上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群统计学与遗传学分析

黄康宁， 张志浩， 裴恩乐

上海动物园，上海200335)

斑嘴环企鹅Spheniscusdemersus又名非洲企鹅，隶属企鹅目Sphenisciformes企鹅科Spheniscidae环企鹅属Spheniscus，被列入濒危野生动植物种国际贸易公约(CITES)附录Ⅱ，是世界自然保护联盟(IUCN)濒危物种红色名录易危(VU)物种，也是《非洲-欧亚大陆迁徙水鸟保护协定》列名物种之一。20世纪以来，斑嘴环企鹅野外种群数量急剧下降(Shannon & Crawford，1999)。

作为迁地保护的一种形式，动物园圈养种群为物种的保护及科研做出了重要贡献。国内众多学者利用种群管理软件对多个圈养物种进行了统计学和遗传学分析，包括华南虎Pantheratigrisamoyensis(陈国亮等，2001；王维等，2003)、大熊猫Ailuropodamelanoleuca(沈富军等，2002)、川金丝猴Rhinopithecusroxellana(于泽英，2004a，2011；赵素芬等，2016)、东方白鹳Ciconiaboyciana(马珺，2011；吴菡，2013)、白鹤Grusjaponensis(周军英，2013a)、冠鹤Balearicaspp.(周军英，2013b)、黑叶猴Trachypithecusfrancoisi(高喜凤，2014)、白头鹤Grusmonacha(何相宝等，2015)、大猩猩Gorilla(廖辉等，2015)、平原斑马Equusquagga(由玉岩等，2017)等，这些研究成果为各物种的圈养种群管理提出了科学的指导意见。但斑嘴环企鹅还缺少相关研究。国际上在企鹅线粒体控制区及微卫星分子标记等(Roederetal.，2002；Lanbuschagneetal.，2013，2014)种群保护遗传学方面的研究比较全面。而国内有关斑嘴环企鹅的研究多集中于饲养、遗传管理(陈云霜等，2000；耿广耀等，2015)、疾病(孔繁德等，2001；陈晓兰，刘佳中，2014)、营养(李仲逵等，2002)、人工孵化和育雏(李仲逵等，2004；李洪文等，2014)。目前仅耿广耀等(2015)对上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群的线粒体DNA序列进行了分析，通过性别鉴定和分子生物学软件构建了种群系统进化树，该研究虽涉及种群管理内容，但并未对斑嘴环企鹅的圈养种群现状进行全面的统计学与遗传学分析和评估。

上海动物园从20世纪80年代开始引进饲养斑嘴环企鹅，截至2017年5月31日达147只，成为国内斑嘴环企鹅种群发展的基础。但建群个体数量少、无新个体引入、曲霉菌病致死率高等导致该种群的遗传多样性水平降低和种群数量下降。为了上海动物园斑嘴环企鹅种群的长期保存和可持续发展，有必要对其进行全面的研究分析。本文基于上海动物园圈养斑嘴环企鹅的谱系，对种群统计学和遗传学相关参数进行分析和评估，找出目前种群存在的问题，并对该圈养种群的科学管理和未来发展趋势提出合理建议。

1 研究方法

1.1 谱系调查

对上海动物园自1984年以来饲养繁育的斑嘴环企鹅情况进行调查，对历史圈养斑嘴环企鹅的引入、输出、出生、死亡、繁育后代等谱系信息进行查询和收集。

1.2 数据分析

上海动物园圈养斑嘴环企鹅的谱系登陆和编辑采用International Species Information System(ISIS)开发的Sparks 1.6完成；圈养种群数量、年龄、繁殖和死亡等统计学参数以及种群奠基者、基因多样性保存比率、基因价值等遗传学参数分析均使用PMx 1.0完成。

2 结果

2.1 圈养种群现状

2.1.1圈养种群数量截至2017年5月31日，上海动物园圈养斑嘴环企鹅147只，其中，雄性 37只，雌性42只，未知性别68只。1984—2017年，种群数量总体呈上升趋势(图1)。2000—2012年，种群增长速度较快，平均增长率λ=1.201。2012—2017年，种群增长趋于平缓，平均增长率λ=1.001。2017年，种群增长率λ=0.981，较上年减少2%。

