中日褐菖鲉群体耳石形态学比较分析

李 龙，徐胜勇*，张 辉，柳本卓，高天翔

(1．中国海洋大学海洋生物多样性与进化研究所，山东 青岛 266003;2．中国科学院海洋研究所海洋生态与环境重点实验室，山东 青岛 266071;3．日本水产综合研究中心中央水产研究所，神奈川 横滨 236－8648)

0 引言

耳石是鱼类内耳中碳酸钙的结晶体，其形态具有种类和群系的特异性[1－2]．由于受温度、盐度、光照等环境因素影响，不同地理群体鱼类耳石形态可能存在差异[3－5]．随着图像处理技术及图形分析软件 (如Image－Pro plus、SPSS等)的发展，耳石形态学分析已被广泛应用于种内和种间的群体比较研究．国外学者[6－8]对鱼类不同地理群体间耳石形态进行了比较研究，20世纪90年代以来，国内学者也开展了许多不同群体耳石形态学的研究工作[2，9－14]．

褐菖鲉 (Sebastiscus marmoratus Cuvier，1829)属鲉形目 (Scorpaeniformes)、鲉科 (Scorpaenidae)、菖鲉属，俗名石头鲈、虎头鱼等，广泛分布于中国、日本、朝鲜及菲律宾沿海[15]．褐菖鲉为卵胎生鱼类，常栖息于近岸岩礁海区，随季节变化进行有规律地短距离迁移[15－16]．褐菖鲉为肉食性鱼类，主要捕食小型鱼类，其肉质细嫩，味道鲜美．由于近海渔业资源不断衰退，褐菖鲉的经济价值有所提升．到目前为止，已有一些关于褐菖鲉的生物学及增养殖技术研究报道[14，17]，但尚未见关于褐菖鲉群体耳石形态学的相关研究．本研究采集了中国和日本近海4个褐菖鲉群体，对101尾个体的8个耳石形状指标和77个椭圆傅里叶参数进行了多元统计分析，探讨褐菖鲉中国、日本群体耳石形态差异，以期为褐菖鲉资源利用与管理提供基础资料，研究结果也将丰富鱼类种群耳石形态学研究．

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用褐菖鲉样品于2010年至2012年采自日本伯方岛、横须贺和中国惠州、海口，各群体样品信息参见表1．文献 [16]研究表明褐菖鲉2—5月繁殖，完全性成熟体长在120 mm左右，雌鱼性成熟最小体长为90 mm．从采样时间和样品体长范围分析，其实验所用褐菖鲉样品应为性成熟个体．因而本实验剔除未达性成熟个体后再进行常规生物学测定，并取左右矢耳石备用．

表1 褐菖鲉样品信息Tab.1 Sample information of S．marmoratus

1.2 实验方法

1.2.1 耳石形状指标的测定

将褐菖鲉耳石按编号顺序放入离心管中保存，加蒸馏水浸泡1 h后，使用KQ3200型超声波清洗仪清洗30 min，再放入50℃烘箱中烘干至恒重．将烘干的左、右矢耳石用电子天平称重 (精度为0.01 mg)．用连于解剖镜 (型号Nikon SMZ1000)的数码相机 (型号Nikon DN100)按照编号顺序对耳石进行拍照．用图像分析软件Image－Pro Plus 6.0(Media Cybernetics，2006)对获得的二维耳石照片进行分析，得出以下8个耳石尺寸参数:耳石周长(P)、耳石长(FL)、耳石宽(FW)、耳石面积(A)、耳石最大半径(Rmax)和最小半径(Rmin)、耳石最大Feret径长(Fmax)和最小Feret径长(Fmin)．利用8个耳石尺寸参数得到耳石的形状指标[11，18－19]:环率(circularity)C=P2/A;形态因子(format-factor)FF=4πA/P2;幅形比(aspect ratio)AR=FL/FW;圆度(roundness)RO=4A/πF2L;Feret比(Feret ratio)FR=Fmax/Fmin;椭圆率(ellipticity)E=(FL-FW)/(FL+FW);矩形趋近率(rectangularity)RE=A/(FL*FW);半径比(radius ratio)RR=Rmax/Rmin．

