王靖文 楊國梁 孔 杰 夏正龍 隋 娟 唐瓊英羅 坤 代 平 孟憲紅 陳麗梅 欒 生①

(1. 天津農學院水產學院 天津 300384; 2. 中國水產科學研究院黃海水產研究所 農業(yè)農村部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點實驗室 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋漁業(yè)科學與食物產出過程功能實驗室 山東青島 266071; 3. 湖州師范學院浙江湖州 313000; 4. 江蘇數(shù)豐水產種業(yè)有限公司 江蘇高郵 225600)

羅氏沼蝦(Macrobrachium rosenbergii)隸屬甲殼綱(Crustacea) 、 十 足 目(Decapoda) 、 長 臂 蝦 科(Palaemonidae)、沼蝦屬(Macrobrachium)。根據它們在群體中的相對大小、第二步足的顏色及其與體長的比例等特征, 雄蝦可以分為四種形態(tài): 小雄蝦(small male, SM), 橙色螯(orange-clawed male, OC)、藍色螯(blue-clawed male, BC)和老藍色螯(old blue-clawed male, OBC)雄蝦(Worthamet al, 2014)。根據繁殖狀態(tài),雌蝦可以分為: 性腺未發(fā)育(immature female, IF)、性腺成熟(mature ovary female, MOF)、抱卵(berried female, BF)和已產卵(spawned female, SF)四種形態(tài)。不同形態(tài)的雄蝦體重差異顯著(Ranjeetet al, 2002),其中SM是雄蝦生長發(fā)育的起始階段, OC為快速生長時期(Cohenet al, 1981); BC 是雄蝦形態(tài)變化的最終階段, 體型大, 生長速度變慢; OBC 雄蝦色深藍、外殼堅硬、頭胸甲和第二步足發(fā)達, 其第二步足長多為體長的1.5 倍以上(唐瓊英等, 2019), 從外型看起來更為老氣, 被養(yǎng)殖戶俗稱為“老頭蝦”。BC 雄蝦處于統(tǒng)治地位, 會抑制SM 和OC 雄蝦的生長速度和形態(tài)轉變。只有當OC 個體的體型和爭斗能力不弱于其附近最大的BC 個體時, OC 雄蝦才有機會轉變?yōu)锽C 雄蝦(Kuriset al, 1987)。未性成熟的IF 雌蝦的體重小于性成熟的MOF、BF 和SF 雌蝦, 但達到性成熟狀態(tài)后,后三種形態(tài)雌蝦生長速度變慢(Ra’ananet al, 1991)。

養(yǎng)殖群體中不同形態(tài)雌雄蝦所占比例會影響?zhàn)B殖產量和經濟效益。如果群體中BC 雄蝦比例過高,一方面BC 個體間爭斗會降低養(yǎng)殖存活率, 另一方面BC 個體會抑制SM 和OC 個體的生長, 導致群體生長速度變慢, 降低養(yǎng)殖產量(Aflaloet al, 2014)。在養(yǎng)殖收獲期前如果雌蝦BF 和SF 形態(tài)個體的比例過高, 也會導致群體的生長速度變慢, 影響產量。

當前, 關于羅氏沼蝦雌雄蝦不同形態(tài)個體所占比例的遺傳參數(shù)估計研究較少。Dinh 等(2014)對羅氏沼蝦核心育種群體5 個世代21 459 尾雌雄個體不同形態(tài)閾值性狀的方差組分和遺傳參數(shù)進行了估計。但是該群體的養(yǎng)殖測試密度非常低(2 尾/m2), 個體的收獲規(guī)格較大(BC 雄蝦收獲體重均值為81.2 g), 與我國常規(guī)土塘養(yǎng)殖模式和市場規(guī)格存在較大差異(楊雁等,2019)。已有研究表明, 養(yǎng)殖密度對羅氏沼蝦雄蝦不同形態(tài)及社會等級結構的影響較大(徐曄等, 2021)。因此在不同養(yǎng)殖模式下獲得的形態(tài)閾值性狀的遺傳參數(shù),可能會存在較大差異。本文評估了土塘養(yǎng)殖模式下羅氏沼蝦不同形態(tài)雌雄蝦占比的選擇潛力, 以及改良性狀后對羅氏沼蝦生長速率的影響, 以期為進一步改良羅氏沼蝦的產量性狀提供關鍵的遺傳參數(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

