楊丹 方倩 魏聯(lián) 朱國(guó)平,3,4

(1上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306;2上海海洋大學(xué)極地研究中心, 上海 201306;3大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 極地海洋生態(tài)系統(tǒng)研究室, 上海 201306;4國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 201306)

0 引言

小鱗犬牙南極魚(Dissostichus eleginoidesSmitt 1898)為一種大型肉食性魚類, 生長(zhǎng)緩慢,體長(zhǎng)可達(dá)2 m, 重達(dá)95 kg, 壽命可達(dá)50齡[1]。該種棲息于200～2200 m水深, 呈環(huán)南極分布, 主要分布于南美沿岸和亞南極群島等水域, 為東南極印度洋扇區(qū)最常見的大型底棲魚類之一, 在南大洋生態(tài)系統(tǒng)中具有重要地位及科學(xué)研究?jī)r(jià)值[2-4]。東南極凱爾蓋朗海臺(tái)因其初級(jí)生產(chǎn)力豐富且存在適合仔稚魚棲息的陸架, 擁有著南大洋最大的小鱗犬牙南極魚種群[5]。盡管1997—2004年該區(qū)域的非法的、未報(bào)告的、未被管制的(IUU)漁業(yè)活動(dòng)非常頻繁, 但小鱗犬牙南極魚仍保持著較高的生物量。然而, 如對(duì)當(dāng)?shù)貪O業(yè)開展可持續(xù)管理和養(yǎng)護(hù),需要了解該物種在海臺(tái)及鄰近海域的種群動(dòng)態(tài)變化[6]。Lee等[7]首次研究了小鱗犬牙南極魚耳石外形的地理差異, 為西南大西洋海域的小鱗犬牙南極魚種群結(jié)構(gòu)提供了參考。Diano[8]從酶學(xué)角度分析認(rèn)為,克洛澤島和凱爾蓋朗群島小鱗犬牙南極魚會(huì)形成兩個(gè)分離的地理種群。但迄今為止, 有關(guān)這兩個(gè)區(qū)域小鱗犬牙南極魚種群結(jié)構(gòu)問題仍未獲得統(tǒng)一的結(jié)論, 這為南極海洋生物資源養(yǎng)護(hù)委員會(huì)(CCAMLR)養(yǎng)護(hù)與管理該區(qū)域小鱗犬牙南極魚資源和漁業(yè)帶來了顯著的挑戰(zhàn), 也為闡釋小鱗犬牙南極魚的環(huán)南極種群結(jié)構(gòu)與連通性帶來了不確定性。

魚類耳石外型具有其獨(dú)特的分類學(xué)特征, 但可能會(huì)因不同的環(huán)境和遺傳因素而變化, 或存在個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育方面的差異, 已被廣泛用于海洋和淡水生態(tài)系統(tǒng)中種群判別和魚群劃分[9-10]。目前,分析魚類耳石外型特征的方法通常分為兩種, 即基于形態(tài)測(cè)量參數(shù)的傳統(tǒng)耳石形態(tài)分析法(如,耳石長(zhǎng)、寬、面積等)和基于外部輪廓的幾何形態(tài)分析法(如, 橢圓傅里葉系數(shù)、地標(biāo)點(diǎn)等)[11]。例如, Parisi-Baradad等[12]利用小波變換(wavelet transform)和曲率尺度空間(curvature scale space)技術(shù)對(duì)具有形態(tài)多樣性的南極魚科耳石外型進(jìn)行描述, 分析其在年齡鑒定、群體劃分和物種判別等方面的優(yōu)勢(shì); 魏聯(lián)等[13]應(yīng)用形態(tài)學(xué)參數(shù)和傅里葉分析法對(duì)裘氏鱷頭冰魚(Champsocephalus gunnari)及雪冰?(Chionobathyscus dewitti)的耳石形態(tài)學(xué)差異進(jìn)行比較分析, 從而實(shí)現(xiàn)種類判別;La Mesa等[14]利用三種不同的分類器對(duì)雪冰魚屬中獨(dú)角雪冰魚(Chionodraco hamatus)、龍嘴雪冰魚(C.myersi)、眼斑雪冰魚(C.rastrospinosus)的矢耳石形態(tài)差異進(jìn)行分析, 以區(qū)分近緣物種; 錢胡蕊和朱國(guó)平[15]利用多種耳石形態(tài)學(xué)技術(shù)研究了裘氏鱷頭冰魚和南極小帶腭魚(Cryodraco antarcticus)的種群分類問題。但目前關(guān)于印度洋扇區(qū)小鱗犬牙南極魚耳石形態(tài)學(xué)方面的差異未有報(bào)道。為此, 本研究對(duì)克洛澤島和凱爾蓋朗群島附近海域的小鱗犬牙南極魚耳石形態(tài)特征進(jìn)行描述與分析, 探究?jī)蓚€(gè)地理群體的耳石外型差異, 為探究南大洋復(fù)雜的物理環(huán)境對(duì)小鱗犬牙南極魚種群結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的影響提供基礎(chǔ)信息。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

