東南極凱爾蓋朗群島與克洛澤島小鱗犬牙南極魚群體耳石形態初步分析

楊丹 方倩 魏聯 朱國平,3,4

(1上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306;2上海海洋大學極地研究中心, 上海 201306;3大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室, 極地海洋生態系統研究室, 上海 201306;4國家遠洋漁業工程技術研究中心, 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, 生長緩慢,體長可達2 m, 重達95 kg, 壽命可達50齡[1]。該種棲息于200～2200 m水深, 呈環南極分布, 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最常見的大型底棲魚類之一, 在南大洋生態系統中具有重要地位及科學研究價值[2-4]。東南極凱爾蓋朗海臺因其初級生產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年該區域的非法的、未報告的、未被管制的(IUU)漁業活動非常頻繁, 但小鱗犬牙南極魚仍保持著較高的生物量。然而, 如對當地漁業開展可持續管理和養護,需要了解該物種在海臺及鄰近海域的種群動態變化[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構提供了參考。Diano[8]從酶學角度分析認為,克洛澤島和凱爾蓋朗群島小鱗犬牙南極魚會形成兩個分離的地理種群。但迄今為止, 有關這兩個區域小鱗犬牙南極魚種群結構問題仍未獲得統一的結論, 這為南極海洋生物資源養護委員會(CCAMLR)養護與管理該區域小鱗犬牙南極魚資源和漁業帶來了顯著的挑戰, 也為闡釋小鱗犬牙南極魚的環南極種群結構與連通性帶來了不確定性。

魚類耳石外型具有其獨特的分類學特征, 但可能會因不同的環境和遺傳因素而變化, 或存在個體生長發育方面的差異, 已被廣泛用于海洋和淡水生態系統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, 即基于形態測量參數的傳統耳石形態分析法(如,耳石長、寬、面積等)和基于外部輪廓的幾何形態分析法(如, 橢圓傅里葉系數、地標點等)[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)技術對具有形態多樣性的南極魚科耳石外型進行描述, 分析其在年齡鑒定、群體劃分和物種判別等方面的優勢; 魏聯等[13]應用形態學參數和傅里葉分析法對裘氏鱷頭冰魚(Champsocephalus gunnari)及雪冰?(Chionobathyscus dewitti)的耳石形態學差異進行比較分析, 從而實現種類判別;La Mesa等[14]利用三種不同的分類器對雪冰魚屬中獨角雪冰魚(Chionodraco hamatus)、龍嘴雪冰魚(C.myersi)、眼斑雪冰魚(C.rastrospinosus)的矢耳石形態差異進行分析, 以區分近緣物種; 錢胡蕊和朱國平[15]利用多種耳石形態學技術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。但目前關于印度洋扇區小鱗犬牙南極魚耳石形態學方面的差異未有報道。為此, 本研究對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特征進行描述與分析, 探究兩個地理群體的耳石外型差異, 為探究南大洋復雜的物理環境對小鱗犬牙南極魚種群結構動態的影響提供基礎信息。

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國家自然歷史 博 物 館(Muséum National d’Histoire Naturelle,MNHN)提供, 其生物學和采樣信息由PECHEKER數據庫獲取[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), 采樣水域為南大洋印度洋扇區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行生物學測定(表1), 包括全長(total length,TL)和體重(green weight,GW), 使用超純水清洗左、右耳石后對其進行編號, 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, 其中95對形狀保存完整, 用于后續外型分析。

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描述

將耳石光滑面朝上(圖2), 利用OLYMPUS解剖鏡(SZ61)進行圖像采集, 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(otolith shape indices, SIs)和橢圓傅里葉系數對耳石形態進行描述, 以分析不同采樣區域的耳石外型差異。耳石形態測量參數和橢圓傅里葉系數利用R軟件shapeR程序包獲取[17]。耳石形態測量參數包括耳石長(OL, mm)、耳石寬(OW, mm)、耳石周長(OP, mm)和耳石面積(OA, mm2), 并根據以下公式計算形狀指標[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、旋轉和起始點的標準化, 省略前三個系數, 最后得到45個歸一化橢圓傅里葉系數。這些橢圓傅里葉系數重建了98.50%的耳石形狀。

