东南极凯尔盖朗群岛与克洛泽岛小鳞犬牙南极鱼群体耳石形态初步分析

杨丹 方倩 魏联 朱国平,3,4

(1上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306;2上海海洋大学极地研究中心, 上海 201306;3大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室, 极地海洋生态系统研究室, 上海 201306;4国家远洋渔业工程技术研究中心, 上海 201306)

0 引言

小鳞犬牙南极鱼(Dissostichus eleginoidesSmitt 1898)为一种大型肉食性鱼类, 生长缓慢,体长可达2 m, 重达95 kg, 寿命可达50龄[1]。该种栖息于200～2200 m水深, 呈环南极分布, 主要分布于南美沿岸和亚南极群岛等水域, 为东南极印度洋扇区最常见的大型底栖鱼类之一, 在南大洋生态系统中具有重要地位及科学研究价值[2-4]。东南极凯尔盖朗海台因其初级生产力丰富且存在适合仔稚鱼栖息的陆架, 拥有着南大洋最大的小鳞犬牙南极鱼种群[5]。尽管1997—2004年该区域的非法的、未报告的、未被管制的(IUU)渔业活动非常频繁, 但小鳞犬牙南极鱼仍保持着较高的生物量。然而, 如对当地渔业开展可持续管理和养护,需要了解该物种在海台及邻近海域的种群动态变化[6]。Lee等[7]首次研究了小鳞犬牙南极鱼耳石外形的地理差异, 为西南大西洋海域的小鳞犬牙南极鱼种群结构提供了参考。Diano[8]从酶学角度分析认为,克洛泽岛和凯尔盖朗群岛小鳞犬牙南极鱼会形成两个分离的地理种群。但迄今为止, 有关这两个区域小鳞犬牙南极鱼种群结构问题仍未获得统一的结论, 这为南极海洋生物资源养护委员会(CCAMLR)养护与管理该区域小鳞犬牙南极鱼资源和渔业带来了显著的挑战, 也为阐释小鳞犬牙南极鱼的环南极种群结构与连通性带来了不确定性。

鱼类耳石外型具有其独特的分类学特征, 但可能会因不同的环境和遗传因素而变化, 或存在个体生长发育方面的差异, 已被广泛用于海洋和淡水生态系统中种群判别和鱼群划分[9-10]。目前,分析鱼类耳石外型特征的方法通常分为两种, 即基于形态测量参数的传统耳石形态分析法(如,耳石长、宽、面积等)和基于外部轮廓的几何形态分析法(如, 椭圆傅里叶系数、地标点等)[11]。例如, Parisi-Baradad等[12]利用小波变换(wavelet transform)和曲率尺度空间(curvature scale space)技术对具有形态多样性的南极鱼科耳石外型进行描述, 分析其在年龄鉴定、群体划分和物种判别等方面的优势; 魏联等[13]应用形态学参数和傅里叶分析法对裘氏鳄头冰鱼(Champsocephalus gunnari)及雪冰䲢(Chionobathyscus dewitti)的耳石形态学差异进行比较分析, 从而实现种类判别;La Mesa等[14]利用三种不同的分类器对雪冰鱼属中独角雪冰鱼(Chionodraco hamatus)、龙嘴雪冰鱼(C.myersi)、眼斑雪冰鱼(C.rastrospinosus)的矢耳石形态差异进行分析, 以区分近缘物种; 钱胡蕊和朱国平[15]利用多种耳石形态学技术研究了裘氏鳄头冰鱼和南极小带腭鱼(Cryodraco antarcticus)的种群分类问题。但目前关于印度洋扇区小鳞犬牙南极鱼耳石形态学方面的差异未有报道。为此, 本研究对克洛泽岛和凯尔盖朗群岛附近海域的小鳞犬牙南极鱼耳石形态特征进行描述与分析, 探究两个地理群体的耳石外型差异, 为探究南大洋复杂的物理环境对小鳞犬牙南极鱼种群结构动态的影响提供基础信息。

