的頻率(次/ min)，即實(shí)驗(yàn)魚未進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)。實(shí)驗(yàn)魚的潛伏期越短，曝露時(shí)間越長以及探頭頻率越高，說明該尾魚的勇敢性越強(qiáng)，反之亦然。馴化結(jié)束后，打開隔板的門并連續(xù)拍攝10 min，最后對(duì)視頻進(jìn)行勇敢性參數(shù)定量分析。

活躍性評(píng)價(jià)魚類在生存環(huán)境中的活躍程度，其參數(shù)包括運(yùn)動(dòng)時(shí)間比(PTM)和撞墻頻率(FHW)等[9, 13]。運(yùn)動(dòng)時(shí)間比是指單位時(shí)間魚體質(zhì)心移動(dòng)時(shí)間占總時(shí)間(10 min)的比例(%)，而撞墻頻率是指實(shí)驗(yàn)魚吻部觸碰實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)壁的頻率(次/min)。實(shí)驗(yàn)魚的運(yùn)動(dòng)時(shí)間比和撞墻頻率越高，說明該尾魚的活躍性越強(qiáng)，反之亦然。在勇敢性測(cè)定完畢后將實(shí)驗(yàn)魚置于實(shí)驗(yàn)區(qū)馴化1 h，同時(shí)關(guān)閉隔板的門；馴化結(jié)束后，連續(xù)拍攝10 min，最后對(duì)視頻進(jìn)行活躍性參數(shù)定量分析。

1.4數(shù)理統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel(2003)進(jìn)行常規(guī)計(jì)算，再采用STATISTICA(7.0)和SPSS(19.0)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。不同SMR組形態(tài)參數(shù)的差異用T-檢驗(yàn)。不同SMR組運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)代謝特征的差異則采用協(xié)方差分析(Analysis of covariance)。采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析方法對(duì)能量代謝、游泳能力和個(gè)性行為的各組分之間相關(guān)性，以及SMR與游泳行為和個(gè)性行為的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。3個(gè)指標(biāo)體系的變異系數(shù)比較采用單因素方差分析(One way analysis of variance, ANOVA)，若組間存在顯著性差異，則進(jìn)行最小顯著差異法(LSD)多重比較。所有統(tǒng)計(jì)值均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，顯著水平為P<0.05。

2結(jié)果

2.1鯽幼魚形態(tài)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)后代謝恢復(fù)特征

高SMR鯽的體重、體長及肥滿度均與低SMR組的無顯著差異(表1，P>0.05)。整體上分析，鯽的體重、體長及肥滿度分別為(13.54±0.20)g、(8.05±0.07)cm和(2.61±0.06)g/cm3，3個(gè)形態(tài)指標(biāo)的變異系數(shù)CV分別為6.73%、3.87%和10.49%，其中體長的CV最小，而肥滿度的CV最大。

表1　鯽幼魚的標(biāo)準(zhǔn)代謝率和形態(tài)參數(shù)及變異系數(shù)

在運(yùn)動(dòng)力竭后，高SMR組和低SMR組的代謝水平迅速從SMR上升至MMR，然后在2—10 min快速下降至穩(wěn)定水平，但該穩(wěn)定水平(10—30 min)仍然顯著高于SMR(圖1，P<0.05)。對(duì)恢復(fù)代謝數(shù)據(jù)求對(duì)數(shù)，高SMR與低SMR的擬合方程分別為Y=-0.0181x+6.479(n=20,r=0.437)和Y=-0.0173x+6.533(n=20,r=0.462)。協(xié)方差分析顯示高SMR組代謝的恢復(fù)速率(斜率)與低SMR的無顯著差異(F=0.068,P= 0.795)，并且兩擬合方程的截距也無明顯差異(F=1.792,P=0.267)。

圖1　鯽幼魚在運(yùn)動(dòng)力竭后代謝率的恢復(fù)特征Fig.1　The characteristics of recovery metabolism in the crucian carp

