黃康寧， 張志浩， 裴恩樂(lè)

上海動(dòng)物園，上海200335)

斑嘴環(huán)企鵝Spheniscusdemersus又名非洲企鵝，隸屬企鵝目Sphenisciformes企鵝科Spheniscidae環(huán)企鵝屬Spheniscus，被列入瀕危野生動(dòng)植物種國(guó)際貿(mào)易公約(CITES)附錄Ⅱ，是世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)瀕危物種紅色名錄易危(VU)物種，也是《非洲-歐亞大陸遷徙水鳥保護(hù)協(xié)定》列名物種之一。20世紀(jì)以來(lái)，斑嘴環(huán)企鵝野外種群數(shù)量急劇下降(Shannon & Crawford，1999)。

作為遷地保護(hù)的一種形式，動(dòng)物園圈養(yǎng)種群為物種的保護(hù)及科研做出了重要貢獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者利用種群管理軟件對(duì)多個(gè)圈養(yǎng)物種進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)和遺傳學(xué)分析，包括華南虎Pantheratigrisamoyensis(陳國(guó)亮等，2001；王維等，2003)、大熊貓Ailuropodamelanoleuca(沈富軍等，2002)、川金絲猴Rhinopithecusroxellana(于澤英，2004a，2011；趙素芬等，2016)、東方白鸛Ciconiaboyciana(馬珺，2011；吳菡，2013)、白鶴Grusjaponensis(周軍英，2013a)、冠鶴Balearicaspp.(周軍英，2013b)、黑葉猴Trachypithecusfrancoisi(高喜鳳，2014)、白頭鶴Grusmonacha(何相寶等，2015)、大猩猩Gorilla(廖輝等，2015)、平原斑馬Equusquagga(由玉巖等，2017)等，這些研究成果為各物種的圈養(yǎng)種群管理提出了科學(xué)的指導(dǎo)意見。但斑嘴環(huán)企鵝還缺少相關(guān)研究。國(guó)際上在企鵝線粒體控制區(qū)及微衛(wèi)星分子標(biāo)記等(Roederetal.，2002；Lanbuschagneetal.，2013，2014)種群保護(hù)遺傳學(xué)方面的研究比較全面。而國(guó)內(nèi)有關(guān)斑嘴環(huán)企鵝的研究多集中于飼養(yǎng)、遺傳管理(陳云霜等，2000；耿廣耀等，2015)、疾病(孔繁德等，2001；陳曉蘭，劉佳中，2014)、營(yíng)養(yǎng)(李仲逵等，2002)、人工孵化和育雛(李仲逵等，2004；李洪文等，2014)。目前僅耿廣耀等(2015)對(duì)上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群的線粒體DNA序列進(jìn)行了分析，通過(guò)性別鑒定和分子生物學(xué)軟件構(gòu)建了種群系統(tǒng)進(jìn)化樹，該研究雖涉及種群管理內(nèi)容，但并未對(duì)斑嘴環(huán)企鵝的圈養(yǎng)種群現(xiàn)狀進(jìn)行全面的統(tǒng)計(jì)學(xué)與遺傳學(xué)分析和評(píng)估。

上海動(dòng)物園從20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)飼養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝，截至2017年5月31日達(dá)147只，成為國(guó)內(nèi)斑嘴環(huán)企鵝種群發(fā)展的基礎(chǔ)。但建群個(gè)體數(shù)量少、無(wú)新個(gè)體引入、曲霉菌病致死率高等導(dǎo)致該種群的遺傳多樣性水平降低和種群數(shù)量下降。為了上海動(dòng)物園斑嘴環(huán)企鵝種群的長(zhǎng)期保存和可持續(xù)發(fā)展，有必要對(duì)其進(jìn)行全面的研究分析。本文基于上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝的譜系，對(duì)種群統(tǒng)計(jì)學(xué)和遺傳學(xué)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析和評(píng)估，找出目前種群存在的問(wèn)題，并對(duì)該圈養(yǎng)種群的科學(xué)管理和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出合理建議。

1 研究方法

1.1 譜系調(diào)查

對(duì)上海動(dòng)物園自1984年以來(lái)飼養(yǎng)繁育的斑嘴環(huán)企鵝情況進(jìn)行調(diào)查，對(duì)歷史圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝的引入、輸出、出生、死亡、繁育后代等譜系信息進(jìn)行查詢和收集。

1.2 數(shù)據(jù)分析

上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝的譜系登陸和編輯采用International Species Information System(ISIS)開發(fā)的Sparks 1.6完成；圈養(yǎng)種群數(shù)量、年齡、繁殖和死亡等統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)以及種群奠基者、基因多樣性保存比率、基因價(jià)值等遺傳學(xué)參數(shù)分析均使用PMx 1.0完成。