實驗群體來自位于江蘇省高郵市的江蘇數(shù)豐水產種業(yè)有限公司。奠基群體包括兩個商業(yè)群體和兩個野生群體(Liuet al, 2020)。2019 年, 將來自三個擴繁群體的9 個雄蝦和7 個雌蝦引入核心群體, 并在G3代產生了21 個新的家系。擴繁群體為G0～G2 世代高選擇指數(shù)家系的后代。本實驗使用有形態(tài)記錄的G3～G4 兩代群體的信息。

1.2 家系的交配和生產

使用基于系譜信息的最佳線性無偏預測方法(best linear unbiased prediction based on pedigree,pBLUP) (G0～G2 世代)、單步基因組BLUP 方法(single step genomic BLUP, ssGBLUP) (Meuwissenet al, 2001)(G3 世代)結合個體動物模型預測每個世代個體體重的估計育種值(estimated breeding value, EBV)。使用pBLUP (G0～G2)或ssGBLUP (G3)方法結合父母本閾值(連接函數(shù) PROBIT) 模型預測家系存活性狀的EBV。綜合體重和存活性狀的育種值, 計算個體的綜合選擇指數(shù), 挑選高選擇指數(shù)個體作為候選配種親本。優(yōu)先挑選外形健康、爪長且粗的OC 形態(tài)雄蝦個體, 以及卵巢呈橙色且占頭胸甲面積較大的雌蝦個體作為親本。挑選出的個體單獨養(yǎng)殖至性成熟。

利用最佳遺傳貢獻理論(optimum contribution selection, OCS), 平衡近交水平和遺傳進展, 將來自不同家系的1 尾雄蝦和3～5 尾雌蝦飼養(yǎng)在3 m2的混凝土水池中交配。將受精后的雌蝦轉移到單獨的120 L 桶中, 飼養(yǎng)15～18 d, 直到卵開始孵化。每個家系隨機抽取5 000 尾幼體, 移至120 L 的育苗桶中。

1.3 幼體中間培育與家系和個體標記

當每個家系80%以上幼體變態(tài)為仔蝦時, 開始淡化直至全部幼體變?yōu)樽形r。每個家系計數(shù)600 尾仔蝦移入3 m2的暫養(yǎng)池內進行中間培育。當家系內最小個體的體長超過2.5 cm 時, 在仔蝦的第5、6 腹節(jié)處選取4 個部位中的2 個位置注射可視嵌入性膠條(visible implant elastomer, VIE), 每個家系用不同的顏色組合進行標記。

1.4 生長與個體形態(tài)測試

使用P10 (2 133 m2)和P11 (2 000 m2)兩個土塘對G3 和G4 代個體進行共同飼養(yǎng)測試。每個世代每個家系挑選100 尾以上標記過VIE 的仔蝦, 并平均分配到每個池塘。放養(yǎng)密度在2 代間的變化范圍為12.5～14.39尾/m2。各世代的家系生產和管理如表1 所示。G3 和G4 分別混養(yǎng)測試110 d 和89 d 后, 共收獲40 935 尾個體。收獲時記錄每只蝦的體重、性別、VIE 代碼、池塘ID 和收獲日期。根據第二步足的顏色和長度將雄蝦分為SM、OC、BC 和OBC 四種形態(tài)。根據第二步足的個數(shù)(0、1 或2), 進一步將雄蝦分為M0C、M1C和M2C 三種類型。雌蝦按其繁殖狀態(tài)IF、MOF、BF和SF 四種形態(tài)。

表1 羅氏沼蝦多世代家系生產和管理信息表Tab.1 Schedule of family reproduction and management from G3 to G4 generations

1.5 遺傳參數(shù)的估計

本研究收集了國內羅氏沼蝦核心育種群體2 個世代40 935 尾雌雄個體在較高養(yǎng)殖密度(10.65～14.39尾/m2)下個體形態(tài)的記錄。對于雄蝦, 設置是否為OC形態(tài)和BC 形態(tài)兩個閾值性狀進行分析。如當雄蝦形態(tài)為OC 時, 將該性狀記為1, 否則記為0。由于SM和OBC 形態(tài)雄蝦所占比例較小(1.0%～2.5%), 難以準確地估計其遺傳參數(shù), 文中未做分析。雌蝦設置為IF、BF 和SF 等3 個閾值性狀, 估計其遺傳參數(shù)。由于MOF 雌蝦所占比例較小(3.4%～12.1%), 難以準確地估計其遺傳參數(shù), 本文中未做分析。

