大菱鲆(Scophthalmus maximus)、星斑川鲽(Platichthys stellatus)及其杂交种的形态学分析*

马海涛 韩承慧, 滕照军 刘相全 杨建敏 田玉秋 姜海滨①

(1. 山东省海洋资源与环境研究院 山东省海洋生态修复重点实验室 烟台 264006;2. 上海海洋大学水产与生命学院 上海 201306; 3. 日照市海洋水产资源增殖站 日照 276805)

大菱鲆(Scophthalmus maximus)和星斑川鲽(Platichthys stellatus)隶属于鲽形目(Pleuronectiformes), 但大菱鲆属于鲆科(Bothidae)、菱鲆属(Scophthalmus), 星斑川鲽属于鲽科(Pleuronectidae)、川鲽属(Platichthys)。大菱鲆是原产于欧洲的重要海水名贵养殖鱼种(雷霁霖等, 2003), 1992年由中国水产科学研究院黄海水产研究所首次引入中国, 目前已成为我国特别是北方地区的主要养殖品种(于飞等,2008)。但该品种对水质要求高, 要求水质清澈, 水温较低, 最适宜水温为14—17°C (曹树香等, 2008)。另外近年来也出现比较严重的种质退化现象, 如成活率降低、生长速度减慢、抗逆性差、白化严重等(申雪艳等, 2004; 雷霁霖, 2005; 马爱军等, 2008)。星斑川鲽主要分布于北太平洋的亚洲和美洲沿岸(尤锋等,2007), 其生长速度较快, 抗病能力强, 广温(存活温度0—30°C), 广盐(5—40), 适应能力强(曹树香等, 2008)。在养殖实践中, 人们以大菱鲆为母本、星斑川鲽为父本进行了杂交, 获得了杂交种。杂交种在养殖生产中表现出了比较明显的杂种优势, 比如生长速度快、抗病抗逆性强等优点。目前已经在山东、辽宁等地进行了推广养殖, 并形成了一定的养殖规模, 显示出较好的经济开发潜力。

形态学特征作为杂交育种研究的重要指标, 是育种的直接选择参数(楼允东, 2001)。因此, 杂交种与父母本的形态学差异比较对深入研究大菱鲆与星斑川鲽杂交制种和养殖具有重要的理论意义和实践意义。国内外学者已经将多元分析法广泛应用于鱼类杂交种分析(刘苏等, 2011; 张颖等, 2012)。但有关大菱鲆、星斑川鲽及其杂交种的形态差异比较及形态判别分析的研究还未见报道。本研究利用方差分析、聚类分析、判别分析和主成分分析等多元分析方法, 对三者的可数性状和可量性状进行了分析, 为人工养殖条件下大菱鲆、星斑川鲽及其杂交种的识别鉴定及野生种质资源保护利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

大菱鲆和杂交种样品均采自于烟台泰华海洋科技有限公司, 星斑川鲽样品采自于日照市海洋水产资源增殖站。样品采集前一天, 先进行停食处理, 然后活体运回山东省海洋水产研究所进行形态学测量。所采样品均为体型正常且健康无病的个体, 样品的数量和规格见表1。

表1 本实验观测样本的数量和规格Tab.1 Number of observed samples and specifications of S. maximus, P. stellatus, and the hybrid

1.2 数据测量

试验样品经电子天平称重(精确到0.01g)后对形态学数据进行了测量。形态学数据包括可数性状和可量性状, 可数性状有背鳍条数、胸鳍条数、腹鳍条数、臀鳍条数、尾鳍条数(共5项), 可量数据包括: 全长、躯干长、体宽、吻长、眼径、眼后头长、眼间距、胸鳍长、臀鳍长、背鳍长、尾鳍长、腹鳍长、尾柄长、尾柄高、体厚度、消化道长、肠长度、体重、内脏团重、消化道重、肝胰脏重(共22项)。