小鱗犬牙南極魚耳石樣本由法國(guó)國(guó)家自然歷史 博 物 館(Muséum National d’Histoire Naturelle,MNHN)提供, 其生物學(xué)和采樣信息由PECHEKER數(shù)據(jù)庫(kù)獲取[16]。魚類樣本以深海延繩釣方式采集于2018—2019年漁季(2018年9月1日至2019年8月31日), 采樣水域?yàn)槟洗笱笥《妊笊葏^(qū)凱爾蓋朗群島和克洛澤島附近海域(圖1)。樣本在摘取耳石前均進(jìn)行生物學(xué)測(cè)定(表1), 包括全長(zhǎng)(total length,TL)和體重(green weight,GW), 使用超純水清洗左、右耳石后對(duì)其進(jìn)行編號(hào), 并存放于干燥的紙信封中。有效解剖并提取左、右矢耳石樣本100對(duì), 其中95對(duì)形狀保存完整, 用于后續(xù)外型分析。

表1 小鱗犬牙南極魚樣本的基本信息Table 1.Basic sampling information of Dissostichus eleginoides

圖1 小鱗犬牙南極魚采樣站位圖(SAF為亞南極鋒, PF為極鋒)Fig.1.The sampling sites of Dissostichus eleginoides (SAF,Subantarctic Front; PF, Polar Front)

1.2 耳石圖像采集及形態(tài)描述

將耳石光滑面朝上(圖2), 利用OLYMPUS解剖鏡(SZ61)進(jìn)行圖像采集, 顯微鏡使用CCD拍照并連接傳入電腦中。本研究中使用耳石形狀指標(biāo)(otolith shape indices, SIs)和橢圓傅里葉系數(shù)對(duì)耳石形態(tài)進(jìn)行描述, 以分析不同采樣區(qū)域的耳石外型差異。耳石形態(tài)測(cè)量參數(shù)和橢圓傅里葉系數(shù)利用R軟件shapeR程序包獲取[17]。耳石形態(tài)測(cè)量參數(shù)包括耳石長(zhǎng)(OL, mm)、耳石寬(OW, mm)、耳石周長(zhǎng)(OP, mm)和耳石面積(OA, mm2), 并根據(jù)以下公式計(jì)算形狀指標(biāo)[18]:

圖2 小鱗犬牙南極魚耳石外型示意圖Fig.2.Schematic map on morphology of otolith for Dissostichus eleginoides

由于尺寸、旋轉(zhuǎn)和起始點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化, 省略前三個(gè)系數(shù), 最后得到45個(gè)歸一化橢圓傅里葉系數(shù)。這些橢圓傅里葉系數(shù)重建了98.50%的耳石形狀。