1.2.2 椭圆傅里叶参数

椭圆傅里叶分析方法是通过将耳石外部轮廓数字化，比较分析耳石轮廓曲线的数学表达式系数，从而对耳石外部轮廓形态进行研究．耳石的外部轮廓曲线主要由前20个傅里叶谐值描述，每个谐值由4个形态变量 an、bn、cn和 dn表示[2，20－21]．应用 Shape软件包[22]对耳石二维影像进行灰阶转换、二值化处理、噪音消除等操作后得到傅里叶谐函数 (Elliptic Fourier descriptors，EFDs)，依次使用Chaincoder.exe、CHC2NEF.exe和PrinComp.exe软件包将傅里叶谐函数转换为傅里叶谐值，进而得到77个椭圆傅里叶参数．

1.2.3 数据分析

对8个耳石形状指标和77个椭圆傅里叶参数进行数据分析:

1)判别分析 应用Fisher判别法对85个指标进行逐步判别分析 (Discriminant analysis)，构建判别函数和判别散点图并计算各群体判别准确率及综合判别准确率．

2)聚类分析 应用组间联接的聚类方法，对85个指标进行聚类分析 (Cluster analysis)，使用平方Euclidean距离系数，构建聚类关系树．

3)主成分分析 对85个指标进行主成分分析 (Principal component analysis)，得到各主成分载荷值和贡献率，构建主成分散点图．

2 结果

2.1 褐菖鲉雌雄个体耳石差异

从4个群体101尾褐菖鲉样品中选取体长相近的雌雄个体各30尾，使用独立样本t检验对其耳石原始测量数据进行差异性分析，结果显示褐菖鲉雌雄耳石差异不显著(P〉0.05)(见表2)．对褐菖鲉耳石统一采用左耳石凹面的测量数据进行分析．

表2 褐菖鲉雌雄个体耳石差异分析Tab.2 The analysis of variation for the male and female otolith of S．marmoratus

2.2 判别分析结果

对4个群体101尾褐菖鲉样品的85个耳石形态学指标进行逐步判别分析，结果显示4个群体判别正确率为79.2% ～100%，其中惠州群体判别正确率为100%，综合判别正确率为89.1%(见表3)．

根据判别分析结果构建的各群体判别函数如下:

Y海口=927．6D5-384．5C7+1176．2C9+198．9D9+228．0FF+228．3FR+131 243AR-426．8，

Y惠州=752．2D5-350．9C7+2159．6C9+582．3D9+226．6FF+233．1FR+125 553AR-429．7，

Y伯方岛=825．4D5-686．8C7+1926．6C9+378．7D9+198．2FF+242．2FR+147 400AR-463．9，

Y横须贺=654．5D5-572．9C7+1688．4C9+310．6D9+182．3FF+224．6FR+130 544AR-388．7，其中D5、C7、C9、D9表示椭圆傅里叶变量，D5即为第5个傅里叶谐值的D形态变量．

表3 褐菖鲉群体判别分析结果Tab.3 Discriminant result of S．marmoratus

图1显示，中国海口和惠州群体主要分布于左上部，日本伯方岛和横须贺群体主要分布于右下部．

2.3 聚类分析结果

构建聚类关系树能够直观地显示各群体间差异．对4个褐菖鲉群体的85个耳石分析指标的平均值进行聚类分析，结果显示，伯方岛群体和横须贺群体的平方Euclidean距离系数为0.001，海口群体与惠州群体的平方Euclidean距离系数为0.001，中国、日本群体聚类的平方Euclidean距离系数为0.003．根据距离系数构建聚类关系树更直观地显示日本伯方岛群体和横须贺群体聚为一支，中国海口群体和惠州群体聚为另一支 (见图2)．图3显示褐菖鲉4个群体个体间相互混杂，呈随机分布状态．

图1 基于前两个判别函数值的散点图Fig.1 Scatter plot based on the first two discriminant functions

图2 基于平方欧式距离的褐菖鲉群体聚类关系树Fig.2 Dendrogram showing the relationship of S.marmoratus based on Euclidean square distance

图3 褐菖鲉群体第一第二主成分散点图Fig.3 Scatter plots of scores based on the first two principal components of S.marmoratus populations