1.3 数据处理

将所测量的原始数据整理到Microsoft Excel中,为了消除鱼体规格差异对形态分析的影响, 先将可量性状中所有长度数据除以体长, 所有重量数据除以体重进行校正, 再分别求出各组材料样品每个参数的平均比值, 得到20个可量性状的校正值和5个可数性状的数据。对可数性状数据和可量性状比值计算杂交种的杂种指数HI (hybrid index) (Witkowskiet al, 1980; Crivelliet al, 1987):

其中,Hi: 杂交种平均值;Mi1: 母本平均值;Mi2: 父本平均值, HI介于45与55之间属中间性状, HI<45为偏母本性状, HI>55为偏父本性状, HI>100或HI<0为超亲偏离性状。

再利用SPSS17.0软件进行数据分析, 主要运用卡方检验、方差分析、聚类分析、判别分析及主成分分析5种分析方法。

1.3.1 卡方检验 对可数性状数据进行卡方检验,比较三者之间数据的差异显著性。

1.3.2 方差分析 对大菱鲆、星斑川鲽及杂交种共90个样本的18个比例可量性状, 采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比较进行分析, 找出差异显著的性状。

1.3.3 聚类分析 运用校正后可量性状数据的平均值进行聚类分析, 计算群体间的欧氏距离, 并作聚类分析树状图。

1.3.4 判别分析 采用逐步判别法, 每步选择Wilks的λ统计量值最小的变量进入判别函数(赵建等, 2007)。

1.3.5 主成分分析 从所有的形态数据中筛选特征根值大于1的主成分, 计算各主成分负荷值和贡献率, 并根据各主成分绘制散点图。

2 结果

2.1 外形特征比较

杂交种的外部形态特征与大菱鲆的相似程度比较高, 与星斑川鲽的差别较大。杂交种的表面斑纹跟大菱鲆相似, 呈黑褐色, 而星斑川鲽有白色斑点。

杂交种和大菱鲆的体宽较宽, 而星斑川鲽的体宽较窄, 显得扁长。但杂交种与大菱鲆也有比较明显的不同, 杂交种整个背部的触感都有凹凸感, 而大菱鲆只有内脏团周围具有凹凸感。

2.2 可数性状

大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的可数性状均值与范围见表2, 卡方检验结果见表3。杂交种的背鳍鳍条数、臀鳍鳍条数、胸鳍鳍条数、尾鳍鳍条数与父母本都有重叠, 不能利用可数性状将三者直观地区分, 在腹鳍鳍条数上三者一致(均为6个)。在杂交种指数方面, 除了背鳍鳍条数、胸鳍鳍条数、尾鳍鳍条数属于超亲偏离性状外, 杂交种的臀鳍鳍条数属于偏母本性状。

表2 大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的可数性状Tab.2 Meristic data from S. maximus, P. stellatus, and the hybrid

表3 大菱鲆、杂交种和星斑川鲽间可数性状的卡方检验结果Tab.3 Results of chi-square analysis for meristic data from S.maximus, P. stellatus, and the hybrid

卡方检验后可知, 在分析的4个可数性状性状中,杂交种与母本大菱鲆都为差异不显著, 而与父本星斑川鲽都为差异极显著。大菱鲆和星斑川鲽除胸鳍鳍条数外, 其它3个可数性状都为差异显著或极显著。

2.3 可量性状

大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的20个可量性状的均值、范围及方差分析结果见表4。除腹鳍长/体长性状在三者中的差异都不显著外, 杂交种在吻长/体长、臀鳍长/体长、背鳍长/体长、腹鳍长/体长、尾柄高/体长、体厚度/体长、内脏团重/体重、消化道重/体重、肝胰脏重/体重9个性状中与大菱鲆差异不显著, 占所有可量性状的45%, 而杂交种的19个可量性状与星斑川鲽都有显著差异。通过对20个可量性状计算杂种指数, 得到的偏母本性状有13个, 它们分别为:全长/体长(HI=32.99)、躯干长/体长(HI=23.79)、体宽/体长(HI=29.1)、眼后头长/体长(HI=28.13)、臀鳍长/体长(HI=21.44)、背鳍长/体长(HI=24.86)、腹鳍长/体长(HI=13.96)、尾鳍长/体长(HI=32.99)、尾柄高/体长(HI=15.10)、体厚度/体长(HI=18.03)、消化道长/体长(HI=29.39)、肠长度/体长(HI=16.61)、内脏团重/体重(HI=4.53)占可量性状总和的65%; 偏父本性状2个,分别是眼径/体长(HI=76.60)胸鳍长/体长(HI=68.23),占可量性状总和的10%; 超双亲性状有吻长/体长(HI= –11.40)、眼间距/体长(HI= –18.93)、尾柄长/体长(HI= –42.89 )、消化道重/体重(HI= –23.71)、肝胰脏重/体重(HI= –25.04), 占据可量性状总和的25%。而所有可量性状的杂种指数平均值为15.56, 说明杂交种的性状倾向于与母本相似。