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先, 利用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)兩個(gè)區(qū)域魚類全長(zhǎng)分布進(jìn)行分析。為避免耳石生長(zhǎng)過程中出現(xiàn)的異速生長(zhǎng)效應(yīng), 本研究基于魚類體長(zhǎng)對(duì)耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)進(jìn)行校正。對(duì)耳石形狀指標(biāo)進(jìn)行協(xié)方差分析(ANCOVA), 以采樣區(qū)域?yàn)橐蜃? 體長(zhǎng)為協(xié)變量; 若參數(shù)不符合假設(shè)條件,則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換。針對(duì)各形狀指標(biāo), 若發(fā)現(xiàn)分析中魚體體長(zhǎng)和采樣區(qū)域之間的交互關(guān)系顯著(p＜0.05), 則在后續(xù)分析中剔除該參數(shù)以進(jìn)行有效校正[19]。為了剔除體長(zhǎng)對(duì)耳石外型分析帶來的影響, 本研究利用魚類異速生長(zhǎng)模型Y=aXb對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。異速生長(zhǎng)方程經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方程Yi*=Yi(X0/Xi)b[20]。其中,Yi為耳石i的形態(tài)學(xué)參數(shù),Xi是第i個(gè)耳石長(zhǎng),X0為魚類全長(zhǎng)均值(表1),b為Yi和Xi經(jīng)對(duì)數(shù)變換后的回歸斜率[21]。經(jīng)過校正之后, 計(jì)算轉(zhuǎn)換變量與全長(zhǎng)之間的相關(guān)性, 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)校正是否有效地消除了數(shù)據(jù)中魚類體長(zhǎng)的影響。耳石形態(tài)分析利用R程序包ShapeR完成。因ShapeR程序包中自帶函數(shù)能對(duì)橢圓傅里葉系數(shù)進(jìn)行基于體長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化, 故直接利用程序包進(jìn)行校正, 具體數(shù)據(jù)處理原理同上。

通過計(jì)算特征根發(fā)現(xiàn), 各組校正后的耳石形態(tài)參數(shù)之間存在顯著的共線性; 因此, 采取主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)消除共線性并進(jìn)行降維, 選擇累計(jì)貢獻(xiàn)率最高的前K個(gè)成分進(jìn)行魚類群體的判別分析。對(duì)耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)兩種參數(shù)進(jìn)行判別分析, 利用bootstrap重抽樣法產(chǎn)生訓(xùn)練集和測(cè)試集, 即首先進(jìn)行1000次bootstrap獲取訓(xùn)練集, 進(jìn)行200次bootstrap獲取測(cè)試集。兩個(gè)采樣區(qū)域的樣本量不同, 根據(jù)組別大小計(jì)算先驗(yàn)概率。利用Box’s M檢驗(yàn)組內(nèi)協(xié)方差矩陣的同質(zhì)性以確定采用線性判別分析(Linear Discriminant Analysis, LDA)或二次判別分析(Quadratic Discriminant Analysis,QDA)構(gòu)建判別函數(shù)。

外型統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 26.0軟件操作,PCA、LDA和QDA利用R 4.0.2的MASS和stats程序包實(shí)現(xiàn)。所有統(tǒng)計(jì)的顯著性水平為α=0.05。如非特殊說明, 文中所有數(shù)據(jù)均以平均值±1倍標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果

本研究中, 獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)結(jié)果表明, 來自凱爾蓋朗群島和克洛澤島的小鱗犬牙南極魚全長(zhǎng)分布無顯著差異(t=0.498,p＞0.05)。利用冪函數(shù)擬合樣本全長(zhǎng)和體重的相關(guān)關(guān)系(圖3), 體重隨著魚體全長(zhǎng)的增加而呈冪指數(shù)增加, 具體關(guān)系式如下:

圖3 小鱗犬牙南極魚全長(zhǎng)與體重的關(guān)系(紅色空心圓為凱爾蓋朗群島樣本, 黑色空心圓為克洛澤島樣本,陰影部分為95%置信區(qū)間)Fig.3.The relationship between total length and green weight of Dissostichus eleginoides (red open circles indicate samples from the Kerguelen Islands; black open circles indicate samples from the Crozet Islands; the shaded areas represent the 95% confidence intervals)

凱爾蓋朗島樣本:GW=8.2100×10-6TL3.0501(R2=0.9492,p＜0.0001,n=48);

克洛澤島樣本:GW=1.3226×10-5TL2.9475(R2=0.9732,p＜0.0001,n=47)。

對(duì)4種耳石形態(tài)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換后得到6個(gè)耳石形狀指標(biāo)(表2), 結(jié)合肉眼觀察, 小鱗犬牙南極魚矢耳石外型輪廓規(guī)則程度較低(形態(tài)因子＜1), 整體形狀均向正方形或矩形方向生長(zhǎng)(圓度＜1和矩形趨近率數(shù)值接近1), 長(zhǎng)度一般大于寬度(幅形比＞1), 耳石在長(zhǎng)短軸方向變化程度相似(橢圓率數(shù)值接近0)。ANCOVA結(jié)果表明, 魚類全長(zhǎng)和采樣區(qū)域之間無顯著的交互作用(p＞0.05); 因此, 保留所有耳石形態(tài)學(xué)參數(shù)并進(jìn)行基于全長(zhǎng)、耳石長(zhǎng)的校正以消除異速生長(zhǎng)對(duì)耳石生長(zhǎng)的影響。

