中華絨螯蟹幼蟹溫度選擇與偏好研究

陳永進 周彥鋒 徐東坡

(中國水產科學研究院淡水漁業研究中心,農業農村部淡水漁業和種質資源利用重點實驗室,無錫 214081)

溫度對于甲殼動物來說是最重要的外界環境因素,它直接影響甲殼動物獲取食物、代謝率和食物轉化率等[1,2],涵蓋個體到種群的各個階段,是限制性因子。最適生長溫度對于甲殼類行為、生理[3]和生長發育[4]等方面有重要意義。因為即使是水溫的一個很小的變化也會對甲殼動物的呼吸代謝、酸堿平衡和電解質調節干擾產生顯著影響[5]。甲殼動物是變溫動物,體溫的變化是由所棲息水域的水溫決定的,只能積極改變所處水域位置達到控制體溫的目的,這就是行為溫度調節。甲殼動物存在“熱偏好”,可以定義為最優條件的生長溫度,甲殼動物可以移動到對自己更為有利的溫度條件下[6]。相對低溫而言更溫暖的28—30℃環境是中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis)的偏好的最佳水溫[6,7],全球大約已有250種水生動物開展了熱偏好研究[8]。

水溫是隨著時間和空間變化而變化的。尤其近年來伴隨著氣候溫室變化和大壩下泄水、熱電站[9,10]等涉水工程設施的修建,會降低或升高原本水體水溫,給原本復雜的水溫變化增添了更多不確定因素。使得水生動物會改變棲息地,向更深或更淺的水域遷徙[11],滿足自身溫度偏好的要求。

穿梭箱系統最初是由Neill等[12]開發的,多年來一直被用于有效地衡量水生動物對不同環境因素的偏好。相當多的學者發現用shuttlebox穿梭池系統對測試物種的環境因子偏好性有效性高,也進行了系統的試驗性改進。如早在1977年Reynolds系統性描述了偏好實驗基礎理論,論證了其可行性[13];Schurmann 和 Mortensen[14—16]分別在1991、1992年和2007年進行了虹鱒(Oncorhynchus mykiss)和紅點鮭(Salvelinus alpinus)的溫度和溶氧偏好實驗;另外濁度[17]、pH、鹽度[18,19]和溶氧[20—23]也有相關研究,但基于穿梭系統對中華絨螯蟹溫度的偏好開展研究還未見報道。

中華絨螯蟹分布廣泛,從中國南方的岷江到東北的遼河,適宜溫度變化范圍廣。中華絨螯蟹是我國重要的養殖品種,2019年總產量突破85萬噸,產值破千億元[24]。然而與之相對應的是我國野生中華絨螯蟹資源日益嚴峻,2019年2月1日農業農村部發布通告停止中華絨螯蟹(河蟹)專項捕撈許可證,禁止天然資源生產性捕撈。從20世紀初傳入歐洲,不足百年時間,中華絨螯蟹已入侵歐美大部分國家,面廣量大,對當地生態系統、水工建筑產生嚴重影響[25]。幼年中華絨螯蟹向上游遷移直到成年,性成熟的個體向下游遷移繁殖。幼蟹階段是該物種生命周期的一個重要階段,通常抗病能力低,死亡率高。為此,我們利用穿梭系統研究了幼蟹的溫度偏好以及溫度對各種行為參數的影響,探究了中華絨螯蟹對水溫的適應性偏好。而本研究的結果將有助于提高該物種在水產養殖環境中的存活率和生長率,以及對其天然種群的保護與調控。

1 材料與方法

1.1 材料

本實驗所采用的所有中華絨螯蟹幼蟹樣品均在長江常熟江段鐵黃沙水域,由定制串聯籠壺網采集。實驗幼蟹暫養于100 L水族缸中內,維持水位高20 cm。每個水族缸內配一個氣石,適量的網狀遮蔽物,每天換水1/3并投喂適量正昌集團久和配合飼料。實驗用水為曝氣7d以上的自來水,水族缸內水維持溶氧6.5 mg/L以上,pH (mean±SD)7.7±0.2,TN保證在0.4 mg/L以下。人工控制光周期,光周期為12L(08:00—20:00h)∶12D(20:00—8:00h)。實驗用蟹采用無病無傷、肢體健全和活力較強的個體。pH、溫度溶氧用測量溶氧儀(YSI 550A,USA)和pH計(WTW PH3310,GERMANY)。本次實驗采用中華絨螯蟹幼蟹規格為見表 1。所有的幼蟹均在實驗后稱重和測量。四組幼蟹之間和每組雌雄幼蟹規格均沒有顯著差異(P＞0.05)。

表1 中華絨螯蟹幼蟹生物學數據Tab.1 Biological data of Chinese mitten crab (mean±SD)