2.4 聚类分析

对大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的20个形态比例性状计算欧式距离(表5), 用UPGMA法对其平均值进行聚类分析(图1)。结果表明杂交种与大菱鲆形态较为接近, 先聚为一支, 欧氏距离为1.005; 再与星斑川鲽聚为一支, 欧式距离为1.051; 大菱鲆与星斑川鲽最后聚为一支, 欧式距离为2.041。

2.5 判别分析

经过判别分析得到了10个对结果影响贡献率较大的参数, 它们分别是躯干长/体长、体宽/体长、眼径/体长、眼间距/体长、胸鳍长/体长、尾鳍长/体长、尾柄长/体长、尾柄高/体长、体厚度/体长、肠长度/体长。以X1—X10表示这10个参数, 可以构建如下判别公式:

大菱鲆:

杂交种:

星斑川鲽:

表4 大菱鲆、杂交种和星斑川鲽的可量性状数据Tab.4 Proportional values of traditional metric characters of S. maximus, P. stellatus, and the hybrid

表5 大菱鲆、星斑川鲽和杂交种间的欧式距离Tab.5 Euclidean distance values of S. maximus, P. stellatus,and the hybrid

上述判别式对大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的综合判别准确率达到98.9%(表6), 判别效果显著。用于判断三种鱼属于哪个类别时, 将所测得的数据校正后代入判别公式中, 函数值最大的即为所属种类。

图1 大菱鲆、杂交种和星斑川鲽形态可量性状的聚类分析图Fig.1 Dendrogram of clustering conducting on metric of S.maximus, P. stellatus, and the hybrid

表6 判别式对大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的预测分类及判别准确率Tab.6 Predicted classification of discriminant equations for S.maximus, P. stellatus, and the hybrid

2.6 主成分分析

对大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的20个可量比例性状进行主成分分析, 共获得4个主成分(表7)。其中, 主成分1的方差贡献率为54.468%, 主成分2的方差贡献率为7.325%, 主成分3的方差贡献率为6.139%, 主成分4的方差贡献率为5.557%, 对变异的累积贡献率为73.490%。在第一主成分中, 具有较大方差贡献率的变量主要取决于全长/体长、躯干长/体长、体宽/体长、吻长/体长、眼后头长/体长、眼间距/体长、尾鳍长/体长、尾柄长/体长、肠长度/体长, 因此大菱鲆、星斑川鲽和杂交种在这9种参数上存在较明显的差异。

为了更清晰地显示出大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的差异情况, 利用提取的4个主成分绘制散点图,其中第一主成分对第三主成分的散点图可以将三者清楚地区分开(图2), 表明三者之间形态特征差异显著。

表7 20个性状对4个主成分的特征向量及主成分的贡献率Tab.7 Eigenvectors and contributive proportion of four principal components from 20 morphological traits

3 讨论

图2 大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的第一、第三主成分散点图Fig.2 Distribution of factor (3)×factor (1) coordinate in S.maximus, P. stellatus, and the hybrid