利用R 包psych 計算不同世代雌、雄羅氏沼蝦收獲體重性狀的描述性統(tǒng)計參數(shù), 包括個體數(shù)量、平均值、最大值、最小值、標準差和變異系數(shù)等。使用ggplot2 包在家系水平上繪制各世代雌雄蝦不同形態(tài)個體所占比例的箱形圖。

利用ASReml 4.2 軟件的平均信息約束最大似然(AIREML)方法, 結合父母本閾值性狀模型估計羅氏沼蝦不同形態(tài)閾值性狀的遺傳參數(shù)。育種分析模型如下:

式中,yijklm表示第m尾蝦的形態(tài)(是=1; 否=0)(i表示包含世代的固定效應,j表示包含測試池效應,k和l表示包含第k個父本和第l個母本的加性遺傳效應;潛在變量和隨機殘差下同);ηijklm為yijklm的潛在變量, 假設其符合累積標準正態(tài)分布;μ表示總體均值;Gi表示第i個世代的固定效應; M2Agem表示嵌套在世代和測試池互作中的第m尾蝦日齡的線性協(xié)變量; Sirek和Daml表示第k個父本和第l 個母本的加性遺傳效應, Sire 和Dam～(0, Aσsd2) (σsd2=σs2=σd2), σsd2為父本σs2和母本σd2加性遺傳方差的均值,A為加性遺傳相關矩陣;eijklm表示第m尾蝦的隨機殘差,e～(0,Iσe2), 其中σe2是殘差方差,I是單位矩陣。當評估單個世代不同形態(tài)的遺傳參數(shù)時, 從模型中剔除Gi效應。

形態(tài)相關閾值性狀在潛在變量尺度上的遺傳力

(hu2):

形態(tài)相關閾值性狀經過轉換后在觀測值尺度上的遺傳力(hp2):

式中,p是某一形態(tài)在全部個體中的比例,z是正態(tài)分布的最高點的縱坐標(Robertsonet al, 1949)。

使用兩性狀閾值-動物模型估計雌雄蝦不同形態(tài)閾值性狀與其收獲體重的遺傳相關, 其中收獲體重的線性模型如下:

式中,yijklm表示第l尾蝦的收獲體重;μ表示總體均值;Gi表示第i個世代的固定效應; SexSpecj表示第j個性別的固定效應(雄蝦: M0C, M1C 和M2C); Tankk表示第k個測試池的固定效應;Gi×Tankk表示第i個世代和第k個測試池的交互效應; M2Agel表示嵌套在世代和測試池互作固定效應中的第l尾蝦日齡的線性協(xié)變量,b1為回歸系數(shù);al表示第l尾蝦的加性遺傳效應,假設該效應符合正態(tài)分布,a～(0,Aσa2), 其中σa2是加性遺傳方差,A為加性遺傳相關矩陣;cm是第m個全同胞家系的隨機效應;eijklm表示第l尾蝦的隨機殘差,e～(0,Iσe2), 其中σe2是殘差方差,I是單位矩陣。當評估單個世代不同形態(tài)閾值性狀與收獲體重的遺傳相關時, 從模型中剔除Gi效應。

1.6 遺傳力和相關評估的顯著性檢驗

Z-score用來檢驗遺傳力及遺傳相關估計值與0之間是否存在顯著差異(王明珠等, 2017)。其公式為:

式中,xi是不同形態(tài)閾值性狀的遺傳力或遺傳相關估計值,σi是相應的遺傳力或遺傳相關的標準誤。如果Z≥1.96, 遺傳力或遺傳相關估計值與0存在顯著差異;如果Z≥2.58, 遺傳力或遺傳相關估計值與0存在極顯著差異。