2.1.2种群年龄结构及性比斑嘴环企鹅现存活个体种群的年龄结构如图2所示。种群中未参与繁殖的育龄个体数量较多，0～4岁及7～8岁个体数量不足，目前种群数量虽然呈稳定增长趋势，但亚成体数量明显不足。历史圈养斑嘴环企鹅总体性比为雄性∶雌性=0.93∶1(将种群中未知性别个体按照雌雄各半的比例进行计算，下同)；现有存活斑嘴环企鹅种群性比为雄性∶雌性=0.95∶1，基本处于平衡状态。但由于未知性别的个体占总数的46.25%，所以未必能准确反映种群性别的真实情况。

图1 1984—2017年上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群数量变化情况
Fig. 1 Changes of captive population ofSpheniscusdemersusin Shanghai Zoo from 1984 to 2017

2.1.3圈养种群的出生、繁殖及死亡情况谱系数据统计结果显示(图2)，圈养斑嘴环企鹅的繁殖年龄通常在4～14岁。其中，最早的雄性繁殖年龄为3岁，最早的雌性繁殖年龄为4岁；最晚的雄性繁殖年龄为19岁，最晚的雌性繁殖年龄为17岁。

上海动物园圈养斑嘴环企鹅平均寿命达17.4岁，其中，雄性平均寿命18.4岁，雌性平均寿命16.5岁；在亚成体阶段，0～1岁死亡率较高；10～13岁为另一个死亡高峰期。圈养种群中有50%个体的存活时间为18.9岁，25%个体的存活时间为24.5岁。其中，雌性个体最长的存活时间为32.7岁，雄性个体最长的存活时间为18.7岁。

1984—2017年上海动物园圈养斑嘴环企鹅月出生、死亡数量情况的调查结果表明(图3)，11月出雏数量最多，累计达29只，其次是1月25只，5月、6月出雏最少。出雏高峰期主要集中在10月至次年2月。死亡数量最多是12月，其次是7月和3月，累计死亡数量分别是9只、7只和6只。

图2 上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群年龄及性别结构Fig. 2 Age and sex structure of captive Spheniscus demersus population in Shanghai Zoo

图3 1984—2017年上海动物园圈养斑嘴环企鹅月出生及死亡数量Fig. 3 The born and death number of captive Spheniscus demersus in Shanghai Zoo from 1984 to 2017

2005—2017年斑嘴环企鹅的死亡原因主要包括曲霉菌病、疫苗反应、肠梗阻、胃胀气、肝肾问题、肿瘤及其他。在41例死亡企鹅中，有20例死于曲霉菌病，约占总死亡数的48.8%(表1)。

2.2 圈养种群遗传学分析

上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群主要来源于9只奠基者(表2、图4)。其中，来自日本的有5只(谱系号：H3、H4、H5、H6、H7)，来自荷兰的有4只(谱系号：102、105、wild1、wild2)。目前种群中保留了

野生个体90.28%的基因多样性。该种群的奠基者基因等量值是5.14，即种群的遗传多样性水平和一个由5个互无血缘关系个体建立的种群一致。奠基者的遗传贡献值呈不均衡趋势(图4)，基因库78.5%的基因来自于5只奠基者，其中，H3(黑赤环♂)、H4(铝环♀)的个体贡献值最大，其次是H7(无环♀)。种群的平均亲缘关系值为0.097 2，种群的平均近亲繁殖系数为0.099 5，提示该种群存在一定的近交。

种群基因多样性保存比率至1999年快速上升至75%，1999—2004年呈缓慢波动式增长趋势，至2004年达到87.63%，2004—2007年从87.63%缓慢增长至90.28%。种群数量从1999年开始增长，2003年后呈现快速增长趋势。在种群数量增长阶段，基因多样性保存比率也随之增长(图5)。

在种群的遗传管理中，通常使用配对适宜度指数(MSI)挑选合适的个体配对(MSI的计算考虑了配对动物的平均亲缘关系值、雄雌动物平均亲缘关系值的差距、产生后代的近亲繁殖系数、配对动物祖先未知因素的总量)进行繁殖(周军英，2013a)。对目前已知性别的成活雌雄个体进行配对，根据MSI评估，发现有65.9%的配对方式不利于种群遗传健康发展。

表1 2005—2017年上海动物园斑嘴环企鹅死亡原因Table 1 The cause of death of Spheniscus demersus in Shanghai Zoo from 2005 to 2017