4个可数性状中, 杂交种与大菱鲆都为差异不显著, 而与父本星斑川鲽都为差异极显著; 杂种指数方面, 除超亲偏离性状外, 杂交种的臀鳍鳍条数属于偏母本性状。20个可量性状中, 除腹鳍长/体长性状在三者中的差异都不显著外, 杂交种有9个性状与大菱鲆差异不显著, 但其19个可量性状与星斑川鲽都为显著差异; 杂种指数方面, 除超亲偏离性状外, 偏母本性状有13个, 偏父本性状有2个, 而可量性状的杂种指数平均值为15.56, 显示杂交种可量性状总体属于偏母本。由以上结果可知, 杂交种更多继承了母本的形态特征, 外部形态与大菱鲆更为相似。另外对三者的20个可量性状进行了聚类分析, 结果发现杂交种先与大菱鲆聚为一支, 再与星斑川鲽聚为一支, 同样印证了上述结论。这也与大多数已有杂交育种试验结果相吻合, 大多数杂交后代的形态性状都偏向于母本, 如团头鲂(♀)×三角鲂(♂)(杨怀宇等, 2002)、荷包红鲤鱼(♀)×元江鲤(♂)(马仲波等, 1981)、鲫鱼(♀)×禾花鱼(♂)(孙翰昌等, 2011)等。除了形态特征外, 一些杂交种的胚胎发育时间(夏仕玲等, 1990)、胚胎孵化时间(宓国强等, 2009)等也出现偏向于母本。原因可能与母体效应影响, 或者线粒体基因在杂交种受精卵在发育过程中发挥了重要作用有关(Bolnicket al, 2008; 吴常信, 2010; Anderssonet al, 2011)。

在鱼类的分类上, 形态上的差异最为直观, 因此形态鉴别指标非常重要。传统的形态学分析是采用可数性状及可量性状的单一比较, 这种方法被广泛用于种间及种以上鱼类的鉴别(Cadrin, 2000)。本研究中,杂交种的外部形态特征与星斑川鲽的差别较大, 与大菱鲆非常相似, 很难从外部形态上直接将杂交种与大菱鲆进行区分。在可数性状中, 除腹鳍鳍条数都一致外, 三者在背鳍鳍条数、臀鳍鳍条数、胸鳍鳍条数和尾鳍鳍条数的均值存在较大差异, 但由于其区间范围存在着重叠, 因此无法作为区分三者的直接依据, 必须借助多元统计分析方法对三者进行分析。

判别分析主要应用于鉴定不同水系和不同杂交品系水产动物的鉴别分析, 通过建立判别公式正确区分不同水系和不同品系的水产动物, 对防止种质混杂具有重要的理论意义(张尧庭等, 1982; 李思发等,1998; 吴常信, 2010)。本研究中, 贡献率最大的10个参数分别位于头部、躯干部和尾部, 差异性状分布比较分散。利用这些参数分别构建了其判别函数, 对大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的综合判别准确率达到98.9%, 判别效果非常显著。

主成分分析通过将多参数综合成少数因子来说明不同种群的差异大小, 根据主成分值得出各群体在各主成分上差异较大的参数(张志强等, 2005)。本研究共获得了4个主成分, 其累积总变异的贡献率为73.49%。其中第一主成分中具有较大方差贡献率的性状遍布全身, 这与判别分析得出的结果一致, 其可以将星斑川鲽与另外两种区分开, 但不能彻底区分大菱鲆和杂交种。大菱鲆和杂交种的形态差异主要表现在第三主成分上, 第三主成分上具有较大方差贡献率的性状为腹鳍长和体厚度, 说明杂交种在这两个性状上更多继承了星斑川鲽的特征。

本研究结果表明, 杂交种在形态上与大菱鲆非常相似, 但在生长速度、抗病性等性能上较父母本有优势, 杂交种在养殖业中的优势作用一定会越来越明显。本研究中, 采用多元分析方法鉴别大菱鲆、星斑川鲽和杂交种的形态, 结果证明该法比较有效。这对于养殖生产中杂交种的物种鉴定及养殖管理具有很重要的理论和实践意义。