2.2鯽幼魚能量代謝、快速啟動(dòng)和個(gè)性行為的個(gè)體差異

對(duì)于能量代謝而言，鯽的SMR、MMR、AS和EPOC總量的平均值分別為173.5、834.1、660.5 mg O2h-1kg-1和178.5 mg O2/kg，變化倍率分別為3.1、2.2、2.9和9.2，變異系數(shù)分別為9.5、35.5、39.4和34.3(表2)。對(duì)于快速啟動(dòng)能力而言，鯽的RT、Umax、Amax和S120分別為7.1 s、1.62 m/s、0.24 m/s2和76.1 mm，相應(yīng)的變化倍率分別為7、3.1、5.7和3.1，相應(yīng)的變異系數(shù)分別為46.2、24.0、40.8和24.8(表2)。對(duì)于個(gè)性行為而言，36.8%(n=14)的鯽未穿越門線進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)，即潛伏期達(dá)到最長600 s；整體上分析，鯽的L、ET、AF、PTM和FHW分別為317.4 s、95.2 s、0.28次/min、71.2%和4.0次/min(表2)，其變異系數(shù)分別為81.7、149.9、124.5、39.3和100.3，個(gè)性行為的變異系數(shù)明顯大于能量代謝和快速啟動(dòng)能力，而后兩者無顯著差異(F=8.694，P=0.006)。

2.3鯽幼魚能量代謝、快速啟動(dòng)和個(gè)性行為的組內(nèi)參數(shù)的相關(guān)性

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鯽的SMR與AS、FAS、EPOC總量均呈負(fù)相關(guān)(所有P< 0.05)，但與MMR不相關(guān)(表3，P=0.05)，MMR與AS、FAS、EPOC總量均呈正相關(guān)(所有P< 0.001)，AS與FAS和EPOC總量呈正相關(guān)(所有P< 0.001)，F(xiàn)AS與EPOC總量也呈正相關(guān)(P< 0.001)。RT與Umax、Amax、S120均呈負(fù)相關(guān)(表3，所有P< 0.01)；Umax與Amax和S120呈現(xiàn)正相關(guān)(P< 0.01)；Amax與S120呈正相關(guān)(P=0.026)。PTM與ET和FHW呈正相關(guān)(表3，P< 0.01)，但與L、AF不相關(guān)(P> 0.05)；L與ET、AF呈負(fù)相關(guān)(P< 0.001)，與FHW不相關(guān)(P=0.183)；ET與AF、FHW呈正相關(guān)(P< 0.05)，而AF與FHW不相關(guān)(P=0.156)。

表2　鯽幼魚能量代謝，快速啟動(dòng)和個(gè)性行為的變異情況

N/A為Not applicable的縮寫，表示該欄目不適合

2.4鯽幼魚的標(biāo)準(zhǔn)代謝率與快速啟動(dòng)、個(gè)性行為的相關(guān)性

鯽的SMR與RT呈正相關(guān)(圖2，P=0.021)，與Amax呈負(fù)相關(guān)(圖2，P=0.037)，但與Umax、S120均不相關(guān)(圖2，二者P> 0.05)。該種魚的SMR與勇敢性指標(biāo)如L、ET和AF以及活躍性指標(biāo)如PTM、FHW均不相關(guān)(圖3)(所有P> 0.05)。

3討論

3.1鯽幼魚的SMR與MMR、AS及EPOC的關(guān)系

在魚類能量代謝的相關(guān)研究中，SMR和MMR代表機(jī)體能量代謝的上限與下限，不僅影響動(dòng)物的能量分配，而且與個(gè)體的游泳行為(如運(yùn)動(dòng)力竭)和生長性能等方面密切相關(guān)[1, 3, 18]。魚類SMR與MMR以及EPOC的關(guān)系備受關(guān)注[14]。研究發(fā)現(xiàn)，隨種類活躍性的增強(qiáng)魚類的SMR和MMR均升高，即二者呈正相關(guān)[13]；有關(guān)鱒(Salmotrutta)的研究發(fā)現(xiàn)肝臟中兩種有氧代謝關(guān)鍵酶活性分別與SMR和MMR呈正相關(guān)，揭示這種個(gè)體能量代謝特征正相關(guān)聯(lián)的生化機(jī)制[8]。實(shí)驗(yàn)室先前研究發(fā)現(xiàn)南方鲇(Silurusmeridionalis)的SMR與其攝食代謝峰值(最大攝氧能力)呈正相關(guān)[16]；在不同溶氧水平條件下該種魚的SMR與攝食代謝峰值(最大攝氧能力)也均呈正相關(guān)[7]；鯉(Cyprinuscarpio)[19]、大西洋鮭(Salmosalar)[20]以及鱒[8]也具有相似的研究結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)室過往研究顯示鯽的SMR與其MMR呈正相關(guān)[14]；然而，本研究卻發(fā)現(xiàn)鯽的SMR與MMR不相關(guān)。有關(guān)南方鲇的研究發(fā)現(xiàn)，該種魚的SMR與其運(yùn)動(dòng)后MMR也并不相關(guān)[16]，上述研究表明不同魚類SMR與MMR的關(guān)聯(lián)不盡相同，該方面的研究觀點(diǎn)仍需要更多的種類加以驗(yàn)證。