表2 兩個(gè)采樣區(qū)域小鱗犬牙南極魚耳石形態(tài)測(cè)量參數(shù)和形狀指標(biāo)Table 2.The measurement characteristics and shape indices for otolith shape of Dissostichus eleginoides from two sampling areas

校正兩個(gè)采樣區(qū)域的6個(gè)耳石形狀指標(biāo)和45個(gè)橢圓傅里葉系數(shù)之后, 對(duì)其進(jìn)行主成分分析。少數(shù)主成分通?？梢越忉寘?shù)的大部分方差, 繼而減少用于隨后判別分析變量的數(shù)量。根據(jù)特征值的大小排序后選擇累計(jì)貢獻(xiàn)率最高的前10個(gè)成分進(jìn)行后續(xù)的判別分析, 即前10個(gè)主成分可以解釋71.61%的總方差(表3)。

表3 小鱗犬牙南極魚耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)的前10個(gè)主成分貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率Table 3.Eigenvalues and contributions of the first 10 principal components for otolith shape indices and elliptic Fourier coefficients of Dissostichus eleginoides

經(jīng)Box’s M檢驗(yàn), 組間協(xié)方差矩陣不滿足齊性(p＜0.05), 因此對(duì)主成分分析中貢獻(xiàn)率最高的前10個(gè)成分進(jìn)行二次判別分析(圖4)。判別分析結(jié)果顯示, 訓(xùn)練樣本的總體判別成功率為82.60%,而測(cè)試樣本的總體判別成功率則為80.00%, 基本能將凱爾蓋朗群島與克洛澤島的樣本區(qū)分開。無論是測(cè)試集, 還是訓(xùn)練集, 凱爾蓋朗群島樣本的判別效果均比克洛澤島好。測(cè)試樣本的判別分析結(jié)果顯示, 25.66%的克洛澤島樣本被劃分至凱爾蓋朗群島, 而后者則只有16.09%被劃分到克洛澤島(表4), 表中黑體表示被正確判別的樣本。

圖4 小鱗犬牙南極魚耳石形態(tài)學(xué)參數(shù)主成分分析前10個(gè)主成分二次判別分析(K, 凱爾蓋朗群島; C, 克洛澤島; 灰色實(shí)線為二次判別分析的決策邊界)Fig.4.QDA on first 10 principal components from Principal Component Analysis of otolith shape indices for Dissostichus eleginoides (K, the Kerguelen Islands; C, the Crozet Islands; the solid grey lines represent the decision boundaries of QDA)

表4 基于耳石形狀指標(biāo)和橢圓傅里葉系數(shù)的小鱗犬牙南極魚群體判別分析Table 4.Success rates of classification for Dissostichus eleginoides stocks based on shape indices and elliptic Fourier coefficients of otolith

3 討論

本研究中兩個(gè)采樣區(qū)域的魚類全長(zhǎng)分布一致,但樣本的全長(zhǎng)范圍較大, 包括稚魚(全長(zhǎng)小于75 cm為未成體)和成魚[22]。一般認(rèn)為, 采用性成熟個(gè)體進(jìn)行耳石外型分析較為穩(wěn)定, 可以避免個(gè)

體生長(zhǎng)發(fā)育帶來的差異[23]。但本研究樣本量較小,難以進(jìn)行體長(zhǎng)分組的判別分析, 故在外型分析前利用了標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)縮放顯示異速生長(zhǎng)帶來的影響。