于 飞, 张庆文, 孔 杰等, 2008. 大菱鲆4个进口群体的形态差异分析. 海洋水产研究, 29(5): 27—32

马仲波, 张兴忠, 仇潜如等, 1981. 元江鲤与荷包红鲤的生态类型及其杂交后代(荷元鲤)经济性状的分析. 水产学报,5(3): 187—198

马爱军, 王新安, 雷霁霖等, 2008. 大菱鲆四个不同地理群体数量形态特征比较. 海洋与湖沼, 39(1): 24—29

尤 锋, 吴志昊, 李 军等, 2007. 星斑川鲽(Platichthys stellatus)养殖群体的RAPD分析. 海洋科学进展, 25(1):73—78

申雪艳, 宫庆礼, 雷霁霖等, 2004. 进口大菱鲆Scophthalmus maximusL.苗种的遗传结构分析. 海洋与湖沼, 35(4): 332—341

刘 苏, 朱新平, 陈昆慈等, 2011. 斑鳢、乌鳢及其杂交种形态差异分析. 华中农业大学学报, 30(4): 488—493

孙翰昌, 代 丽, 2011. 鲫(♀)×禾花鱼(♂)杂交及杂交F1亲本的形态特征研究. 淡水渔业, 41(1): 49—52

李思发, 李晨虹, 李家乐, 1998. 尼罗罗非鱼品系间形态差异分析. 动物学报, 44(4): 450—457

杨怀宇, 李思发, 邹曙明, 2002. 三角鲂与团头鲂正反交F1的遗传性状. 上海水产大学学报, 11(4): 305—309

吴常信, 2010. 动物遗传学. 北京: 高等教育出版社, 327—394

张 颖, 刘晓勇, 曲秋芝等, 2012. 达氏鳇、施氏鲟及其杂交种(施氏鲟♂×达氏鳇♀)形态差异与判别分析. 淡水渔业,42(6): 27—32

张尧庭, 方开泰, 1982. 多元统计分析引论. 北京: 科学出版社, 393—401

张志强, 王德华, 2005. 小型哺乳动物的母体效应及其在种群调节中的作用. 生态学杂志, 24(7): 812—816

宓国强, 练青平, 王雨辰等, 2009. 翘嘴鳜(♀)×斑鳜(♂)杂交子一代的胚胎发育. 上海海洋大学学报, 18(4): 421—427

赵 建, 朱新平, 陈永乐, 2007. 珠江卷口鱼不同地理种群的形态变异. 动物学报, 53(5): 921—927

夏仕玲, 余来宁, 吴作文, 1990. 鱼类卵细胞质对胚胎发育速度的调控. 淡水渔业, 3: 17—18

曹树香, 周书洪, 刘保中, 2008. 比目鱼类工厂化养殖及品种优选. 天津水产, 2: 26—29

楼允东, 2001. 鱼类育种学. 北京: 中国农业出版社, 1—106

雷霁霖, 马爱军, 刘新富等, 2003. 大菱鲆(Scophthalmus maximusL.)胚胎及仔稚幼鱼发育研究. 海洋与湖沼, 34(1):9—18

雷霁霖编著, 2005. 海水鱼类养殖理论与技术. 北京: 中国农业出版社, 647—665

Andersson A M, Silva P I M, Steffensen J Fet al, 2011. Effects of maternal stress coping style on offspring characteristics in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Hormones and Behavior, 60(5): 699—705

Bolnick D I, Turelli M, López-Fernández Het al, 2008.Accelerated mitochondrial evolution and “Darwin’s corollary”:asymmetric viability of reciprocal F1hybrids in centrarchid fishes. Genetics, 178(2): 1037—1048

Cadrin S X, 2000. Advances in morphometric identification of fishery stocks. Reviews in Fish Biology and Fisheries, 10(1):91—112

Crivelli A J, Dupont F, 1987. Biometrical and biological features ofAlburnus alburnus×Rutilus rubilionatural hybrids from Lake Mikri Prespa, northern Greece. Journal of Fish Biology,31(6): 721—733

Witkowski A, Blachutad J, 1980. Natural hybridsAlburnus alburnus(L.)×LeucuscusandBiebrza. Acta Hydrobiologica,22(4): 473—487