表3　鯽幼魚能量代謝、快速啟動(dòng)和個(gè)性行為的組內(nèi)相關(guān)分析

SMR: 標(biāo)準(zhǔn)代謝率Standard metabolic rate；MMR: 最大代謝率Maximum metabolic rate；AS: 代謝空間Metabolic scope；FAS: 相對(duì)代謝空間Factorial aerobic scope；EPOC: 過量耗氧Excess post-exercise oxygen consumption；RT: 反應(yīng)時(shí)間Response time；Umax: 最大線速度Maximum linear speed,；Amax: 最大線加速度Maximum linear acceleration speed；S120: 120 ms移動(dòng)距離Distance during a period of 120 ms；L: 潛伏期Latency；PTM: 運(yùn)動(dòng)時(shí)間比Percent time spent moving；ET: 曝露時(shí)間Exposed time；AF: 探頭頻率Appearance frequency；FHW: 撞墻頻率Frequency of hit wall

圖2　鯽幼魚標(biāo)準(zhǔn)代謝率與快速啟動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性Fig.2　Correlations between SMR and components of fast-start in the crucian carp

圖3　鯽幼魚標(biāo)準(zhǔn)代謝率與個(gè)性行為的相關(guān)性Fig.3　Correlations between SMR and components of animal personality in the crucian carp

本研究發(fā)現(xiàn)，高SMR鯽個(gè)體具有較小AS，該現(xiàn)象與大西洋鮭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[6]。有研究認(rèn)為，高SMR個(gè)體魚類的維持能量支出較多，需要通過個(gè)體競爭優(yōu)勢(shì)進(jìn)行更頻繁的社群斗爭(如好斗性)，進(jìn)而獲得較高的社群等級(jí)和更多的資源(如食物和領(lǐng)域)[6, 21]。這種現(xiàn)象表明，在MMR相當(dāng)?shù)那闆r下由于SMR的上升會(huì)導(dǎo)致AS的水平下降。本研究發(fā)現(xiàn)高SMR鯽個(gè)體的MMR與低SMR的無顯著差異，SMR與AS呈負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象可能是由于上述原因所致。此外， EPOC總量是魚類在運(yùn)動(dòng)力竭后超過SMR的額外耗氧量，它部分程度反映了魚體的無氧代謝能力[13- 16]。魚類的SMR普遍存在個(gè)體差異，并且不同魚類SMR與EPOC總量的關(guān)系較為類似。文獻(xiàn)報(bào)道，鯽幼魚的SMR與EPOC總量呈負(fù)相關(guān)[14]。另外，轉(zhuǎn)基因銀大馬哈魚(Oncorhynchuskisutch)的SMR高于同種的非轉(zhuǎn)基因個(gè)體，前者的EPOC總量明顯大于后者，導(dǎo)致該種魚SMR與EPOC總量呈負(fù)相關(guān)[22]，但這種現(xiàn)象是基因操控的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鯽幼魚的SMR與EPOC總量也呈負(fù)相關(guān)。上述研究結(jié)果表明，這些魚類的無氧代謝能力與標(biāo)準(zhǔn)代謝水平之間存在功能權(quán)衡，即高SMR個(gè)體的無氧代謝能力較低，而低SMR個(gè)體的無氧代謝能力卻較高。

