舒 予 史 令 賴思琦 田 瑩,2 常亞青

(1.大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點實驗室,大連 116023;2.大連貝殼博物館貝類研究所,大連 116023)

形態(tài)測量學(xué)(Morphometric)是用于描述生物體和生物體之間由于生長、環(huán)境變化或者進化,發(fā)生的形態(tài)變化或差異的分析方法。數(shù)理生物學(xué)家Thompson最早在1917年提出,通過測量和坐標(biāo)變換,能夠從數(shù)理角度描述分析外形相似的生物體間的形態(tài)差異[1]。目前根據(jù)發(fā)展時間和方法原理,可以將形態(tài)測量學(xué)分為傳統(tǒng)形態(tài)測量學(xué)(Traditional morphometric)和幾何形態(tài)測量學(xué)(Geometric morphometric)。

傳統(tǒng)形態(tài)測量學(xué),或稱多變量形態(tài)測量學(xué),通過統(tǒng)計學(xué)分析,得到其形態(tài)上的變化規(guī)律或不同生物體間的形態(tài)差異。變量一般為生物體上測量的線性距離或線性距離的比值和乘積,比如長度、寬度、高度、角度、比率及面積等。王旭等[2]采用8個度量特征對3個地理群體的單齒螺(Monodonta labio)的形態(tài)差異進行研究,發(fā)現(xiàn)舟山和廈門群體形態(tài)最為接近,大連群體趨異程度最大,但差異都未達到亞種水平;牛泓博等[3]同樣利用該方法,通過對遼寧沿海菲律賓蛤仔的多變量形態(tài)度量學(xué)分析,揭示了該種貝類不同群體的形態(tài)差異。

幾何形態(tài)測量學(xué)利用輪廓線(Outline)或界標(biāo)點(Landmarks),來描述生物體的形態(tài)或標(biāo)記特征部位,得到其形態(tài)上的變化規(guī)律或不同生物體間的形態(tài)差異[4]。標(biāo)記的位點構(gòu)成數(shù)據(jù)分析中的原始變量,之后映射到數(shù)學(xué)坐標(biāo)中采用多變量數(shù)據(jù)分析的方法獲得其差異性。來益同等[5]使用界標(biāo)點及半界標(biāo)點對2種純合體色品系的大瓶螺的殼口和殼頂進行幾何形態(tài)測量學(xué)分析,結(jié)果表明該貝殼的形態(tài)變化主要集中在殼口上半部,且不同體色和性別的大瓶螺存在著顯著的形態(tài)差異;陳楠樺等[6]對4種濱螺的幾何形態(tài)測量學(xué)研究,揭示了這4種濱螺在殼口和螺體上的主要形態(tài)差異和它們之間基于形態(tài)的親緣關(guān)系遠近。

櫛孔扇貝(Chlamys farreri)屬軟體動物門(Mollusca)、雙殼綱(Bivalvia)、海扇蛤目(Pectinida)、海扇蛤科(Pectinidae)、櫛孔扇貝屬(Chlamys),是我國北方重要的海水經(jīng)濟養(yǎng)殖貝類品種[7]。目前櫛孔扇貝主要的養(yǎng)殖區(qū)域集中在近岸的15 m水深的淺水海區(qū),隨著養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,淺水海區(qū)的利用日漸飽和,部分區(qū)域資源過度利用,因養(yǎng)殖密度過大導(dǎo)致了水質(zhì)惡化、養(yǎng)殖污染加劇、病害頻發(fā)和種質(zhì)退化等問題[8,9]。相較而言,遠岸20—40 m水深的深水海區(qū)還有較大的資源開發(fā)空間,因其具有可利用場所廣闊、與其他產(chǎn)業(yè)在場地利用上矛盾小和水交換能力強等優(yōu)點,海水養(yǎng)殖從近岸淺水海區(qū)向遠岸深水海區(qū)拓展,已成為必然趨勢[10—12]。

對于海產(chǎn)雙殼類來說,研究殼的形態(tài)有助于揭示其生長規(guī)律,是生物學(xué)性狀研究的主要內(nèi)容之一,也是分類學(xué)、進化學(xué)和漁業(yè)資源管理等多個領(lǐng)域的研究要點[13—20];同時有大量研究表明,貝類殼的形態(tài)性狀與其活體重、總干重、軟體部重等經(jīng)濟性狀指標(biāo)具有相關(guān)性,形態(tài)指標(biāo)易于測量且不損傷貝類的軟體部,在人工選育和提高養(yǎng)殖效益等方面具有重要意義[21—27]。