1.3 數據處理

首先, 利用獨立樣本t檢驗對兩個區域魚類全長分布進行分析。為避免耳石生長過程中出現的異速生長效應, 本研究基于魚類體長對耳石形狀指標和橢圓傅里葉系數進行校正。對耳石形狀指標進行協方差分析(ANCOVA), 以采樣區域為因子, 體長為協變量; 若參數不符合假設條件,則對數據進行變換。針對各形狀指標, 若發現分析中魚體體長和采樣區域之間的交互關系顯著(p＜0.05), 則在后續分析中剔除該參數以進行有效校正[19]。為了剔除體長對耳石外型分析帶來的影響, 本研究利用魚類異速生長模型Y=aXb對數據進行處理。異速生長方程經過一系列轉換得到數據標準化方程Yi*=Yi(X0/Xi)b[20]。其中,Yi為耳石i的形態學參數,Xi是第i個耳石長,X0為魚類全長均值(表1),b為Yi和Xi經對數變換后的回歸斜率[21]。經過校正之后, 計算轉換變量與全長之間的相關性, 檢驗數據校正是否有效地消除了數據中魚類體長的影響。耳石形態分析利用R程序包ShapeR完成。因ShapeR程序包中自帶函數能對橢圓傅里葉系數進行基于體長的標準化, 故直接利用程序包進行校正, 具體數據處理原理同上。

通過計算特征根發現, 各組校正后的耳石形態參數之間存在顯著的共線性; 因此, 采取主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)消除共線性并進行降維, 選擇累計貢獻率最高的前K個成分進行魚類群體的判別分析。對耳石形狀指標和橢圓傅里葉系數兩種參數進行判別分析, 利用bootstrap重抽樣法產生訓練集和測試集, 即首先進行1000次bootstrap獲取訓練集, 進行200次bootstrap獲取測試集。兩個采樣區域的樣本量不同, 根據組別大小計算先驗概率。利用Box’s M檢驗組內協方差矩陣的同質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)構建判別函數。

外型統計分析采用SPSS 26.0軟件操作,PCA、LDA和QDA利用R 4.0.2的MASS和stats程序包實現。所有統計的顯著性水平為α=0.05。如非特殊說明, 文中所有數據均以平均值±1倍標準差表示。

2 結果

本研究中, 獨立樣本t檢驗結果表明, 來自凱爾蓋朗群島和克洛澤島的小鱗犬牙南極魚全長分布無顯著差異(t=0.498,p＞0.05)。利用冪函數擬合樣本全長和體重的相關關系(圖3), 體重隨著魚體全長的增加而呈冪指數增加, 具體關系式如下:

圖3 小鱗犬牙南極魚全長與體重的關系(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4種耳石形態測量參數進行公式轉換后得到6個耳石形狀指標(表2), 結合肉眼觀察, 小鱗犬牙南極魚矢耳石外型輪廓規則程度較低(形態因子＜1), 整體形狀均向正方形或矩形方向生長(圓度＜1和矩形趨近率數值接近1), 長度一般大于寬度(幅形比＞1), 耳石在長短軸方向變化程度相似(橢圓率數值接近0)。ANCOVA結果表明, 魚類全長和采樣區域之間無顯著的交互作用(p＞0.05); 因此, 保留所有耳石形態學參數并進行基于全長、耳石長的校正以消除異速生長對耳石生長的影響。

表2 兩個采樣區域小鱗犬牙南極魚耳石形態測量參數和形狀指標Table 2.The measurement characteristics and shape indices for otolith shape of Dissostichus eleginoides from two sampling areas

校正兩個采樣區域的6個耳石形狀指標和45個橢圓傅里葉系數之后, 對其進行主成分分析。少數主成分通?？梢越忉寘档拇蟛糠址讲? 繼而減少用于隨后判別分析變量的數量。根據特征值的大小排序后選擇累計貢獻率最高的前10個成分進行后續的判別分析, 即前10個主成分可以解釋71.61%的總方差(表3)。