1 材料与方法

1.1 样本采集

小鳞犬牙南极鱼耳石样本由法国国家自然历史 博 物 馆(Muséum National d’Histoire Naturelle,MNHN)提供, 其生物学和采样信息由PECHEKER数据库获取[16]。鱼类样本以深海延绳钓方式采集于2018—2019年渔季(2018年9月1日至2019年8月31日), 采样水域为南大洋印度洋扇区凯尔盖朗群岛和克洛泽岛附近海域(图1)。样本在摘取耳石前均进行生物学测定(表1), 包括全长(total length,TL)和体重(green weight,GW), 使用超纯水清洗左、右耳石后对其进行编号, 并存放于干燥的纸信封中。有效解剖并提取左、右矢耳石样本100对, 其中95对形状保存完整, 用于后续外型分析。

表1 小鳞犬牙南极鱼样本的基本信息Table 1.Basic sampling information of Dissostichus eleginoides

图1 小鳞犬牙南极鱼采样站位图(SAF为亚南极锋, PF为极锋)Fig.1.The sampling sites of Dissostichus eleginoides (SAF,Subantarctic Front; PF, Polar Front)

1.2 耳石图像采集及形态描述

将耳石光滑面朝上(图2), 利用OLYMPUS解剖镜(SZ61)进行图像采集, 显微镜使用CCD拍照并连接传入电脑中。本研究中使用耳石形状指标(otolith shape indices, SIs)和椭圆傅里叶系数对耳石形态进行描述, 以分析不同采样区域的耳石外型差异。耳石形态测量参数和椭圆傅里叶系数利用R软件shapeR程序包获取[17]。耳石形态测量参数包括耳石长(OL, mm)、耳石宽(OW, mm)、耳石周长(OP, mm)和耳石面积(OA, mm2), 并根据以下公式计算形状指标[18]:

图2 小鳞犬牙南极鱼耳石外型示意图Fig.2.Schematic map on morphology of otolith for Dissostichus eleginoides

由于尺寸、旋转和起始点的标准化, 省略前三个系数, 最后得到45个归一化椭圆傅里叶系数。这些椭圆傅里叶系数重建了98.50%的耳石形状。

1.3 数据处理

首先, 利用独立样本t检验对两个区域鱼类全长分布进行分析。为避免耳石生长过程中出现的异速生长效应, 本研究基于鱼类体长对耳石形状指标和椭圆傅里叶系数进行校正。对耳石形状指标进行协方差分析(ANCOVA), 以采样区域为因子, 体长为协变量; 若参数不符合假设条件,则对数据进行变换。针对各形状指标, 若发现分析中鱼体体长和采样区域之间的交互关系显著(p＜0.05), 则在后续分析中剔除该参数以进行有效校正[19]。为了剔除体长对耳石外型分析带来的影响, 本研究利用鱼类异速生长模型Y=aXb对数据进行处理。异速生长方程经过一系列转换得到数据标准化方程Yi*=Yi(X0/Xi)b[20]。其中,Yi为耳石i的形态学参数,Xi是第i个耳石长,X0为鱼类全长均值(表1),b为Yi和Xi经对数变换后的回归斜率[21]。经过校正之后, 计算转换变量与全长之间的相关性, 检验数据校正是否有效地消除了数据中鱼类体长的影响。耳石形态分析利用R程序包ShapeR完成。因ShapeR程序包中自带函数能对椭圆傅里叶系数进行基于体长的标准化, 故直接利用程序包进行校正, 具体数据处理原理同上。

通过计算特征根发现, 各组校正后的耳石形态参数之间存在显著的共线性; 因此, 采取主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)消除共线性并进行降维, 选择累计贡献率最高的前K个成分进行鱼类群体的判别分析。对耳石形状指标和椭圆傅里叶系数两种参数进行判别分析, 利用bootstrap重抽样法产生训练集和测试集, 即首先进行1000次bootstrap获取训练集, 进行200次bootstrap获取测试集。两个采样区域的样本量不同, 根据组别大小计算先验概率。利用Box’s M检验组内协方差矩阵的同质性以确定采用线性判别分析(Linear Discriminant Analysis, LDA)或二次判别分析(Quadratic Discriminant Analysis,QDA)构建判别函数。