注Note： 每例死亡企鹅为1只one individual died every case

表2 上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群遗传学参数Table 2 Genetic parameters of captive population ofSpheniscus demersus in Shanghai Zoo

3 讨论

3.1 种群特征

截至2017年，上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群达到147只。1998年以来，斑嘴环企鹅饲养繁育水平的日趋成熟(陈云霜等，2000)，人工孵化与育雏技术瓶颈的突破(李仲逵等，2002，2004；李洪文等，2014)，圈养出生个体数量得以快速增加，种群规模持续稳定增长，但种群的增长基本依赖于圈养繁殖个体，种群处于自我维持阶段(王鹏彦等，2005)。

上海动物园圈养斑嘴环企鹅是一个小种群，种群大小直接受出生率和死亡率的影响。环境随机性和随机灾害可能会通过对种群所有或多数个体的出生率和死亡率产生直接作用而影响灭绝的过程(马祖飞，李典谟，2003)。小种群因近亲繁殖或无法找到合适的配偶，更易受遗传漂变等影响，进而导致出生率减小、死亡率增加。当种群密度低于某一阈值时，将更易受阿利效应的影响(王瑶等，2007)。因此，必须对斑嘴环企鹅进行有效的种群管理，以降低因环境随机性、随机灾害及阿利效应而导致局部灭绝的概率。

图4 上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群奠基者贡献值及后代数量Fig. 4 Founder contribution and descendants of Spheniscus demersus in Shanghai Zoo

图5 1984—2017年上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群数量与基因多样性Fig. 5 Population size and gene diversity of captive Spheniscus demersus in Shanghai Zoo from 1984 to 2017

3.2 统计学管理

3.2.1死因与曲霉菌病的防治对41只死亡个体分析发现，圈养出生斑嘴环企鹅个体在0～1岁和10～13岁死亡率明显高于其他年龄段，其原因在于0～1岁主要处于人工孵化育雏个体从孵化室向饲养岗位转移的时期；10～13岁接近野外企鹅寿命；13岁以上的死亡率较低可能因为这部分企鹅具有较高的圈养适应性，其相应的应激程度低，体质状况良好。因此，提高人工育雏技术创新研究、加强亚成体企鹅过渡期饲养管理、提高圈养适应性、减少应激等可以考虑被用来降低圈养企鹅的死亡率。

曲霉菌病是导致企鹅死亡最主要的疾病。曲霉菌种类繁多、分布范围广，常存在于笼舍地面、墙面及饲料中。在潮湿的环境中，曲霉菌繁殖迅速，孢子数量快速增加。如果阳光不足、环境通风不良，空气中悬浮的大量真菌孢子会通过呼吸或饲料侵入体内，当企鹅抵抗力不足时，曲霉菌迅速繁殖，从而导致曲霉菌病发生(常洪宇等，2016；张琼方等，2016)。上海气候湿润，梅雨季雨水较多，圈养环境条件和原栖息地差别较大，导致企鹅免疫力较低。同时，鸟类在生理、呼吸道免疫方面与哺乳动物有区别，也可能导致企鹅对曲霉菌病易感(Richard & Thurston，1983；Toth，2000)。人工孵化室、孵箱及育雏设施、进气管道等也极易让幼雏吸入曲霉菌孢子(齐新永等，2016)。因此，保持笼舍环境干燥、控制好温湿度、加强环境卫生清洁和消毒、延长企鹅日照时长等可以预防曲霉菌病。临床早期的曲霉菌病不易诊断，往往需要借助病理组织学结合PAS染色诊断(张琼方等，2016)，且一旦感染难以根治。因此，在圈养斑嘴环企鹅的饲养管理中，曲霉菌病的管理最好以预防为主、防治结合。未来可进一步加强对曲霉菌的类型、肉芽肿结构及曲霉菌治疗手段的技术研究。

