中華沙鰍和寬體沙鰍形態差異及其物種有效性分析

徐丹丹王志堅王永明彭敏銳謝碧文何學福李 斌

(1.內江師范學院生命科學學院, 內江 641100; 2.西南大學淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室, 重慶 400715)

中華沙鰍和寬體沙鰍形態差異及其物種有效性分析

徐丹丹1王志堅2王永明1彭敏銳1謝碧文1何學福2李 斌1

(1.內江師范學院生命科學學院, 內江 641100; 2.西南大學淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室, 重慶 400715)

通過主成分分析法并結合物種的生物學特征對長江上游支流沱江資中段69尾寬體沙鰍Sinibotia reevesae和長江干流宜賓段、南溪段及沱江資中段141尾中華沙鰍Sinibotia superciliaris的10個常規可量性狀與20個框架性狀進行了比較研究。結果顯示: 主成分分析并不能區分寬體沙鰍和中華沙鰍之間的形態差異;依據二者在尾柄高、吻須長、D1-3(胸鰭基部起點至腹鰭基部起點之間的距離)、D7-9(臀鰭基部后末端至尾鰭基部腹部起點之間的距離)和D9-10(鰭基部腹部起點至尾鰭基部背部起點之間的距離) 等形態特征的顯著性差異(P<0.05), 并結合其繁殖生物學特征, 認為中華沙鰍和寬體沙鰍應為2個有效種。建議在使用框架性狀度量評價物種有效性時需選擇恰當的形態指標, 數據分析應結合物種的生物學特征。

寬體沙鰍; 中華沙鰍; 框架性狀度量方法; 形態差異

中華沙鰍(Sinibotia superciliaris)和寬體沙鰍(Sinibotia reevesae)隸屬于鯉形目(Cypriniformes),鰍科(Cobitidae), 沙鰍亞科(Botiinae), 中華沙鰍屬(Sinibotia), 是我國長江上游特有魚類, 棲息于流水底層環境中, 具有重要的科學研究價值和經濟價值[1]。作為長江上游鰍科魚類典型代表的中華沙鰍和寬體沙鰍外部形態特征極為相似, 以傳統分類方法對二者進行區分尚無統一標準[2,3]。隨著長江上游魚類資源保護和開發需求的不斷加強, 對鰍科魚類的準確鑒定、原種資源的優化選擇的需求也越來越高。

長期以來, 表型性狀快速檢測遺傳變異是一種古老而又簡便易行的方法, 且廣泛應用于動植物分類學中。現行的魚類分類學形態度量方法主要基于Hubs和Lagler[4]提出的形態測量標準, 該方法主要從二維空間角度上衡量魚類的外部形態特征[5]。近年來, 框架性狀度量評價方法已經成功應用于魚類物種鑒定中[6]。為準確區分長江上游不同地理單元的中華沙鰍和寬體沙鰍的形態差異, 本研究應用框架性狀度量評價方法并結合物種的生物學特征對二者形態差異和物種有效性進行了探究, 以期為其野生資源的種質資源鑒定與評價及合理保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

所檢視和測量的標本均來自長江上游魚類資源保護與利用四川省重點實驗室淡水魚類標本館。實驗材料為福爾馬林浸泡標本, 共計210尾, 在進行種類鑒定時, 以吻長是否大于眼前緣至頭后端長作為二者區別的主要依據[2]。依據上述分類方法鑒定后獲得寬體沙鰍69尾, 中華沙鰍141尾。中華沙鰍和寬體沙鰍不同地理種群的標本編號、采集地等基本信息見表 1。

1.2 形態參數測定

應用游標卡尺測定了常規形態性狀和框架性狀的30個參數, 共得到6930個原始數據, 其中: 頭長(HL)、吻長(SnL)、尾柄長(CPL)、眼徑(ED)、體高(BD)、尾柄高(CPD)、眼后頭長(EHL)、眼間距(IW)、頜須長(MBL)、吻須長(RBL)10個參數為傳統形態性狀參數(圖 1a)。框架數據測量參照于紅霞等[7]的方法, 設置了10個坐標點, 分別是1.胸鰭基部起點、2.吻前端、3.腹鰭基部起點、4.枕骨后末端、5.臀鰭基部起點、6.背鰭基部起點、7.臀鰭基部后末端、8.背鰭基部后末端、9.尾鰭基部腹部起點、10.尾鰭基部背部起點。它們之間的距離用D1-2、D1-3……D9-10表示, 共產生 20個參數(圖 1b)。