2 結(jié)果

2.1 圈養(yǎng)種群現(xiàn)狀

2.1.1圈養(yǎng)種群數(shù)量截至2017年5月31日，上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝147只，其中，雄性 37只，雌性42只，未知性別68只。1984—2017年，種群數(shù)量總體呈上升趨勢(shì)(圖1)。2000—2012年，種群增長(zhǎng)速度較快，平均增長(zhǎng)率λ=1.201。2012—2017年，種群增長(zhǎng)趨于平緩，平均增長(zhǎng)率λ=1.001。2017年，種群增長(zhǎng)率λ=0.981，較上年減少2%。

2.1.2種群年齡結(jié)構(gòu)及性比斑嘴環(huán)企鵝現(xiàn)存活個(gè)體種群的年齡結(jié)構(gòu)如圖2所示。種群中未參與繁殖的育齡個(gè)體數(shù)量較多，0～4歲及7～8歲個(gè)體數(shù)量不足，目前種群數(shù)量雖然呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，但亞成體數(shù)量明顯不足。歷史圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝總體性比為雄性∶雌性=0.93∶1(將種群中未知性別個(gè)體按照雌雄各半的比例進(jìn)行計(jì)算，下同)；現(xiàn)有存活斑嘴環(huán)企鵝種群性比為雄性∶雌性=0.95∶1，基本處于平衡狀態(tài)。但由于未知性別的個(gè)體占總數(shù)的46.25%，所以未必能準(zhǔn)確反映種群性別的真實(shí)情況。

圖1 1984—2017年上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群數(shù)量變化情況
Fig. 1 Changes of captive population ofSpheniscusdemersusin Shanghai Zoo from 1984 to 2017

2.1.3圈養(yǎng)種群的出生、繁殖及死亡情況譜系數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(圖2)，圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝的繁殖年齡通常在4～14歲。其中，最早的雄性繁殖年齡為3歲，最早的雌性繁殖年齡為4歲；最晚的雄性繁殖年齡為19歲，最晚的雌性繁殖年齡為17歲。

上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝平均壽命達(dá)17.4歲，其中，雄性平均壽命18.4歲，雌性平均壽命16.5歲；在亞成體階段，0～1歲死亡率較高；10～13歲為另一個(gè)死亡高峰期。圈養(yǎng)種群中有50%個(gè)體的存活時(shí)間為18.9歲，25%個(gè)體的存活時(shí)間為24.5歲。其中，雌性個(gè)體最長(zhǎng)的存活時(shí)間為32.7歲，雄性個(gè)體最長(zhǎng)的存活時(shí)間為18.7歲。

1984—2017年上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝月出生、死亡數(shù)量情況的調(diào)查結(jié)果表明(圖3)，11月出雛數(shù)量最多，累計(jì)達(dá)29只，其次是1月25只，5月、6月出雛最少。出雛高峰期主要集中在10月至次年2月。死亡數(shù)量最多是12月，其次是7月和3月，累計(jì)死亡數(shù)量分別是9只、7只和6只。

圖2 上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群年齡及性別結(jié)構(gòu)Fig. 2 Age and sex structure of captive Spheniscus demersus population in Shanghai Zoo

圖3 1984—2017年上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝月出生及死亡數(shù)量Fig. 3 The born and death number of captive Spheniscus demersus in Shanghai Zoo from 1984 to 2017

2005—2017年斑嘴環(huán)企鵝的死亡原因主要包括曲霉菌病、疫苗反應(yīng)、腸梗阻、胃脹氣、肝腎問(wèn)題、腫瘤及其他。在41例死亡企鵝中，有20例死于曲霉菌病，約占總死亡數(shù)的48.8%(表1)。

2.2 圈養(yǎng)種群遺傳學(xué)分析

上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群主要來(lái)源于9只奠基者(表2、圖4)。其中，來(lái)自日本的有5只(譜系號(hào)：H3、H4、H5、H6、H7)，來(lái)自荷蘭的有4只(譜系號(hào)：102、105、wild1、wild2)。目前種群中保留了

野生個(gè)體90.28%的基因多樣性。該種群的奠基者基因等量值是5.14，即種群的遺傳多樣性水平和一個(gè)由5個(gè)互無(wú)血緣關(guān)系個(gè)體建立的種群一致。奠基者的遺傳貢獻(xiàn)值呈不均衡趨勢(shì)(圖4)，基因庫(kù)78.5%的基因來(lái)自于5只奠基者，其中，H3(黑赤環(huán)♂)、H4(鋁環(huán)♀)的個(gè)體貢獻(xiàn)值最大，其次是H7(無(wú)環(huán)♀)。種群的平均親緣關(guān)系值為0.097 2，種群的平均近親繁殖系數(shù)為0.099 5，提示該種群存在一定的近交。