2 結果

2.1 描述性統(tǒng)計

羅氏沼蝦各世代不同形態(tài)雌雄蝦的個體數(shù)及比例、收獲體重的描述性統(tǒng)計參數(shù)見表2 (雄蝦)和表3(雌蝦)。G3 和G4 世代不同形態(tài)的雄蝦所占比例分別為: 1.7% vs 4.5% (SM)、56.1% vs 72.7% (OC)、39.7%vs 21.7% (BC)、2.5% vs 1.0% (OBC)。G3 世代OC 雄蝦的比例明顯低于G4 世代, BC 雄蝦的比例高于G4世代。G3 和G4 世代不同形態(tài)的雌蝦所占比例分別為:19.3% vs 29.9% (IF)、3.4% vs 12.1% (MOF)、31.3% vs 25.9% (BF)、46.1% vs 32.1% (SF)。G3 世代IF 雌蝦的比例明顯低于G4 世代, BF 和SF 雌蝦的比例高于G4 世代。G3 和 G4 世代雄蝦的體重均值分別為(46.32±14.28) g、(39.73±15.49) g; 雌蝦的體重均值分別為(31.17±6.19) g、(29.10±7.13) g。此外, 值得注意的是G3 世代OC 雄蝦的平均體重比BC 雄蝦高8.71%,與之相反, G4 世代OC 雄蝦的平均體重比BC 雄蝦低1.69%; G3 世代IF 雌蝦的平均體重比BF 雌蝦低15.06%, G4 世代IF 雌蝦的平均體重比BF 雌蝦低26.89%。雌雄蝦不同形態(tài)個體的體重差異幅度在兩代間有較大差異, 間接表明, 雌雄蝦性成熟后生長速度明顯變慢。

表2 羅氏沼蝦不同世代、不同形態(tài)雄蝦的個體信息和變異系數(shù)Tab.2 Individual information and the coefficient of variation of male M. rosenbergii in different generations and morphotypes

表3 羅氏沼蝦不同世代、不同形態(tài)雌蝦的個體信息和變異系數(shù)Tab.3 Individual information and the coefficient of variation of female M. rosenbergii in different generations and morphotypes

雌雄蝦不同形態(tài)個體在家系水平上的比例見圖1。在G3 世代不同家系中, OC 雄蝦占比最大為83.3%,最小為16.5%, 而在G3 世代不同家系中, IF 雌蝦占比最大為83.3%, 最小為16.5%。雌雄蝦不同形態(tài)個體在家系中占比有明顯差異。

圖1 羅氏沼蝦不同家系多種形態(tài)雌雄蝦占比的箱形圖Fig.1 Box plot of the proportion of female and male morphotypes in different families of M. rosenbergii

2.2 方差組分和遺傳參數(shù)

羅氏沼蝦雄、雌蝦不同形態(tài)閾值性狀的方差組分、遺傳力及其與收獲體重的遺傳相關見表4 和表5。雄蝦OC、BC 兩個閾值性狀的遺傳力估計值范圍分別為(0.10±0.01)～(0.12±0.02)、(0.08±0.02)～(0.10±0.02),屬于低遺傳力水平。雄蝦OC、BC 閾值性狀與收獲體重的遺傳相關估計值范圍分別為(0.01±0.15)～(0.23±0.20)、(0.11±0.14)～(0.43±0.20); 雌蝦IF、BF、SF 三個閾值性狀的遺傳力估計值范圍分別為(0.13±0.02)～(0.22±0.03)、(0.05±0.01)～(0.13±0.02)、(0.04±0.01)～(0.07±0.01)。雌蝦IF、BF 和SF 閾值性狀與收獲體重的遺傳相關估計值范圍分別為-(0.61±0.09)～-(0.12±0.11)、(0.15±0.11)～(0.51±0.10)、-(0.18±0.12)～(0.53±0.14)。大部分性狀在G4 世代的遺傳參數(shù)估計值高于G3 世代, 跨世代遺傳參數(shù)估計值在G3 和G4 世代相應值之間。

表4 羅氏沼蝦不同世代雄蝦不同形態(tài)閾值性狀的方差組分、遺傳力和遺傳相關Tab.4 Variance components, heritability and genetic correlation of threshold trait of male morphotypes in different generations of M.rosenbergii

表5 羅氏沼蝦不同世代雌蝦不同形態(tài)閾值性狀的方差組分、遺傳力和遺傳相關Tab.5 Variance components, heritability and genetic correlation of threshold trait of female morphotypes in different generations of M.rosenbergii

3 討論

本研究結果表明OC (BC)雄蝦的比例在兩世代間存在顯著差異。推測原因有三點: 一是生長測試周期和養(yǎng)殖密度不同造成差異, G3 代生長測試周期較長, 有更多的OC 雄蝦轉變?yōu)锽C 個體, 造成群體中OC 個體的比例降低; 二是每個世代對OC 個體的優(yōu)先選擇留種會產生遺傳增益, 進而增加G4 代OC 個體的比例, 第三是隨著密度的增加, 部分雄蝦可能會在較小的規(guī)格下提前轉變?yōu)锽C 形態(tài), 這在以往的研究中得到證實(Wenner, 1985)。