1.3 數據處理與分析

應用SPSS 16.0軟件對可量性狀進行主成分分析: 分析前所有數據進行自然對數轉換(ln)以除去異速生長(Allometries)的影響, 再依據其方差-協方差矩陣(Variance-covariancematrix)提取主成分。同時應用Statistic 6.0軟件對中華沙鰍和寬體沙鰍可量性狀參數進行了方差分析(Breakdown and One-way ANOVA, P<0.05)。常規數據統計在Excel 2003軟件中完成。

2 結果

2.1 方差分析

表 1 寬體沙鰍和中華沙鰍的采集地、數目與體長Tab.1 Sampling sities, numbers and standard length of Sinibotia reevesae and S.superciliaris

圖 1 樣本可量性狀測量示意圖Fig.1 Morphometric measurements of the samples

表 2顯示了寬體沙鰍和中華沙鰍30組參數的比例性狀。方差分析(ANOVA)顯示, 2種魚在吻須長、尾柄高、D1-3、D7-9和D9-10等形態參數方面差異顯著(P<0.05), 其余25項差異均不顯著(P>0.05)(表 3)。

2.2 主成分分析

對寬體沙鰍和中華沙鰍的30組性狀參數進行相關性分析, KMO (Kaiser-Meyer-Olkin measure)統計量(KMO=0.668)和Bartlett球型檢驗結果(P<0.01)顯示, 變量之間相關性強, 適合進行因子分析降維。

采用主成分分析得到前11個主成分的因子載荷(表 4), 其方差的累積貢獻率達到63.74%, 前3個主成分貢獻率達到29.06%。在PC1(第一主成分)軸上具有較大因子載荷的分別是D3-5、D5-6和D4-5;在PC2(第二主成分)軸上具有較大因子載荷的是頜須長、體高和D7-8; 在PC3(第三主成分)軸上具有較大因子載荷的是眼徑和D2-4。為了深入探討上述性狀的分類學意義, 對PC1軸上具有較大因子載荷的3個性狀進行了三維分布圖分析(圖 2), 結果顯示寬體沙鰍和中華沙鰍并未形成兩個獨立的群體,同樣的情況也存在于PC2和PC3軸上具有較大因子載荷的幾個性狀之中。

表 2 寬體沙鰍與中華沙鰍比例性狀數據(平均值±標準差)Tab.2 Proportional characters for Sinibotia reevesae and S.superciliaris (Means±SD)

圖 3和圖 4分別是PC1與PC2和PC2與PC3的二維散布圖。從圖 3中可以看出, 無論是在PC1軸還是PC2軸上, 寬體沙鰍與中華沙鰍標本的重疊度非常大, 二者均不能互相分離; 同樣圖 4顯示的結果與圖 3一致。由此可見, 分布于我國長江上游的寬體沙鰍和中華沙鰍外部形態特征差異不顯著。

表 3 中華沙鰍與寬體沙鰍性狀參數的方差分析Tab.3 The variance analysis of characteristic parameters for Sinibotia reevesae and S.superciliaris

2.3 聚類分析

由聚類分析結果(圖 5)可知, 長江上游不同地理單元(No.1、No.2、No.3、No.4、No.5和No.6)的寬體沙鰍和中華沙鰍未形成預想中的兩個獨立的分支, 表明聚類分析并不能依據二者外部形態特征參數值差異將其區分開來。

3 討論

3.1 中華沙鰍和寬體沙鰍的分類階元問題

沙鰍亞科隸屬鯉形目, 含7屬, 約60種[8]。依據眼下刺是否分叉及頰部有無鱗片, 沙鰍亞科分為薄鰍屬、沙鰍屬和副沙鰍屬[9]。傳統形態學研究認為中華沙鰍和寬體沙鰍隸屬于沙鰍屬[2,3]。隨著分子生物學的發展, 毛云濤等[10]通過線粒體基因對沙鰍亞科魚類系統發育進行的研究, 認為中華沙鰍獨立于沙鰍屬之外, 單獨聚為一支即中華沙鰍屬, 隸屬于沙鰍亞科; 黃燕[4]通過對長江上游特有魚類DNA條形碼研究認為中華沙鰍和寬體沙鰍均隸屬于中華沙鰍屬, 這些研究表明中華沙鰍和寬體沙鰍的分類地位存在較大爭議。