1.2 溫度選擇系統

我們首次使用自動化電子選擇系統 shuttleboxes(loligos,Denmark)來進行溫度偏好實驗。該系統由Neill于1972年首次提出[12],Schurmann[14]改造了該裝置用來確定虹鱒(Oncorhynchus mykiss)溫度的偏好。該系統包括控制部分和循環部分,其中控制部分包括4個控制溫度泵、紅外的視頻攝像機、兩個水溫探頭、控制儀和具有相關程序的計算機。循環部分兩個再循環泵、兩個緩沖罐和選擇池,選擇池由一個10 cm長,7 cm直徑管連接兩個50 cm直徑的池子(圖 1)。此外,燈光系統未在圖 2中顯示,包括日間日光燈和夜間紅外燈[26]提供背景照明。一個高速攝像頭安裝在穿梭池上連續記錄,輸出的中華絨螯蟹幼蟹位置坐標到計算機。shuttlesoft 軟件(v2.6.1,Loligos)控制的4個劑量水泵和再循環系統,精確和穩定控制溫度梯度。全套裝置單獨放置在安靜的實驗室內,減少不必要的誤差。該系統還能研究水生動物其他類型(鹽度、溶氧、濁度)的偏好實驗。

圖1 Shuttleboxes 溫度選擇系統(來源:loligos 丹麥)Fig.1 Shuttleboxes temperature choice system (source:loligos Denmark)

圖2 各實驗組溫度偏好時間百分比Fig.2 The experimental temperature preferences

1.3 實驗方法

實驗采用固定溫度梯度的靜態方式,即在選擇池的兩側設定一個固定梯度值。系統確保兩側梯度的穩定,使實驗動物進行兩梯度值的選擇偏好實驗。可以獲得實驗動物的活動速度、活動軌跡及不同實驗因子的選擇時間。可以進行實驗因子不同水平的比較實驗,直接反映出實驗動物對兩水平下偏好程度。

實驗采用了8、14、21、28和35℃共5個梯度溫度組,進行Ⅰ組8℃和14℃實驗組、Ⅱ組14℃和21℃實驗組、Ⅲ組21℃和28℃實驗組、Ⅳ組28℃和35℃實驗組共4個實驗組。實驗蟹禁食24h后轉入試驗系統適應12h后開始實驗,在2個選擇池中交替放置,12h的適應時間被證明是足夠將應激降到正常的水平范圍[21,27],每次進行一只幼蟹的實驗。雌雄比設置為1∶1,光周期12 L(08:00—20:00)∶12D(20:00—8:00)。實驗過程中實驗緩沖池中水連續充氣,保證實驗用水溶氧6.5 mg/L以上。交替設置高低溫區域進行雌雄幼蟹的實驗。

預實驗結果顯示在選擇池兩側相同溫度下雌雄均無選擇差異(P＞0.05)。

1.4 數據分析方法

在整個實驗過程中記錄中華絨螯蟹的行為圖像并儲存在計算機中,由圖像每秒記錄一次橫、縱坐標值。常規的游泳速率(SRS)計算是由測量中華絨螯蟹在穿梭池中每秒游動的距離(cm)而得到。

式中,(X1,Y1),(X2,Y2)分別為中華絨螯蟹體在時刻1和時刻2的橫坐標和縱坐標。

在所有的分析中,統計意義顯著差異在α＜0.05,采用SPSS 22.0數據分析軟件進行統計分析。

2 結果

2.1 溫度選擇偏好

Ⅰ實驗組、Ⅱ實驗組和Ⅲ實驗組這3組都是對高溫區域占領時間相對較大,都顯著傾向于高溫區域(圖 2)。即8℃和14℃實驗組傾向于14℃(P＜0.01)、14℃和21℃實驗組傾向于21℃(P＜0.01)、21℃和28℃實驗組傾向于28℃(P＜0.01) 。而Ⅳ實驗組對低溫區域占領時間相對比較大,顯著傾向于低溫28℃區域。即28℃和35℃實驗組傾向于35℃(P＜0.01)。

2.2 游泳速率

實驗設置對幼蟹游泳速率的影響Ⅱ實驗組選擇池14℃側的游泳速率(0.7 cm/s)較Ⅰ實驗組選擇池14℃側的游泳速率(0.57 cm/s)提高了29.9%,Ⅲ實驗組選擇池21℃側的游泳速率(0.92 cm/s)較Ⅱ實驗組選擇池14℃側的游泳速率(0.3878 cm/s)提高了137.33%(P＜0.01),Ⅳ實驗組選擇池28℃側的游泳速率(0.69 cm/s)較Ⅲ實驗組選擇池14℃側的游泳速率(0.49 cm/s)提高了41.92%(P＜0.01)。不同的組中同樣的溫度幼蟹會有不同游泳速率,Ⅱ實驗組幼蟹會逃離14℃側進入偏好的21℃側,Ⅱ實驗組幼蟹會逃離7℃側進入偏好的14℃側,逃離的速率顯著高于偏好的速率(圖 3)。