3.2鯽幼魚的SMR與快速啟動(dòng)及個(gè)性行為的關(guān)系

人們不僅關(guān)注魚類的SMR與MMR，AS以及EPOC總量之間的關(guān)系，而且最近研究發(fā)現(xiàn)，鯉幼魚的SMR與在自發(fā)游泳中的尾鰭平均擺動(dòng)次數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)，而與臨界游泳速度不相關(guān)[19]。在快速啟動(dòng)的研究中，發(fā)現(xiàn)鯽幼魚的SMR與Umax及S120無關(guān)，與Amax呈負(fù)相關(guān)，而與RT呈正相關(guān)(圖2)，表明低SMR鯽個(gè)體在棲息環(huán)境中能較快對(duì)捕食者等環(huán)境脅迫作出逃逸反應(yīng)，同時(shí)以較高的加速度完成這一逃逸行為過程，提示鯽的SMR越低，其捕食或逃避能力可能越強(qiáng)。造成這種負(fù)相關(guān)現(xiàn)象的可能原因是，在經(jīng)歷相同禁食時(shí)間后低SMR個(gè)體能更好地維持較高的生理功能狀態(tài)，而高SMR個(gè)體由于能量消耗較多使其該方面功能受到一定程度的負(fù)面影響。

魚類SMR的個(gè)體差異可能是導(dǎo)致個(gè)性行為差異的能量學(xué)基礎(chǔ)，通常認(rèn)為SMR較高的魚類個(gè)體在個(gè)性行為上表現(xiàn)得較為勇敢、敢于探索、較為好斗，即魚類SMR與上述個(gè)性行為指標(biāo)呈正相關(guān)[2]。研究報(bào)道，SMR越高的大西洋鮭其好斗性越強(qiáng)，但SMR與其特殊生長率不相關(guān)[23]。同樣以大西洋鮭為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的文獻(xiàn)報(bào)道，該種魚的SMR與好斗性和社群等級(jí)地位均呈正相關(guān)[24]。歐鱸(Dicentrarchuslabrax)的SMR在食物資源豐富且可預(yù)測(cè)條件下與其勇敢性行為指標(biāo)不相關(guān)[25]。本研究顯示鯽的SMR與活躍性及勇敢性指標(biāo)也均不相關(guān)。在本研究實(shí)驗(yàn)期間，食物資源豐富且可預(yù)測(cè)(每天固定時(shí)間和地點(diǎn)飽足投喂)、水槽的物理空間均質(zhì)、水體理化因子(如水溫和溶氧)較為穩(wěn)定，即環(huán)境條件的異質(zhì)性低。產(chǎn)生SMR與個(gè)性行為不相關(guān)現(xiàn)象原因可能與本研究的實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件有關(guān)。在自然界中，魚類的棲息環(huán)境復(fù)雜多變，面臨的多方面(如人類捕撈、肉食性魚類和水面捕食者等)的捕食壓力，其異質(zhì)性明顯高于實(shí)驗(yàn)室完全人工的養(yǎng)殖環(huán)境或半野外環(huán)境[26- 27]。因此在實(shí)驗(yàn)條件下獲得的研究結(jié)果，未必都能夠真切反映自然條件下魚類能量代謝與行為之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

致謝：感謝重慶師范大學(xué)李秀明副教授對(duì)本研究的幫助，感謝2009級(jí)本科生溫倩、潘本蘭和朱鵬程對(duì)實(shí)驗(yàn)的幫助。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]Careau V, Thomas D, Humphries M M,Réale D. Energy metabolism and animal personality. Oikos, 2008, 117(5): 641- 653.

[2]Biro P A, Stamps J A. Do consistent individual differences in metabolic rate promote consistent individual differences in behavior?. Trends in Ecology and Evolution, 2010, 25(11): 653- 659.

[3]Burton T, Killen S S, Armstrong J D, Metcalfe N B. What causes intraspecific variation in resting metabolic rate and what are its ecological consequences?. Proceeding of the Royal Society B: Biological Sciences, 2011, 278(1724): 3465- 3473.

[4]Dingemanse N J, Kazem A J N, Réale D, Wriqht J. Behavioural reaction norms: animal personality meets individual plasticity. Trends in Ecology and Evolution, 2010, 25(2): 81- 89.

[5]Marras S, Killen SS, Claireaux G,Domenici P, McKenzie D J. Behavioural and kinematic components of the fast-start escape response in fish: individual variation and temporal repeatability. The Journal of Experimental Biology, 2011, 214(18): 3102- 3110.

[6]Cutts C J, Metcalfe N B, Taylor A C. Juvenile Atlantic Salmon (Salmosalar) with relatively high standard metabolic rates have small metabolic scopes. Functional Ecology, 2002, 16(1): 73- 78.