3.2 兩種沙鰍魚類的有效性

通過對寬體沙鰍和中華沙鰍30個可量性狀的主成分分析發現, 二者未形成2個明顯的獨立單元(圖 3、圖 4); 同樣聚類分析也不能將二者很好的區分開來(圖 5)。故本研究中框架性狀度量評價的多元分析方法并未達到區分中華沙鰍和寬體沙鰍形態特征差異的目的, 但是從傳統的形態學和生殖生態特征可以明確的對它們加以區別。

表 4 主成分分析中的因子符合矩陣及主成分對總變異的貢獻率Tab.4 Loadings of components matrix and contributions on principal components to total variance of principal component analysis

形態差異根據方差分析顯示中華沙鰍與寬體沙鰍在尾柄高、吻須長和D7-9等局部形態參數差異極為顯著(P<0.01)(表 3); 同時筆者在研究中發現二者尾鰭末端形狀差異十分明顯, 中華沙鰍尾鰭末端呈“Λ”形狀, 而寬體沙鰍尾鰭末端呈“Ω”形狀。上述形態差異可作為區分中華沙鰍和寬體沙鰍的重要傳統形態特征, 可以明顯區別兩種沙鰍。

生殖生態特征魚類在長期自然演化過程中, 為適應各種類型的水體環境和生活方式, 進化出多樣化的生殖生態類型, 這也是區分物種的一個重要依據[11,12]。盡管中華沙鰍和寬體沙鰍在食性類型、棲息類型和產卵方式(一次性產卵, 無黏性)等方面較為相似(表 5), 但二者的繁殖生物學特征差異十分明顯, 具體如下: ①中華沙鰍的絕對繁殖力(平均值為6780粒)2倍于寬體沙鰍(平均值為3230粒), 因此本次研究中寬體沙鰍樣品量明顯少于中華沙鰍; ②同等溫度條件下中華沙鰍受精卵吸水膨脹后的卵膜外直徑2倍于寬體沙鰍, 但孵化時間明顯多于后者(表 5); ③卵的類型與孵化條件有區別, 寬體沙鰍為半漂流性卵, 而中華沙鰍為漂流性卵。孵化時, 尤其是人工繁殖采用的孵化方式明顯不同。依據以上特征, 中華沙鰍和寬體沙鰍應為二獨立物種。

圖 2 寬體沙鰍和中華沙鰍的D3-5、D4-5和D5-6的三維分布圖Fig.2 Three dimensional distribution of D3-5, D4-5 and D5-6 for Sinibotia reevesae and S.superciliaris

圖 3 寬體沙鰍和中華沙鰍性狀第一、二主成分散布圖(Δ代表寬體沙鰍, Ο代表中華沙鰍)Fig.3 Scatterplot on the first two principle components extracted from characters of Sinibotia reevesae and S.superciliaris

3.3 基于框架性狀度量評價效果分析

合理恰當分析方法的選擇對魚類種類區分至關重要。框架性狀參數評價方法是通過選取魚體外部形態特征坐標點的方式將魚體分成若干個網格單元進行多維空間度量, 結合多變量分析方法進行量化分析, 其分類結果較為準確可靠[19]。目前采用傳統可量性狀和框架性狀相結合的多變量形態度量學方法已被廣泛應用于裂腹魚Schizothoracinae[20]、魴屬Megalorama[21]、中華紋胸鰷Glyptothorax sinense[22]、團頭魴Megalobrama amblycephala[23]等魚類的種間分類中, 并獲得了較好的研究結果。

圖 4 寬體沙鰍和中華沙鰍性狀第二、三主成分散布圖(Δ代表寬體沙鰍, Ο代表中華沙鰍)Fig.4 Scatterplot on the second and third principle components extracted from characters of Sinibotia reevesae and S.superciliaris