基于體長(zhǎng)校正的耳石形態(tài)學(xué)參數(shù)判別分析可以較好地識(shí)別來自克洛澤群島和凱爾蓋朗群島的小鱗犬牙南極魚群體, 但存在部分的“誤分類”情況。其中, 凱爾蓋朗群島的訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本判別成功率均較克洛澤島高, 即克洛澤島更多的樣本被“誤分類”至凱爾蓋朗群島。這種“誤分類”在某種程度上也說明了兩個(gè)采樣區(qū)域之間小鱗犬牙南極魚種群交流的可能性及其程度。由此, 初步推斷, 小鱗犬牙南極魚在兩個(gè)采樣區(qū)域之間存在一定的種群交流, 且存在更多的個(gè)體由凱爾蓋朗群島向克洛澤島移動(dòng)的可能。標(biāo)志放流的部分結(jié)果也支持了這一推斷, 雖然小鱗犬牙南極魚主要發(fā)生短距離的遷徙, 但仍有少部分亞成體與成體魚類會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)距離的和長(zhǎng)時(shí)間的遷徙和攝食現(xiàn)象[24]。最新的標(biāo)志放流實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 克洛澤島附近海域發(fā)現(xiàn)了87尾來自凱爾蓋朗海臺(tái)的標(biāo)記魚類, 其中有34尾來自凱爾蓋朗群島, 53尾來自赫德島,但僅1尾來自克洛澤島的個(gè)體被發(fā)現(xiàn)在凱爾蓋朗海臺(tái), 并呈現(xiàn)向東遷徙的特性[24]。即使mtDNA和核DNA分析證實(shí)了南大洋西印度洋扇區(qū)小鱗犬牙南極魚遺傳群體的同源性[3,25], 但不同地理群體之間的交流比例和機(jī)制仍然未知, 該區(qū)域特殊的海流運(yùn)動(dòng)和地理特征有助于解釋當(dāng)?shù)胤N群結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化。例如, Appleyard等[26]認(rèn)為, 海盆極可能阻隔小鱗犬牙南極魚種群交流, 在極鋒附近出現(xiàn)種群邊界[27-28]。

凱爾蓋朗海臺(tái)周圍的表層、中層、深層和深海環(huán)流十分復(fù)雜, 混合了不同來源的水團(tuán)。凱爾蓋朗海臺(tái)區(qū)西側(cè)是小鱗犬牙南極魚重要的產(chǎn)卵場(chǎng),東北側(cè)為該魚種的孵育場(chǎng), 這種隨發(fā)育變化的空間分布與東向流的南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current, ACC)保持一致[29]。當(dāng)ACC遇到凱爾蓋朗海臺(tái)時(shí), 它的輸運(yùn)可分為三種不同的路徑, 每一條路徑均受地形引導(dǎo)而形成更強(qiáng)的窄流。凱爾蓋朗海臺(tái)以西的克洛澤海盆(Crozet Basin)為厄加勒斯回流(Agulhas Return Current, ARC)進(jìn)入提供了通道, 可能對(duì)小鱗犬牙南極魚種群分布產(chǎn)生影響[30]。此外, 在南大洋的印度洋扇區(qū), 特別是在克洛澤海臺(tái)和凱爾蓋朗海臺(tái)附近, 亞南極鋒(Subantarctic Front, SAF)和極鋒(Polar Front, PF)的時(shí)間變異性較大[30]。因此, 本研究尚不能確定凱爾蓋朗群島和克洛澤群島肯定存在不同的亞種群, 特別是強(qiáng)烈的中尺度渦旋活動(dòng)及其與鋒面的相互作用加劇了該區(qū)域水文動(dòng)態(tài)的復(fù)雜性, 而這為判定該海區(qū)小鱗犬牙南極魚種群結(jié)構(gòu)帶來了更大的不確定性。

盡管耳石外型可以在一定程度上揭示地理群體之間的關(guān)系, 為小鱗犬牙南極魚資源的保護(hù)和利用提供了一定的研究基礎(chǔ), 但仍需要考慮多學(xué)科方法加強(qiáng)對(duì)克洛澤島和凱爾蓋朗群島附近海域的小鱗犬牙南極魚生活史和地理種群結(jié)構(gòu)的理解,例如耳石微化學(xué)[31-32]、標(biāo)志放流、寄生蟲標(biāo)記、水文模型及遺傳學(xué)分析等多種手段相結(jié)合。

致謝感謝法國(guó)國(guó)家自然歷史博物館(Muséum National d’Histoire Naturelle, MNHN)提供小鱗犬牙南極魚耳石樣本和魚類生物學(xué)信息。感謝上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院嚴(yán)晨冰同學(xué)協(xié)助制圖。