我國目前對深水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的研究不多,主要集中在存活率、免疫特征、固碳速率等方面[28,29]。王光花等[30]曾做過桑溝灣遠岸水域(30 m水深)養(yǎng)殖櫛孔扇貝的形態(tài)性狀與經(jīng)濟性狀之間的相關(guān)性和多元回歸關(guān)系,但并未將深水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝和淺水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的形態(tài)作比較與分析。本文擬通過形態(tài)測量學(xué)(Morphometric)的方法,統(tǒng)計和分析深水養(yǎng)殖和淺水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的形態(tài)學(xué)上的差異,為櫛孔扇貝拓展深水養(yǎng)殖的科學(xué)選育和增養(yǎng)殖等工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2019年6月,在大連市黑石礁海域的近岸淺水海區(qū)(15 m水深,38°50′35.37″ N,121°34′55.36″E)和遠岸深水海區(qū)(3 0 m水深,3 8°4 5′5 5.5 8″N,E121°35′32.14 E″)分別隨機選取底棲養(yǎng)殖的殼形完整的2齡櫛孔扇貝30只,運回農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點實驗室(大連)暫養(yǎng)3d后進行測量和解剖。

1.2 形態(tài)測量方法

傳統(tǒng)形態(tài)測量清除貝殼表面的牡蠣、藤壺和石灰蟲等附著物后,使用電子游標(biāo)卡尺對貝殼的殼高(SH)、殼長(SL)和殼寬(SW)進行測量,精確到0.01 mm,測量部位及指標(biāo)見圖1。

圖1 櫛孔扇貝傳統(tǒng)形態(tài)測量學(xué)指標(biāo)Fig.1 Traditional morphometrical measurements of C. farreri

幾何形態(tài)圖像獲取解剖扇貝去除軟體部后,使用數(shù)碼相機(Canon G12)對每個櫛孔扇貝的右殼進行拍攝捕獲圖像,以采集二維數(shù)據(jù)。相機固定在翻拍架上,使用水平儀調(diào)整角度將透鏡中心軸與拍攝面垂直,拍攝距離固定在125 mm,保證不同樣本之間具有相同的比例尺,減小被拍攝物在投影時由于視差產(chǎn)生形變[31];扇貝殼置于水平架,凹面向上,以垂直于鉸合邊緣、從殼頂發(fā)出的直線為中軸,使用水平儀確保殼緣平面與拍攝面平行。為了降低操作的偶然誤差,照片的拍攝和后續(xù)數(shù)字化工作均由一人完成。

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理本文采用界標(biāo)點(Landmarks)+半界標(biāo)點(Semi-landmarks)的方法[32],使用ImageJ v1.52對2種不同水深的櫛孔扇貝的二維圖像進行標(biāo)點和數(shù)據(jù)采集工作。界標(biāo)點的選取要求既能反映研究對象的形態(tài)差異,同時在各樣本之間又具有同源性,半界標(biāo)點是為了更加精細地確定研究對象的整體輪廓。共選取28個點作為標(biāo)記點,其中1—8為界標(biāo)點,為扇貝的生物學(xué)特征點,9—28為半界標(biāo)點,為沿著貝殼邊緣輪廓線的半界標(biāo)點。具體見圖2和表1。

1.3 數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)形態(tài)測量使用Excel 2018計算2種不同水深的櫛孔扇貝在傳統(tǒng)測量方法下的形態(tài)學(xué)指標(biāo)的平均值(Mean)、標(biāo)準(zhǔn)差(SD)和變異系數(shù)(CV%)等基本統(tǒng)計量;使用SPSS v23.0對2種不同水深的櫛孔扇貝間的各形態(tài)學(xué)性狀進行獨立樣本T檢驗(Independent-samplesTtest),獲得其差異的顯著性。

圖2 櫛孔扇貝界標(biāo)點與半界標(biāo)點的位置Fig.2 Position of the 8 landmarks and 20 semi-landmarks on C.farreri

表1 櫛孔扇貝界標(biāo)點與半界標(biāo)點的位置Tab.1 The position of landmarks and semi-landmarks on C.farreri

幾何形態(tài)測量對采集到的2種不同水深的櫛孔扇貝的形態(tài)數(shù)據(jù)坐標(biāo)進行廣義普魯克分析(Generalized Procrustes Analysis,GPA),去除在取界標(biāo)點時由于位置方向和比例變化產(chǎn)生的非形態(tài)差異的影響;然后將經(jīng)GPA變換后的數(shù)據(jù)進行主成分分析(Principal Components Analysis,PCA)和典型變量分析(Canonical Variate Analysis,CVA),前者是分析每個樣本幾何形態(tài)上的差異,后者是分析2種不同水深的櫛孔扇貝間的形態(tài)差異。上述數(shù)據(jù)分析均使用Past v3.24完成[33]。