外型统计分析采用SPSS 26.0软件操作,PCA、LDA和QDA利用R 4.0.2的MASS和stats程序包实现。所有统计的显著性水平为α=0.05。如非特殊说明, 文中所有数据均以平均值±1倍标准差表示。

2 结果

本研究中, 独立样本t检验结果表明, 来自凯尔盖朗群岛和克洛泽岛的小鳞犬牙南极鱼全长分布无显著差异(t=0.498,p＞0.05)。利用幂函数拟合样本全长和体重的相关关系(图3), 体重随着鱼体全长的增加而呈幂指数增加, 具体关系式如下:

图3 小鳞犬牙南极鱼全长与体重的关系(红色空心圆为凯尔盖朗群岛样本, 黑色空心圆为克洛泽岛样本,阴影部分为95%置信区间)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)

凯尔盖朗岛样本:GW=8.2100×10-6TL3.0501(R2=0.9492,p＜0.0001,n=48);

克洛泽岛样本:GW=1.3226×10-5TL2.9475(R2=0.9732,p＜0.0001,n=47)。

对4种耳石形态测量参数进行公式转换后得到6个耳石形状指标(表2), 结合肉眼观察, 小鳞犬牙南极鱼矢耳石外型轮廓规则程度较低(形态因子＜1), 整体形状均向正方形或矩形方向生长(圆度＜1和矩形趋近率数值接近1), 长度一般大于宽度(幅形比＞1), 耳石在长短轴方向变化程度相似(椭圆率数值接近0)。ANCOVA结果表明, 鱼类全长和采样区域之间无显著的交互作用(p＞0.05); 因此, 保留所有耳石形态学参数并进行基于全长、耳石长的校正以消除异速生长对耳石生长的影响。

表2 两个采样区域小鳞犬牙南极鱼耳石形态测量参数和形状指标Table 2.The measurement characteristics and shape indices for otolith shape of Dissostichus eleginoides from two sampling areas

校正两个采样区域的6个耳石形状指标和45个椭圆傅里叶系数之后, 对其进行主成分分析。少数主成分通常可以解释参数的大部分方差, 继而减少用于随后判别分析变量的数量。根据特征值的大小排序后选择累计贡献率最高的前10个成分进行后续的判别分析, 即前10个主成分可以解释71.61%的总方差(表3)。

表3 小鳞犬牙南极鱼耳石形状指标和椭圆傅里叶系数的前10个主成分贡献率和累计贡献率Table 3.Eigenvalues and contributions of the first 10 principal components for otolith shape indices and elliptic Fourier coefficients of Dissostichus eleginoides

经Box’s M检验, 组间协方差矩阵不满足齐性(p＜0.05), 因此对主成分分析中贡献率最高的前10个成分进行二次判别分析(图4)。判别分析结果显示, 训练样本的总体判别成功率为82.60%,而测试样本的总体判别成功率则为80.00%, 基本能将凯尔盖朗群岛与克洛泽岛的样本区分开。无论是测试集, 还是训练集, 凯尔盖朗群岛样本的判别效果均比克洛泽岛好。测试样本的判别分析结果显示, 25.66%的克洛泽岛样本被划分至凯尔盖朗群岛, 而后者则只有16.09%被划分到克洛泽岛(表4), 表中黑体表示被正确判别的样本。

图4 小鳞犬牙南极鱼耳石形态学参数主成分分析前10个主成分二次判别分析(K, 凯尔盖朗群岛; C, 克洛泽岛; 灰色实线为二次判别分析的决策边界)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 基于耳石形状指标和椭圆傅里叶系数的小鳞犬牙南极鱼群体判别分析Table 4.Success rates of classification for Dissostichus eleginoides stocks based on shape indices and elliptic Fourier coefficients of otolith

3 讨论

本研究中两个采样区域的鱼类全长分布一致,但样本的全长范围较大, 包括稚鱼(全长小于75 cm为未成体)和成鱼[22]。一般认为, 采用性成熟个体进行耳石外型分析较为稳定, 可以避免个