2.4 主成分分析结果

对4个褐菖鲉群体的85个耳石分析指标进行主成分分析，结果显示特征值大于1的主成分为17个，前17个主成分累积贡献率为96.25%，其中第1主成分贡献率为14.02%，第2主成分贡献率为11.54%，第3主成分贡献率为10.47%(见表4)．

表4 前17个主成分的特征值及贡献率Tab.4 Eigenvalues and contributions of the first seventeen principle components

3 讨论

3.1 多元统计分析结果

对中国、日本4个群体101尾褐菖鲉个体的85个耳石形态指标进行多元统计分析，判别分析结果显示4个群体判别正确率在79.2%～100.0%之间，其中惠州群体判别正确率为100.0%，综合判别正确率为89.1%(见表3);散点图显示中国海口和惠州群体聚为一团，分布于散点图左上部，日本伯方岛和横须贺群体分布于右下部 (见图1);聚类分析结果与判别分析结果一致，显示日本伯方岛群体和横须贺群体聚为一支，中国海口群体和惠州群体聚为一支 (见图2);主成分分析结果显示前17个主成分解释了96.25%的耳石形态差异 (见表4)．多元统计分析结果表明中国、日本褐菖鲉群体在耳石形态上存在较大差异，这与徐胜勇等[23]对中国、日本褐菖鲉群体形态学研究的结果相一致．鱼类的生存环境如不同温度、盐度或营养条件等因素在一定程度上对鱼类耳石有影响[3－5]．褐菖鲉为近岸岩礁性鱼类[15－16]，生存环境对其形态特征影响较大．中国海口和惠州群体位于25°N以南，日本横须贺和伯方岛群体位于30°N以北，水温、营养条件等环境因素差异较大，可能导致中国、日本褐菖鲉群体在耳石形态上的差异．

对中国、日本4个褐菖鲉群体进行多元统计分析、判别分析和聚类分析结果显示，中国、日本褐菖鲉在耳石形态上存在显著差异 (见表3，图1、图2)，但主成分分析散点图显示4个褐菖鲉群体差异不显著 (见图3)．学者研究[24－25]发现，虽然主成分分析方法在“降维”过程中较其他方法 (例如通过改变统计假设人工筛选参数)效果好，但同样会造成耳石信息的缺失．这可能是造成主成分分析散点图结果与判别分析和聚类分析结果不一致的原因．

3.2 两种鲉科鱼类耳石形态学研究

对中国、日本4个褐菖鲉群体耳石形态进行多元统计分析的结果显示，中国、日本褐菖鲉耳石形态存在显著差异．徐胜勇等[26]对中国近海许氏平鲉不同地理群体间耳石形态进行分析，结果显示8个许氏平鲉群体间耳石形态差异不显著．许氏平鲉群体耳石形态学研究中，8个地理群体均位于黄海海域，由于海流的运输作用，各地理群体附近海水温度、盐度等环境因素差异不大，可能是造成许氏平鲉群体间耳石形态差异不显著的原因．褐菖鲉与许氏平鲉同为近岸岩礁性鱼类，补充黄渤海和东海褐菖鲉群体样品进一步分析，可能会发现褐菖鲉耳石形态随纬度升高而变化的规律．对褐菖鲉群体耳石形态学研究还需增加群体数量，进行更深入的研究．

3.3 耳石形态学在褐菖鲉群体分析中的有效性

近年来，学者多将椭圆傅里叶分析方法与形状指标法结合使用以增加种内与种间鉴别的准确性，例如Burke等[27]利用两种分析方法，对大西洋鲱鱼进行群体鉴别，正确率高达95%;王英俊等[28]对细条天竺鲷和黑鳃天竺鲷进行了分析，正确率分别为82%和88%．本研究对褐菖鲉耳石的8个形状指标和77个椭圆傅里叶参数进行多元统计分析，综合判别正确率高达89.1%，表明椭圆傅里叶分析方法与形状指标法的结合应用能够有效地进行褐菖鲉群体耳石形态学分析．鱼类耳石形态分析方法在物种鉴别和群体分析研究方面有重要的应用价值，该研究丰富了耳石形态分析方法在种内群体分析方面的应用，同时也为褐菖鲉的群体遗传学研究提供了辅助资料．

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