2 結(jié)果

2.1 傳統(tǒng)形態(tài)測量

2種不同水深的櫛孔扇貝的傳統(tǒng)形態(tài)測量結(jié)果見表2。深水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的殼高、殼長和殼寬的最大值分別為102.96、97.51和33.71 mm,最小值分別為69.76、65.81和21.47 mm;淺水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的殼高、殼長和殼寬的最大值分別為74.54、70.13和26.46 mm,最小值分別為65.86、59.67和19.75 mm。

表2 傳統(tǒng)形態(tài)測量學(xué)的基本統(tǒng)計量Tab.2 Basic statistics of traditional morphometry

各性狀的獨立樣本T檢驗見表3。深水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的殼高、殼長和殼寬都極顯著大于淺水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝(P＜0.01)。

表3 傳統(tǒng)形態(tài)測量學(xué)的獨立樣本T檢驗Tab.3 Independent-samples T test results of traditional morphometry

2.2 幾何形態(tài)測量

使用PAST軟件進行廣義普魯克分析,在X-Y坐標(biāo)軸上作2種不同水深櫛孔扇貝的GPA疊加圖(圖3)。圖3A為深水櫛孔扇貝GPA疊加圖,可以看出,深水櫛孔扇貝的殼頂標(biāo)點較集中,僅有部分個體的標(biāo)記點離散于重疊點;前耳足絲孔內(nèi)陷程度較一致,后耳彎曲的傾斜程度不一;殼緣大小不一,也有部分個體離散于重疊點。圖3B為淺水櫛孔扇貝GPA疊加圖,殼頂標(biāo)點集中;前耳集中成一線內(nèi)折;后耳線段上粗下細,說明后耳末端標(biāo)點較離散;后耳拐彎處標(biāo)點較集中;殼緣標(biāo)點集中,大小一致。圖3C為深水櫛孔扇貝和淺水櫛孔扇貝的GPA疊加圖,可以看出,淺水櫛孔扇貝的殼頂疊加點在深水櫛孔扇貝的內(nèi)側(cè);前耳和后耳都向內(nèi)傾斜和彎曲;淺水櫛孔扇貝的殼緣疊加點都在深水櫛孔扇貝殼緣疊加點的內(nèi)側(cè)。圖3D為去除尺寸大小因素后兩種扇貝的GPA疊加圖,可以看出淺水櫛孔扇貝和深水櫛孔扇貝的殼頂都集中于一點;前耳彎曲程度一致;后耳末端標(biāo)點離散,但拐彎處標(biāo)點集中;殼緣標(biāo)點集中,大小一致。

圖3 不同水深櫛孔扇貝的廣義普魯克分析(GPA)疊加圖Fig.3 GPA-landmark plot of C. farreri from different water depths

經(jīng)GPA變換后,對樣本數(shù)據(jù)的主成分分析結(jié)果中,前3個主成分(Principal Component,PC)的累計貢獻率達到了62.01%,能夠說明2種不同水深櫛孔扇貝的主要形態(tài)差異,其中PC1的貢獻率為29.52%,PC2的貢獻率為21.44%,以貢獻值最大的兩個主成分為坐標(biāo)作二維分布散點圖(圖4)。PC1的主要變異位點為2、7—18、21—26,即扇貝的前后耳和扇形頂部邊緣;PC2的主要變異位點為4、6、8—11、19—21、24—28,即扇貝的后耳和扇形左右部分的下邊緣。以扇貝中軸中心點為參照,當(dāng)PC1逐漸增大時,扇貝前后耳呈向外變化、扇形頂部邊緣呈向下變化的趨勢;當(dāng)PC2逐漸增大時,扇貝后耳呈向內(nèi)變化、扇形左邊緣呈向外變化、扇形右邊緣呈向下變化的趨勢。圖中深水櫛孔扇貝主要分布在PC1的正軸和PC2的負軸,即殼耳呈向外變化、扇形頂部邊緣呈向下變化、左邊緣呈向內(nèi)變化、右邊緣呈向上變化的趨勢;淺水櫛孔扇貝主要分布在PC1的負軸和PC2的正軸,即殼耳呈向內(nèi)變化、扇形頂部邊緣呈向上變化、左邊緣呈向外變化、右邊緣呈向下變化的趨勢。