表3 小鱗犬牙南極魚耳石形狀指標和橢圓傅里葉系數的前10個主成分貢獻率和累計貢獻率Table 3.Eigenvalues and contributions of the first 10 principal components for otolith shape indices and elliptic Fourier coefficients of Dissostichus eleginoides

經Box’s M檢驗, 組間協方差矩陣不滿足齊性(p＜0.05), 因此對主成分分析中貢獻率最高的前10個成分進行二次判別分析(圖4)。判別分析結果顯示, 訓練樣本的總體判別成功率為82.60%,而測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分開。無論是測試集, 還是訓練集, 凱爾蓋朗群島樣本的判別效果均比克洛澤島好。測試樣本的判別分析結果顯示, 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學參數主成分分析前10個主成分二次判別分析(K, 凱爾蓋朗群島; C, 克洛澤島; 灰色實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 基于耳石形狀指標和橢圓傅里葉系數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

本研究中兩個采樣區域的魚類全長分布一致,但樣本的全長范圍較大, 包括稚魚(全長小于75 cm為未成體)和成魚[22]。一般認為, 采用性成熟個體進行耳石外型分析較為穩定, 可以避免個

體生長發育帶來的差異[23]。但本研究樣本量較小,難以進行體長分組的判別分析, 故在外型分析前利用了標準化技術縮放顯示異速生長帶來的影響。

基于體長校正的耳石形態學參數判別分析可以較好地識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, 凱爾蓋朗群島的訓練樣本和測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采樣區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采樣區域之間存在一定的種群交流, 且存在更多的個體由凱爾蓋朗群島向克洛澤島移動的可能。標志放流的部分結果也支持了這一推斷, 雖然小鱗犬牙南極魚主要發生短距離的遷徙, 但仍有少部分亞成體與成體魚類會出現長距離的和長時間的遷徙和攝食現象[24]。最新的標志放流實驗結果顯示, 克洛澤島附近海域發現了87尾來自凱爾蓋朗海臺的標記魚類, 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體被發現在凱爾蓋朗海臺, 并呈現向東遷徙的特性[24]。即使mtDNA和核DNA分析證實了南大洋西印度洋扇區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制仍然未知, 該區域特殊的海流運動和地理特征有助于解釋當地種群結構和動態變化。例如, Appleyard等[26]認為, 海盆極可能阻隔小鱗犬牙南極魚種群交流, 在極鋒附近出現種群邊界[27-28]。

凱爾蓋朗海臺周圍的表層、中層、深層和深海環流十分復雜, 混合了不同來源的水團。凱爾蓋朗海臺區西側是小鱗犬牙南極魚重要的產卵場,東北側為該魚種的孵育場, 這種隨發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ACC遇到凱爾蓋朗海臺時, 它的輸運可分為三種不同的路徑, 每一條路徑均受地形引導而形成更強的窄流。凱爾蓋朗海臺以西的克洛澤海盆(Crozet Basin)為厄加勒斯回流(Agulhas Return Current, ARC)進入提供了通道, 可能對小鱗犬牙南極魚種群分布產生影響[30]。此外, 在南大洋的印度洋扇區, 特別是在克洛澤海臺和凱爾蓋朗海臺附近, 亞南極鋒(Subantarctic Front, SAF)和極鋒(Polar Front, PF)的時間變異性較大[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, 特別是強烈的中尺度渦旋活動及其與鋒面的相互作用加劇了該區域水文動態的復雜性, 而這為判定該海區小鱗犬牙南極魚種群結構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系, 為小鱗犬牙南極魚資源的保護和利用提供了一定的研究基礎, 但仍需要考慮多學科方法加強對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構的理解,例如耳石微化學[31-32]、標志放流、寄生蟲標記、水文模型及遺傳學分析等多種手段相結合。

致謝感謝法國國家自然歷史博物館(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信息。感謝上海海洋大學海洋科學學院嚴晨冰同學協助制圖。