[7]Chen B J, Cao Z D, Fu S J. Hypoxia impairs the digestive advantage of individual southern catfish (Silurusmeridionalis) with high resting metabolic rates and postprandial metabolic responses. Marine and Freshwater Behaviour and Physiology, 2014, 47(3): 197- 204.

[8]Norin T, Malte H. Intraspecific variation in aerobic metabolic rate of fish: relations with organ size and enzyme activityin brown trout. Physiological and Biochemical Zoology, 2012, 85(6): 645- 656.

[9]Lacasse J, Aubin-Horth N. A test of the coupling of predator defense morphology and behavior variation in two threespine stickleback populations. Current Zoology,2012, 58(1): 53- 65.

[10]Domenici P, Blake R.The kinematics and performance of fish fast-start swimming. The Journal of Experimental Biology, 1997, 200(8): 1165- 1178.

[11]Lyon J P, Ryan T J, Scroggie M P. Effects of temperature on the fast-start swimming performance of an Australian freshwater fish. Ecology of Freshwater Fish, 2008, 17(1): 184- 188.

[12]Law T, Blake R.Comparison of the fast-start performances of closely related, morphologically distinct threespine sticklebacks (Gasterosteusspp.). The Journal of Experimental Biology, 1996, 199(12): 2595- 2604.

[13]Fu S J, Zeng L Q, Li X M,Pang X, Cao Z D, Peng J L, Wang Y X. Effect of meal size on excess post-exercise oxygen consumption in fishes with different locomotive and digestive performance. Journal of Comparative Physiology B, 2009, 179(4): 509- 517.

[14]唐國偉, 曹振東, 付世建. 溫度、種內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)代謝差異與鯽幼魚力竭運(yùn)動(dòng)后過量耗氧的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(12): 3255- 3260.

[15]Zeng L Q, Zhang Y G, Cao Z D, Fu S J. Effect of temperature on excess post-exercise oxygen consumption in juvenile southern catfish (SilurusmeridionalisChen) following exhaustive exercise. Fish Physiology and Biochemistry, 2010, 36(4): 1243- 1252.

[16]Fu S J, Cao Z D, Peng J L, Wang YX. Is peak postprandial oxygen consumption positively related to growth rate and resting oxygen consumption in a sedentary catfishSilurusmeridionalis? Journal of Fish Biology, 2008, 73(3): 692- 701.

[17]Wang F, Chen B J, Cao Z D,Wang Y X, Fu S J. The influence of starvation on fast-start performance ofSpinibarbussinensis. Acta Ecologia Sinica, 2012, 32(6): 291- 296.

[18]Norin T, Malte H.Repeatability of standard metabolic rate, active metabolic rate and aerobic scope in young brown trout during a period of moderate food availability. The Journal of Experimental Biology, 2011, 214(10): 1668- 1678.

[19]張曦. 鯉魚(Cyprinuscarpio)幼魚標(biāo)準(zhǔn)代謝的種內(nèi)差異與運(yùn)動(dòng)能力和攝食代謝的關(guān)系[D]. 重慶: 重慶師范大學(xué), 2012.

[20]Millidine K J, Armstrong J D, Metcalfe N B. Juvenile salmon with high standard metabolic rates have higher energy costs but can process meals faster. Proceedings of the Royal Society B, 2009, 276(1664): 2103- 2108.

[21]陳永鵬, 曹振東, 付世建. 錦鯽幼魚的社群等級(jí)地位及其與標(biāo)準(zhǔn)代謝率、血糖和臨界游泳能力的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(7): 1940- 1945.

[22]Lee C G, Devlin R H, Farrell A P. Swimming performance, oxygen consumption and excess post-exercise oxygen consumption in adult transgenic and ocean- ranched cohosalmon. Journal of Fish Biology, 2003, 62(4):753- 766.

[23]Cutts C J, Metcalfe N B, Taylor A C. Aggression and growth depression in juvenile Atlantic salmon: the consequences of individual variation in standard metabolic rate. Journal of Fish Biology, 1998, 52(5): 1026- 1037.

[24]Reid D, Armstrong J D, Metcalfe N B. The performance advantage of a high resting metabolic rate in juvenile salmon is habitat dependent. Journal of Animal Ecology, 2012, 81(4): 868- 875.

[25]Killen S S, Marras S, McKenzie D J. Fuel, fasting, fear: routine metabolic rate and food deprivation exert synergistic effects on risk-taking in individual juvenile European sea bass. Journal of Animal Ecology,2011, 80(5): 1024- 1033.