圖 5 六個樣本的聚類分析圖Fig.5 Cluster dendrogram of six samples

表 5 寬體沙鰍和中華沙鰍生殖生態特征比較Tab.5 The ecology and reproductive characteristics of Sinibotia reevesae and S.superciliaris

寬體沙鰍和中華沙鰍是長江上游特有魚類, 也是產區重要的經濟魚類, 市場價值高, 且供不應求。近年來, 過度捕撈、水體環境污染和水利工程建設等因素導致中華沙鰍和寬體沙鰍的資源量急劇下降[15], 資源量銳減可能會誘發其雜交現象增加;同時中華沙鰍和寬體沙鰍兩種沙鰍在種間雜交具有較好的親和力(數據顯示二者在雜交后代受精卵和孵化率分別達到46.8%和72.8%)[24], 是其雜交現象發生的生物學基礎。本研究應用了框架性狀度量評價方法卻未能清楚區分中華沙鰍和寬體沙鰍區之間的形態差異, 其原因是否與二者雜交產生的中間性狀干擾有關？仍需進一步研究。

綜上所述, 盡管框架性狀度量評價方法已經得到廣泛應用, 但本研究顯示該方法并不適用于區分寬體沙鰍和中華沙鰍之間的形態特征。因此使用框架性狀度量參數分析時需要注意: 針對不同的研究對象選取恰當框架結構測量和正確對數據的進行處理分析是十分重要的環節; 數據解釋應結合研究對象的生物學特征和及其生態環境特征。

致謝:

數據測量過程中得到了內江師范學院生命科學學院學生向霞、邱德林等同學的大力幫助, 在此一并致謝。

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MORPHOLOGICAL VARIATION BETWEEN SINIBOTIA SUPERCILIARIS AND SINIBOTIA REEVESAE WITH NOTES ON THEIR VALIDITIES

XU Dan-Dan1, WANG Zhi-Jian2, WANG Yong-Ming1, PENG Min-Rui1, XIE Bi-Wen1, HE Xue-Fu2and LI Bin1
(1.Key Laboratory of Sichuan Province for Fishes Conservation and Utilization in the Upper Reaches of the Yangtze River, School of Life Sciences, Neijiang Normal University, Neijiang 641100, China; 2.Key Laboratory of Freshwater Fish Reproduction and Development (Ministry of Education), Southwest University, Chongqing 400715, China)

Sinibotia reevesae and Sinibotia superciliaris are endemic fish with similar morphology that live only in the upper reaches of the Yangtze River.The current study assessed 10 traditional morphological parameters and 20 truss network features of 210 specimens from these two species using traditional taxonomy method and biological characteristics.69 specimens of S.reevesae were collected from Zizhong section of the Tuojiang River, a tributary river of the Yangtze River and 141 specimens of S.superciliaris were collected from Zizhong section of the Tuojiang River, Yibin and Nanxi section of the Yangtze River.PCA analysis could not distinguish morphological difference of these two species, although there were significant differences in other aspects, such as the height of caudal peduncle, the length of rostral barbel, the distance of D1-3 (from the pectoral fin base to the origin of pelvic fin base), D7-9 (from the end of anal fin base to the ventral origin of caudal fin base) and D9-10 (from the ventral origin of caudal fin base to the dorsal origin of caudal fin base).The S.reevesae and S.superciliaris should be considered as separate species based on characteristics of the reproductive biology.Appropriate evaluation criteria should be chosen to evaluate the species validities while use truss network features, and the data analysis should combine with the biological characteristics of species.

Sinibotia reevesae; Sinibotia superciliaris; Framework character method; Morphological variations

Q958.8

A

1000-3207(2017)04-0827-08

10.7541/2017.103

2016-07-12;

2016-11-14

內江師范學院校級項目(15JC12); 四川省教育廳重點項目(14ZA0251); 四川省科技廳支撐項目(2011NZ0075)資助 [Supported by the Project of Neijiang Normal University (15JC12); the Key Fund Project of Sichuan Province (14ZA0251); Science and Technology Support Project of Sichuan Province (2011NZ0075)]

徐丹丹(1986—), 女, 新疆昌吉人; 碩士; 研究方向為魚類遺傳與進化。E-mail: xudandan5201@163.com

李斌, E-mail: libin2004xinyang@126.com