3.2.2性别鉴定与配对国内外针对外观无法鉴别雌雄的单态性鸟类的性别鉴定研究技术成熟(Morinhaetal.， 2013；李巍等，2017)。斑嘴环企鹅雌雄个体很难从外观上区分，现有种群中未知性别个体比例高达46.25%，对圈养种群的健康发展造成一定限制。种群中适龄繁殖个体完全依赖现有圈养小群体自由配对，配对成功的企鹅若有后代诞生，其亲缘关系一般不会被过多考虑。一对种鸟在圈养条件下会一直繁殖到一方配偶死亡或其他意外情况发生而终止。在这种情况下，若过分依赖单一配对，盲目追求种群数量的增长，而忽略遗传学管理，再加上潜在建立者又没有及时补充，近亲繁殖概率会大大增加(周军英，2013a；由玉岩等，2017)。因此，为扩大圈养种群基因储备，挖掘更多的潜在个体参与繁殖，可利用现有的企鹅性别鉴定技术(Costantinietal.，2008；Zhongetal.，2013)开展企鹅未知性别个体鉴定，为适龄繁殖个体自由配对和人工干预配对创造便利条件(马珺，2011)。

3.2.3受精率与人工授精技术圈养繁殖是保护濒危动物的一种有效途径和必要手段(Russello & Amato，2004)。然而，根据上海动物园斑嘴环企鹅历年繁殖数据，发现近年来企鹅卵受精率偏低，一定程度上影响了圈养繁殖个体的增加。2017年种群规模略有下降，正是因为企鹅卵受精率低，繁殖个体数量补充较少。造成受精率低下的原因除了跟上述配对问题有关外，动物园内活动空间受限、无法模拟野外生境以及食物多样性欠缺都可能是影响因素。随着人工授精技术在鹤类、半番鸭等鸟类中的推广和应用(张敬等，2014；朱志明等，2015)，斑嘴环企鹅也有望通过人工授精技术来提高卵的受精率。人工受精技术对实现斑嘴环企鹅的特定繁殖目标非常实用，除了能提高受精率、增加繁殖机会外，还能有效解决具有繁殖能力的雌雄个体相距较远而无法实现繁殖的问题。

3.3 遗传学管理

上海动物园斑嘴环企鹅中来自日本的奠基者的后代数和贡献值要明显高于来自于荷兰的奠基者。对种群核DNA遗传结构的研究结果也证实，上海动物园圈养斑嘴环企鹅种群可分为2个亚群，在线粒体DNA遗传结构上分属2个大的世系，且贡献值不一样(耿广耀等，2015；耿广耀，2015)。由于奠基者数量少，且贡献值和后代数不均衡，易导致2个亚群之间基因交流不足，长久下去会形成隔离并使亚群规模缩小，最终不可避免地发生近交，从而造成遗传多样性丢失和个体适合度下降(Grueber & Jamieson，2008；Rouzic & Carlborg，2008)。

圈养种群的遗传学管理目标一般是在未来100年内具有90%以上野生种群的遗传多样性(于泽英，2004b)。遗传多样性决定一个物种的稳定性和进化潜力(周延清等，2008)。目前，斑嘴环企鹅圈养种群的基因多样性保存量为90.28%，但未来将会很快丢失，原因在于斑嘴环企鹅存在近亲繁殖、奠基者数量少、奠基者对种群的贡献值不均等、家系大小不均衡以及潜在奠基者缺乏等。平均亲缘关系最小化是圈养种群建立有效遗传管理策略最常用的方法(周军英，2013a)，即要在种群中选择血缘关系最小的个体作为下一代的亲本，以减少奠基者贡献值的不均等性(黄宏文，康明，2005；周军英，2013a)。人工授精技术也是解决奠基者贡献值不均衡问题的有益工具(Kleimanetal.，2010)。加强不同饲养单位间的种群基因交流也有助于维持圈养种群的基因多样性(孙小雅等，2010)，但国内饲养机构中可追溯的斑嘴环企鹅多数是上海动物园繁育的后代(李洪文等，2014)，相较于在国内动物园寻找更合适的配对个体来说，从国外引进新的种源更有利于保持圈养种群的基因多样性。

遗传管理有效性指数是有效种群数量与种群数量的比率(Ne/N)，是对未来种群遗传状况预测的重要指标，影响这一指标的主要因素是种群大小的波动、家系大小的变化和性比失衡(周军英，2013a)。目前，上海动物园圈养斑嘴环企鹅的Ne/N接近0.25，处于一般状态，但由于斑嘴环企鹅种群中未知性别比例过高，Ne/N的准确性有待考量。除了性别因素外，种群中某些个体繁殖过多也是影响Ne/N的重要因素。因此，为提高斑嘴环企鹅有效种群的大小，明确性别及为繁殖个体提供均等的繁殖机会是目前所要解决的问题(周军英，2013a)。

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