種群基因多樣性保存比率至1999年快速上升至75%，1999—2004年呈緩慢波動(dòng)式增長(zhǎng)趨勢(shì)，至2004年達(dá)到87.63%，2004—2007年從87.63%緩慢增長(zhǎng)至90.28%。種群數(shù)量從1999年開始增長(zhǎng)，2003年后呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。在種群數(shù)量增長(zhǎng)階段，基因多樣性保存比率也隨之增長(zhǎng)(圖5)。

在種群的遺傳管理中，通常使用配對(duì)適宜度指數(shù)(MSI)挑選合適的個(gè)體配對(duì)(MSI的計(jì)算考慮了配對(duì)動(dòng)物的平均親緣關(guān)系值、雄雌動(dòng)物平均親緣關(guān)系值的差距、產(chǎn)生后代的近親繁殖系數(shù)、配對(duì)動(dòng)物祖先未知因素的總量)進(jìn)行繁殖(周軍英，2013a)。對(duì)目前已知性別的成活雌雄個(gè)體進(jìn)行配對(duì)，根據(jù)MSI評(píng)估，發(fā)現(xiàn)有65.9%的配對(duì)方式不利于種群遺傳健康發(fā)展。

表1 2005—2017年上海動(dòng)物園斑嘴環(huán)企鵝死亡原因Table 1 The cause of death of Spheniscus demersus in Shanghai Zoo from 2005 to 2017

注Note： 每例死亡企鵝為1只one individual died every case

表2 上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群遺傳學(xué)參數(shù)Table 2 Genetic parameters of captive population ofSpheniscus demersus in Shanghai Zoo

3 討論

3.1 種群特征

截至2017年，上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群達(dá)到147只。1998年以來(lái)，斑嘴環(huán)企鵝飼養(yǎng)繁育水平的日趨成熟(陳云霜等，2000)，人工孵化與育雛技術(shù)瓶頸的突破(李仲逵等，2002，2004；李洪文等，2014)，圈養(yǎng)出生個(gè)體數(shù)量得以快速增加，種群規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，但種群的增長(zhǎng)基本依賴于圈養(yǎng)繁殖個(gè)體，種群處于自我維持階段(王鵬彥等，2005)。

上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝是一個(gè)小種群，種群大小直接受出生率和死亡率的影響。環(huán)境隨機(jī)性和隨機(jī)災(zāi)害可能會(huì)通過(guò)對(duì)種群所有或多數(shù)個(gè)體的出生率和死亡率產(chǎn)生直接作用而影響滅絕的過(guò)程(馬祖飛，李典謨，2003)。小種群因近親繁殖或無(wú)法找到合適的配偶，更易受遺傳漂變等影響，進(jìn)而導(dǎo)致出生率減小、死亡率增加。當(dāng)種群密度低于某一閾值時(shí)，將更易受阿利效應(yīng)的影響(王瑤等，2007)。因此，必須對(duì)斑嘴環(huán)企鵝進(jìn)行有效的種群管理，以降低因環(huán)境隨機(jī)性、隨機(jī)災(zāi)害及阿利效應(yīng)而導(dǎo)致局部滅絕的概率。

圖4 上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群奠基者貢獻(xiàn)值及后代數(shù)量Fig. 4 Founder contribution and descendants of Spheniscus demersus in Shanghai Zoo

圖5 1984—2017年上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群數(shù)量與基因多樣性Fig. 5 Population size and gene diversity of captive Spheniscus demersus in Shanghai Zoo from 1984 to 2017

3.2 統(tǒng)計(jì)學(xué)管理

3.2.1死因與曲霉菌病的防治對(duì)41只死亡個(gè)體分析發(fā)現(xiàn)，圈養(yǎng)出生斑嘴環(huán)企鵝個(gè)體在0～1歲和10～13歲死亡率明顯高于其他年齡段，其原因在于0～1歲主要處于人工孵化育雛個(gè)體從孵化室向飼養(yǎng)崗位轉(zhuǎn)移的時(shí)期；10～13歲接近野外企鵝壽命；13歲以上的死亡率較低可能因?yàn)檫@部分企鵝具有較高的圈養(yǎng)適應(yīng)性，其相應(yīng)的應(yīng)激程度低，體質(zhì)狀況良好。因此，提高人工育雛技術(shù)創(chuàng)新研究、加強(qiáng)亞成體企鵝過(guò)渡期飼養(yǎng)管理、提高圈養(yǎng)適應(yīng)性、減少應(yīng)激等可以考慮被用來(lái)降低圈養(yǎng)企鵝的死亡率。