[26]Martin-Smith K M, Armstrong J D. Growth rates of wild stream-dwelling Atlantic salmon correlate with activity and sex but not dominance. Journal of Animal Ecology, 2002, 71(3): 413- 423.

[27]Maclean A, Huntingford F A, Ruxton G D, Morgan I J, Hamilton J, Armstrong J D. Testing the assumptions of the ideal despotic distribution with an unpredictable food supply: experiments in juvenile salmon. Journal of Animal Ecology, 2005, 74(2): 214- 225.

Correlations between standard metabolic rate and metabolic characteristics after exhaustive exercise, and behavior in the juvenile crucian carp (Carassiusauratus)

ZENG Lingqing, FU Shijian, CAO Zhendong*

LaboratoryofEvolutionaryPhysiologyandBehavior,KeyLaboratoryofAnimalBiologyofChongqing,ChongqingNormalUniversity,Chongqing401331,China

Abstract：Consistent individual differences (CIDs) in phenotypes, such as physiology and behavior, are widespread phenomena in most animal taxa. CIDs are individual differences in phenotype that are maintained over time (e.g. as measured by repeatability) and across contexts. Many previous studies showed that there is a potential link between standard metabolic rate (SMR) and other physiological traits, and animal personality exists in a diverse array of animal taxa. The aim of this study was to investigate the relationship between the SMR and metabolic characteristics after exhaustive exercise, and behavior, as well as the individual differences in these phenotypes in the juvenile crucian carp (Carassius auratus), a widely distributed and medium-sized Cyprinid species. To fulfill our aim, the SMR of 80 fish individuals was first measured at (25.0±0.5)℃, after which 40 individuals out of the total were selected to serve as the experimental fish. These 40 fish included 20 higher-SMR individuals and 20 lower-SMR individuals. Secondly, after chasing individual fish until they reached the point of exercise exhaustion within 5 min, the maximum aerobic metabolic rate (MMR), aerobic scope (AS=MMR-SMR), factorial aerobic scope (FAS=MMR/SMR), and magnitude of EPOC of each individual were examined during a 30 min period of metabolism recovery. Thirdly, the response time (RT), maximum linear speed (Umax), maximum linear acceleration speed (Amax), and distance travelled in 120 ms (S120) during a fast-start escape response were measured. Lastly, indicators of animal personality, including boldness and activity were also studied in each of the 40 individuals. This study demonstrated that the SMR of the experimental fish correlated negatively and the MMR correlated positively with AS, FAS, and the magnitude of EPOC. Individuals with high SMRs exhibited the same recovery rate as those individuals with smaller SMRs. The SMR of the experimental fish correlated negatively with Amaxbut correlated positively with RT. Neither Umaxnor S120showed any relationship with SMR. Correlations within components of the fast-start response found that Umaxwas positively correlated with the Amaxand S120, while RT was negatively correlated with Umax, Amax, and S120,among the individual fish. Neither boldness (as indicated by latency, exposed time, and appearance frequency) nor activity (as indicated by percent time spent moving and frequency of hit wall) showed any correlation with SMR in the juvenile crucian carp; however the percent time spent moving correlated positively with exposed time and frequency of hit wall. This study suggests that the juvenile crucian carp raised under laboratory conditions exhibit remarkably CIDs in metabolism, the fast-start response, and personality. Trade-offs exist among these phenotypic traits, as the adaptive and ecological consequences were the result of the interaction of physiology, behavior, and the species′ natural environment.

Key Words:standard metabolic rate; fast-start; animal personality; individual difference; Carassius auratus

DOI:10.5846/stxb201408251683

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: z.d.cao@hotmail.com

收稿日期:2014- 08- 25; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 07- 29

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31300341, 31172096); 重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2014jcyjA00018); 重慶市教委科技項(xiàng)目(KJ130619)

曾令清, 付世建, 曹振東.鯽幼魚(Carassiusauratus)標(biāo)準(zhǔn)代謝個(gè)體差異與力竭后代謝特征及行為的關(guān)聯(lián).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(6):1746- 1755.

Zeng L Q, Fu S J, Cao Z D.Correlations between standard metabolic rate and metabolic characteristics after exhaustive exercise, and behavior in the juvenile crucian carp (Carassiusauratus).Acta Ecologica Sinica,2016,36(6):1746- 1755.