体生长发育带来的差异[23]。但本研究样本量较小,难以进行体长分组的判别分析, 故在外型分析前利用了标准化技术缩放显示异速生长带来的影响。

基于体长校正的耳石形态学参数判别分析可以较好地识别来自克洛泽群岛和凯尔盖朗群岛的小鳞犬牙南极鱼群体, 但存在部分的“误分类”情况。其中, 凯尔盖朗群岛的训练样本和测试样本判别成功率均较克洛泽岛高, 即克洛泽岛更多的样本被“误分类”至凯尔盖朗群岛。这种“误分类”在某种程度上也说明了两个采样区域之间小鳞犬牙南极鱼种群交流的可能性及其程度。由此, 初步推断, 小鳞犬牙南极鱼在两个采样区域之间存在一定的种群交流, 且存在更多的个体由凯尔盖朗群岛向克洛泽岛移动的可能。标志放流的部分结果也支持了这一推断, 虽然小鳞犬牙南极鱼主要发生短距离的迁徙, 但仍有少部分亚成体与成体鱼类会出现长距离的和长时间的迁徙和摄食现象[24]。最新的标志放流实验结果显示, 克洛泽岛附近海域发现了87尾来自凯尔盖朗海台的标记鱼类, 其中有34尾来自凯尔盖朗群岛, 53尾来自赫德岛,但仅1尾来自克洛泽岛的个体被发现在凯尔盖朗海台, 并呈现向东迁徙的特性[24]。即使mtDNA和核DNA分析证实了南大洋西印度洋扇区小鳞犬牙南极鱼遗传群体的同源性[3,25], 但不同地理群体之间的交流比例和机制仍然未知, 该区域特殊的海流运动和地理特征有助于解释当地种群结构和动态变化。例如, Appleyard等[26]认为, 海盆极可能阻隔小鳞犬牙南极鱼种群交流, 在极锋附近出现种群边界[27-28]。

凯尔盖朗海台周围的表层、中层、深层和深海环流十分复杂, 混合了不同来源的水团。凯尔盖朗海台区西侧是小鳞犬牙南极鱼重要的产卵场,东北侧为该鱼种的孵育场, 这种随发育变化的空间分布与东向流的南极绕极流(Antarctic Circumpolar Current, ACC)保持一致[29]。当ACC遇到凯尔盖朗海台时, 它的输运可分为三种不同的路径, 每一条路径均受地形引导而形成更强的窄流。凯尔盖朗海台以西的克洛泽海盆(Crozet Basin)为厄加勒斯回流(Agulhas Return Current, ARC)进入提供了通道, 可能对小鳞犬牙南极鱼种群分布产生影响[30]。此外, 在南大洋的印度洋扇区, 特别是在克洛泽海台和凯尔盖朗海台附近, 亚南极锋(Subantarctic Front, SAF)和极锋(Polar Front, PF)的时间变异性较大[30]。因此, 本研究尚不能确定凯尔盖朗群岛和克洛泽群岛肯定存在不同的亚种群, 特别是强烈的中尺度涡旋活动及其与锋面的相互作用加剧了该区域水文动态的复杂性, 而这为判定该海区小鳞犬牙南极鱼种群结构带来了更大的不确定性。

尽管耳石外型可以在一定程度上揭示地理群体之间的关系, 为小鳞犬牙南极鱼资源的保护和利用提供了一定的研究基础, 但仍需要考虑多学科方法加强对克洛泽岛和凯尔盖朗群岛附近海域的小鳞犬牙南极鱼生活史和地理种群结构的理解,例如耳石微化学[31-32]、标志放流、寄生虫标记、水文模型及遗传学分析等多种手段相结合。

致谢感谢法国国家自然历史博物馆(Muséum National d’Histoire Naturelle, MNHN)提供小鳞犬牙南极鱼耳石样本和鱼类生物学信息。感谢上海海洋大学海洋科学学院严晨冰同学协助制图。