曲霉菌病是導(dǎo)致企鵝死亡最主要的疾病。曲霉菌種類繁多、分布范圍廣，常存在于籠舍地面、墻面及飼料中。在潮濕的環(huán)境中，曲霉菌繁殖迅速，孢子數(shù)量快速增加。如果陽(yáng)光不足、環(huán)境通風(fēng)不良，空氣中懸浮的大量真菌孢子會(huì)通過(guò)呼吸或飼料侵入體內(nèi)，當(dāng)企鵝抵抗力不足時(shí)，曲霉菌迅速繁殖，從而導(dǎo)致曲霉菌病發(fā)生(常洪宇等，2016；張瓊方等，2016)。上海氣候濕潤(rùn)，梅雨季雨水較多，圈養(yǎng)環(huán)境條件和原棲息地差別較大，導(dǎo)致企鵝免疫力較低。同時(shí)，鳥類在生理、呼吸道免疫方面與哺乳動(dòng)物有區(qū)別，也可能導(dǎo)致企鵝對(duì)曲霉菌病易感(Richard & Thurston，1983；Toth，2000)。人工孵化室、孵箱及育雛設(shè)施、進(jìn)氣管道等也極易讓幼雛吸入曲霉菌孢子(齊新永等，2016)。因此，保持籠舍環(huán)境干燥、控制好溫濕度、加強(qiáng)環(huán)境衛(wèi)生清潔和消毒、延長(zhǎng)企鵝日照時(shí)長(zhǎng)等可以預(yù)防曲霉菌病。臨床早期的曲霉菌病不易診斷，往往需要借助病理組織學(xué)結(jié)合PAS染色診斷(張瓊方等，2016)，且一旦感染難以根治。因此，在圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝的飼養(yǎng)管理中，曲霉菌病的管理最好以預(yù)防為主、防治結(jié)合。未來(lái)可進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)曲霉菌的類型、肉芽腫結(jié)構(gòu)及曲霉菌治療手段的技術(shù)研究。

3.2.2性別鑒定與配對(duì)國(guó)內(nèi)外針對(duì)外觀無(wú)法鑒別雌雄的單態(tài)性鳥類的性別鑒定研究技術(shù)成熟(Morinhaetal.， 2013；李巍等，2017)。斑嘴環(huán)企鵝雌雄個(gè)體很難從外觀上區(qū)分，現(xiàn)有種群中未知性別個(gè)體比例高達(dá)46.25%，對(duì)圈養(yǎng)種群的健康發(fā)展造成一定限制。種群中適齡繁殖個(gè)體完全依賴現(xiàn)有圈養(yǎng)小群體自由配對(duì)，配對(duì)成功的企鵝若有后代誕生，其親緣關(guān)系一般不會(huì)被過(guò)多考慮。一對(duì)種鳥在圈養(yǎng)條件下會(huì)一直繁殖到一方配偶死亡或其他意外情況發(fā)生而終止。在這種情況下，若過(guò)分依賴單一配對(duì)，盲目追求種群數(shù)量的增長(zhǎng)，而忽略遺傳學(xué)管理，再加上潛在建立者又沒(méi)有及時(shí)補(bǔ)充，近親繁殖概率會(huì)大大增加(周軍英，2013a；由玉巖等，2017)。因此，為擴(kuò)大圈養(yǎng)種群基因儲(chǔ)備，挖掘更多的潛在個(gè)體參與繁殖，可利用現(xiàn)有的企鵝性別鑒定技術(shù)(Costantinietal.，2008；Zhongetal.，2013)開展企鵝未知性別個(gè)體鑒定，為適齡繁殖個(gè)體自由配對(duì)和人工干預(yù)配對(duì)創(chuàng)造便利條件(馬珺，2011)。