對樣本數(shù)據(jù)進行典型變量分析。先是將數(shù)據(jù)分類,從合并的組內(nèi)協(xié)方差矩陣計算馬氏距離,將每個樣本分配給馬氏距離組平均值最小的組,得出線性判別分類結(jié)果。以判別變量為橫軸,樣本頻數(shù)為縱軸,作判別直方圖(圖5)。圖中可見2種不同水深的櫛孔扇貝在坐標(biāo)上分為兩簇,判別率為100%,說明兩者之間通過典型變量分析能夠獨立分開。

圖4 不同水深櫛孔扇貝的主成分分析(PCA)散點圖Fig.4 Principal components analysis(PCA)diagram of two groups

圖5 不同水深櫛孔扇貝的典型變量分析(CVA)直方圖Fig.5 Canonical variate analysis(CVA)histogram of the two groups

3 討論

在形態(tài)測量學(xué)中,傳統(tǒng)形態(tài)測量學(xué)與幾何形態(tài)測量學(xué)相比存在著統(tǒng)計學(xué)上的缺陷[34]。傳統(tǒng)形態(tài)測量學(xué)方法的度量值通常與被測物的尺寸大小高度相關(guān)[35],分析結(jié)果對所選的特定距離或比率非常敏感,所以通過傳統(tǒng)測量方法很難得到穩(wěn)健的不含尺寸的形狀變量,而幾何形態(tài)測量法在分析過程中保留了形狀變量[36—38],能通過坐標(biāo)變換分析得到非尺寸大小的形狀差異。比如Mrquez等[32]對特維爾切扇貝Aequipecten tehuelchus的幾何形態(tài)學(xué)研究發(fā)現(xiàn),該扇貝在從稚貝開始的5年生長過程中,為適應(yīng)從附著到游泳生活的習(xí)性,前后耳從對稱變?yōu)椴粚ΨQ、殼形從細長變?yōu)闄E圓;王賀崐元等[39]通過對高原裸裂尻魚頭部輪廓的幾何形態(tài)測量分析,得到了其不同亞種和居群間非尺寸大小性狀的形態(tài)多樣性。

本研究一是通過傳統(tǒng)形態(tài)測量學(xué)的線性距離統(tǒng)計學(xué)方法,分析得到深水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的殼高(SH)、殼長(SL)和殼寬(SW)極顯著大于淺水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝(P＜0.01);二是通過幾何形態(tài)測量學(xué)的數(shù)字標(biāo)點多變量統(tǒng)計方法,分析得到深水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的整體殼形尺寸大于淺水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝,并且發(fā)現(xiàn)除去尺寸大小因素后兩者的殼耳和扇形邊緣存在顯著差異。兩種分析方法都能得到深水養(yǎng)殖櫛孔扇貝殼形尺寸大于淺水養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的結(jié)果,且?guī)缀涡螒B(tài)測量學(xué)能得到更加具體和詳細的形態(tài)變化趨勢。

王光花等[30]對桑溝灣遠岸水域(30 m水深)養(yǎng)殖的櫛孔扇貝的數(shù)量性狀的相關(guān)性和通徑分析,在遠岸深水區(qū)養(yǎng)殖櫛孔扇貝有較高的經(jīng)濟效益。對花蛤的深水養(yǎng)殖研究表明,比起傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方式,其成活率和平均產(chǎn)量都顯著提升,投入產(chǎn)出比為1﹕4.5,增加收益12.6%[40],由此可見,深水養(yǎng)殖是貝類養(yǎng)殖增加效益的可靠方式,而且深水養(yǎng)殖對拓展養(yǎng)殖海域、減輕近岸養(yǎng)殖區(qū)域的環(huán)境壓力、調(diào)節(jié)和保護海洋養(yǎng)殖品種結(jié)構(gòu)都有著重要意義,是我國實現(xiàn)海水養(yǎng)殖生態(tài)經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的必然趨勢[41]。

形態(tài)測量學(xué)的發(fā)展是計算機技術(shù)和數(shù)學(xué)方法的創(chuàng)新和完善[38]。一方面隨著3D技術(shù)的興起,在能夠處理3D圖像和三維數(shù)據(jù)的軟件支持下,對生物體立體形態(tài)的分析成為可能,分析角度更加多元、形態(tài)更加細節(jié);另一方面其分析方法也融合了數(shù)學(xué)、物理等方面的知識,熟練掌握此方法需要扎實的自然科學(xué)功底和較好的理論基礎(chǔ)。在今后的研究中,掌握相關(guān)數(shù)理知識,利用先進的計算機科學(xué)技術(shù),從不同領(lǐng)域、站在不同角度解釋和分析生物體或生物體間的形態(tài)變化和差異,也是該學(xué)科未來的發(fā)展思路[42,43]。