圖3 實驗設置組對速率的影響Fig.3 The influence of experimental group on velocity

選擇池兩側的溫度梯度,中華絨螯蟹幼蟹在不適溫度里的游泳速率顯著高于相對偏好那側。中華絨螯蟹幼蟹在進入不適溫度時,會加速逃離這個水溫。幼蟹逃離速率的增高有離最適溫度越遠越快的趨勢(圖 4)。

圖4 溫度對游泳速率的影響Fig.4 The influence of temperature on swimming speed

溫度對幼蟹游泳速率的影響中華絨螯蟹幼蟹在28℃梯度時游泳速率最低為0.58 cm/s,在34℃時幼蟹的游泳速率急劇上升到1.22 cm/s,增加1.09倍。而在低溫區域幼蟹的游泳速率增加得較為緩慢,在低于28℃的實驗組中,8℃組的游泳速率為0.89 cm/s,僅增加了0.52倍。中華絨螯蟹的游泳速率隨著溫度的逐漸升高,有先升高后降低的趨勢,并呈現出溫度(x)對游泳速率(y)的擬合方程:y=0.0027x2–0.1045x+1.5875,R2=0.8615。

2.3 晝夜、雌雄的影響

本次實驗設計了12h的晝間和12h的夜間對比,通過24h的實驗我們發現:晝夜因子對幼蟹的溫度選擇偏好及游泳速率沒有顯著性影響(pairedt-testP＞0.05)。對比結果顯示,幼蟹的雌雄性別差異對溫度偏好選擇和游泳速率的影響均為未見顯著性差異(anovaP＞0.05),這可能和幼蟹雌雄性腺未發育,雌雄幼蟹差異不明顯所致。

3 討論

在適應12h后,24h的實驗時間中幼蟹會不斷地探索選擇池兩側的水域,并最終在水溫相對適合的一側停留更長的時間。實驗發現幼蟹偏好在28℃溫度組,這遠高于本次實驗用幼蟹野外采樣水域水溫10—12℃,長江流域水溫變化在8—28℃[10,28]。采樣水域的幼蟹已經從河口洄游到長江下游常熟段,遠離河口孵化水域[29,30]。在索餌洄游期間,景麗等[31]研究發現這一階段中華絨螯蟹幼蟹蛻殼次數較多,生長迅速代謝旺盛。Jost等[32]的研究發現幾種幼年期甲殼動物在較高的水溫中能給機體帶來較高的生理代謝率,較高的水溫比低溫水域更具優勢。這也同本文的結果是相一致的。

實驗中我們發現幼蟹在進入不適水溫側時,會加速30%以上左右逃離這個水溫。逃離時幼蟹的游泳速率增高及越遠速率越高的趨勢。這與Herbert等[23]還發現虹鱒會增加11%—39%的速度逃離缺氧水域的發現是一致的。水生動物加速離開不適棲息地在羅非魚(Oreochromis niloticus)[22]、黃尾鰤(Seriola lalandi)[20]的實驗研究中均有所體現。同時幼蟹的逃離速率有離最適溫度越遠越快的趨勢,體現為開口向上的拋物線性。Serrano等[19]在灰笛鯛(Lutjanus griseus)的鹽度偏好實驗中發現,游泳速率同鹽度也呈拋物線關系。動物在不適的環境中會消耗能量用于抵抗不適因子帶來的影響,這必然會導致分配在其他方面的能量降低,出現一個U型的生理曲線。

在長期的生物進化過程中,生物對外界環境形成了周期性的適應過程,生物具有晝夜節律性,如血液淋巴等生理生化水平[33]、繁殖[34]和規律活動[35]等行為模式都會受到晝夜節律會影響。相當多的學者研究[36,37]發現中華絨螯蟹的晝夜節律性是晝伏夜出的。然而本次實驗發現幼蟹的游泳速率晝夜差異不顯著,為減少干擾,本次實驗采樣的兩個圓形選擇池中未設置遮蔽物,幼蟹在白天尋找遮蔽物可能導致晝夜游泳速率差異不顯著。

幼蟹的雌雄性別對溫度偏好和游泳速率均未見顯著差異,這可能由于幼蟹階段雌雄性腺沒有發育的原因[38]。雌雄幼蟹身體各組織能量分布并沒有明顯不同[39],在性腺發育之后,雌雄蟹在繁殖過程中繁殖努力不同,占有不同的繁殖地位不同,雌蟹以育幼投資為主,雄蟹以交配投資為主,雌雄蟹的能量分配才會出現愈來愈大的差別[40],在生長[40]、生理生化[40]和行為模式[41]上均有所體現。

中華絨螯蟹幼蟹在實驗室環境下溫度偏好實驗,排除了其他因素的干擾,但這在自然環境下是不可能的,水生動物要綜合考慮生物的和非生物的因素[42]。這就要求研究者們設計考慮因素更多的實驗來進一步研究。實驗室實驗微環境同自然棲息地環境差距還是較大的[43]。中華絨螯蟹在野外環境育肥場、繁殖場及洄游通道的研究將補充以實驗室為基礎的研究。