羅氏沼蝦雄蝦OC、BC 形態(tài)閾值性狀的遺傳力估計值較為接近, 分別為0.10～0.12 和0.08～0.10, 低于越南育種群體的遺傳力估計值(0.10～0.21) (Dinhet al, 2014)。推測可能是因為兩個養(yǎng)殖群體測試密度差異較大所致(10.65～14.39 尾/m2vs 2 尾/m2)。雌蝦BF閾值性狀的遺傳力估計值(0.05～0.13)高于SF 的估計值(0.04～0.07), 與越南育種群體的估計結果(0.06～0.10)較一致。此外本研究首次獲得了雌蝦IF 閾值性狀的遺傳力(0.13～0.22), 表現(xiàn)為中低等遺傳力水平。閾值性狀的遺傳力估計值多表現(xiàn)為中低水平, 如Medrado等(2021)分析表明, 多種養(yǎng)殖蝦類存活性狀的遺傳均值為(0.15±0.003)。上述結果表明, 改良羅氏沼蝦育種群體中雌雄蝦不同形態(tài)的比例具有數(shù)量遺傳學基礎。較大的估計值范圍, 可能是受不同世代群體的遺傳結構、測試模式等因素影響。

在本研究中, 雌蝦不同形態(tài)閾值性狀與收獲體重的遺傳相關估計值在兩個世代間存在較大差異。如,G3 和G4 世代雌蝦IF 形態(tài)閾值性狀與收獲體重的遺傳相關分別為-0.12±0.11 和-0.61±0.09。雌蝦從IF 轉變?yōu)镸OF、BF 和SF 后均達到性成熟狀態(tài), 生長速度變慢可能是導致世代間遺傳相關估計值存在差異的主要原因之一。由于G3 世代混養(yǎng)測試周期長于G4世代(110 d vs 89 d), 導致G3 代MOF、BF 和SF 性成熟雌蝦的比例高于G4 世代(80.75% vs 70.06%)。由于性成熟雌蝦的生長速度變慢, 導致G3 世代未性成熟個體(IF)和性成熟個體(MOF、BF 和SF)間的體重差異幅度要小于G4 世代相應值, 這是G3 世代雌蝦不同形態(tài)閾值性狀與收獲體重的遺傳相關絕對值低于G4 世代相應估計值的主要原因。研究資料表明, 雄蝦可能存在著“跨級”生長模式(Karplus, 2005), 從而導致不同形態(tài)閾值性狀與收獲體重遺傳相關估計值在兩個世代間存在差異。由于G3 世代混養(yǎng)測試周期更長, OC 雄蝦要轉變?yōu)锽C 雄蝦, 其生長規(guī)格和爭斗能力必須要不弱于甚至強于已存在的BC 雄蝦, 便導致G3 世代存在體重大于BC 個體的“跨級生長”O(jiān)C 個體。與G3 世代相比, G4 世代觀測值受到社會等級結構等非加性遺傳效應的影響更小, 因此獲得的BC 形態(tài)閾值性狀與收獲體重的遺傳相關估計值更大[(0.11±0.14) vs (0.43±0.20)], 標準誤更小, 估計值更為精確。此外, 本文獲得的雄蝦OC、BC 形態(tài)閾值性狀與收獲體重的遺傳相關估計值[(0.01±0.15)～(0.43±0.20)]低于越南育種群體相關性狀的估計值[(0.25±0.14)～(0.70±0.10)] (Dinhet al, 2014), 推測可能是因為兩個群體在數(shù)據結構(2 個世代vs 5 個世代)、測試密度(10.65～14.39 尾/m2vs 2 尾/m2)、混養(yǎng)周期(89～110 d vs 182～196 d)、收獲規(guī)格(OC:40.83～48.66 g vs 60.2 g)等因素的差異所致。

4 結論

本文在較高密度的土塘養(yǎng)殖模式下, 首次利用父母本育種分析模型和閾值統(tǒng)計模型估計了羅氏沼蝦核心育種群體雌雄蝦5 個形態(tài)閾值性狀的遺傳參數(shù), 其中遺傳力為中低水平, 表明存在可利用的加性遺傳方差。雄蝦OC、BC 型閾值性狀與收獲體重間存在中低度遺傳相關, 表明利用一個核心育種群體,可同時實現(xiàn)增加OC 型雄蝦比例和提高生長速度兩個育種目標。部分世代雌蝦形態(tài)閾值性狀與收獲體重間為中度遺傳相關, 表明如增加雌蝦群體中未性成熟IF 個體的比例, 會降低雌蝦群體的生長速度, 因此難以同時改良這兩個性狀。