3.2.3受精率與人工授精技術(shù)圈養(yǎng)繁殖是保護(hù)瀕危動(dòng)物的一種有效途徑和必要手段(Russello & Amato，2004)。然而，根據(jù)上海動(dòng)物園斑嘴環(huán)企鵝歷年繁殖數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)企鵝卵受精率偏低，一定程度上影響了圈養(yǎng)繁殖個(gè)體的增加。2017年種群規(guī)模略有下降，正是因?yàn)槠簌Z卵受精率低，繁殖個(gè)體數(shù)量補(bǔ)充較少。造成受精率低下的原因除了跟上述配對(duì)問(wèn)題有關(guān)外，動(dòng)物園內(nèi)活動(dòng)空間受限、無(wú)法模擬野外生境以及食物多樣性欠缺都可能是影響因素。隨著人工授精技術(shù)在鶴類、半番鴨等鳥類中的推廣和應(yīng)用(張敬等，2014；朱志明等，2015)，斑嘴環(huán)企鵝也有望通過(guò)人工授精技術(shù)來(lái)提高卵的受精率。人工受精技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)斑嘴環(huán)企鵝的特定繁殖目標(biāo)非常實(shí)用，除了能提高受精率、增加繁殖機(jī)會(huì)外，還能有效解決具有繁殖能力的雌雄個(gè)體相距較遠(yuǎn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)繁殖的問(wèn)題。

3.3 遺傳學(xué)管理

上海動(dòng)物園斑嘴環(huán)企鵝中來(lái)自日本的奠基者的后代數(shù)和貢獻(xiàn)值要明顯高于來(lái)自于荷蘭的奠基者。對(duì)種群核DNA遺傳結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果也證實(shí)，上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝種群可分為2個(gè)亞群，在線粒體DNA遺傳結(jié)構(gòu)上分屬2個(gè)大的世系，且貢獻(xiàn)值不一樣(耿廣耀等，2015；耿廣耀，2015)。由于奠基者數(shù)量少，且貢獻(xiàn)值和后代數(shù)不均衡，易導(dǎo)致2個(gè)亞群之間基因交流不足，長(zhǎng)久下去會(huì)形成隔離并使亞群規(guī)模縮小，最終不可避免地發(fā)生近交，從而造成遺傳多樣性丟失和個(gè)體適合度下降(Grueber & Jamieson，2008；Rouzic & Carlborg，2008)。

圈養(yǎng)種群的遺傳學(xué)管理目標(biāo)一般是在未來(lái)100年內(nèi)具有90%以上野生種群的遺傳多樣性(于澤英，2004b)。遺傳多樣性決定一個(gè)物種的穩(wěn)定性和進(jìn)化潛力(周延清等，2008)。目前，斑嘴環(huán)企鵝圈養(yǎng)種群的基因多樣性保存量為90.28%，但未來(lái)將會(huì)很快丟失，原因在于斑嘴環(huán)企鵝存在近親繁殖、奠基者數(shù)量少、奠基者對(duì)種群的貢獻(xiàn)值不均等、家系大小不均衡以及潛在奠基者缺乏等。平均親緣關(guān)系最小化是圈養(yǎng)種群建立有效遺傳管理策略最常用的方法(周軍英，2013a)，即要在種群中選擇血緣關(guān)系最小的個(gè)體作為下一代的親本，以減少奠基者貢獻(xiàn)值的不均等性(黃宏文，康明，2005；周軍英，2013a)。人工授精技術(shù)也是解決奠基者貢獻(xiàn)值不均衡問(wèn)題的有益工具(Kleimanetal.，2010)。加強(qiáng)不同飼養(yǎng)單位間的種群基因交流也有助于維持圈養(yǎng)種群的基因多樣性(孫小雅等，2010)，但國(guó)內(nèi)飼養(yǎng)機(jī)構(gòu)中可追溯的斑嘴環(huán)企鵝多數(shù)是上海動(dòng)物園繁育的后代(李洪文等，2014)，相較于在國(guó)內(nèi)動(dòng)物園尋找更合適的配對(duì)個(gè)體來(lái)說(shuō)，從國(guó)外引進(jìn)新的種源更有利于保持圈養(yǎng)種群的基因多樣性。

遺傳管理有效性指數(shù)是有效種群數(shù)量與種群數(shù)量的比率(Ne/N)，是對(duì)未來(lái)種群遺傳狀況預(yù)測(cè)的重要指標(biāo)，影響這一指標(biāo)的主要因素是種群大小的波動(dòng)、家系大小的變化和性比失衡(周軍英，2013a)。目前，上海動(dòng)物園圈養(yǎng)斑嘴環(huán)企鵝的Ne/N接近0.25，處于一般狀態(tài)，但由于斑嘴環(huán)企鵝種群中未知性別比例過(guò)高，Ne/N的準(zhǔn)確性有待考量。除了性別因素外，種群中某些個(gè)體繁殖過(guò)多也是影響Ne/N的重要因素。因此，為提高斑嘴環(huán)企鵝有效種群的大小，明確性別及為繁殖個(gè)體提供均等的繁殖機(jī)會(huì)是目前所要解決的問(wèn)題(周軍英，2013a)。

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