日本囊对虾(Marsupenaeus japonicus)秋繁仔虾形态表型与抗流性能间的相关性*

王志铮 朱海军 任夙艺 斯烈钢, 祝本强

(1. 浙江海洋大学 舟山 316022; 2. 宁波市海洋与渔业研究院 宁波 315000)

水流作为水域生态系物质和能量输运的重要载体, 直接或间接地决定着对虾的区域分布, 是影响对虾存活与生长的重要环境因子(Dall et al, 1992; 戴习林等, 2008)。日本囊对虾属沿岸定居性虾种(王克行,1997), 系近年来我国东南沿海重要的增殖放流对象之一。虽Dall 等(1992)认为长期生活于沿岸水域的对虾为适应潮汐运动形成了对水平流的适应性, 但自主运动能力较弱的仔虾, 仍极易受潮流作用的影响而被冲离增殖定居区。因此, 日本囊对虾仔虾的增殖放流效果势必与其抗流能力有着极为密切的关系,开展该虾仔虾抗流性能的等级筛选与定向选择研究无疑对于促进其增殖渔业的健康发展具重要现实意义。

水生动物大多具有逆水顶流的生活习性。已有研究表明, 水生动物在静水状况下游泳时的耗氧率明显低于流水状况, 且随流速的提高, 游泳速度的加快, 耗氧率也相应增加(Wardle et al, 1996;Herskin et al, 1998; Lee et al, 2003); 形态表型不仅会改变水生动物的游泳能力, 而且还受到不同流速生境的影响(Langerhans et al, 2003; Haas et al,2010)。王吉桥等(1999)指出, 虾体不同部位异速生长的阶段性和时序性与其器官结构和功能完善及强化的顺序有关, 是机体内新陈代谢相辅相成反应过程中起主导地位的方面发生变化所致。无疑, 对虾的顶流运动能力与形态表型及其所映射的能耗效率间均有着极为密切的关系, 这就为从表型水平划分仔虾的抗流性能等级提供了启示。但迄今国内外尚未见有关日本囊对虾形态表型对其抗流性能影响的研究报道。鉴于此, 本文作者于 2014年 10月以日本囊对虾秋繁同生群仔虾为研究对象, 借助多元分析方法, 较系统研究了不同抗流性能群体间的形态表型差异, 旨为该虾秋繁同生群仔虾抗流性能评价方法的构建和逆境生态学研究提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 日本囊对虾仔虾

由宁波市海洋与渔业研究院提供, 总长(7.643±0.639)mm。运回浙江海洋学院水产安全养殖实验室后,即刻分置于若干规格为 60cm×80cm×60cm 的小型实验水槽内, 静水停饲暂养24h后备用。

1.2 理化条件

实验用水为经暗沉淀处理24h的过滤海水, 水温(18.0±1.0)°C、盐度 20、pH 8.1±0.2, 水质符合 NY 5052-2001无公害食品 海水养殖用水水质(中华人民共和国农业部, 2001)要求。水流测定装置见图1。

图1 水流测定装置示意图(水流方向自左至右)Fig.1 The flume test

1.3 实验方法

自制总流长为1m的水流测定装置, 以溢流口底部为起点, 按等距离间距法将该装置依次划分为A[0—25cm]、B(25—50cm)、C(50—75cm)、D(75—100cm)和 E(＞100cm)等五个实验区段(图 1)。任选 3000尾仔虾, 于实验时将它们均匀分置于 30个上述水流测定装置的溢水口底部, 以 1min为流速处理时限,以经预实验确认在实验终了时刻仍分布于 A区段内的仔虾占实验仔虾总数 5%的流速 0.823cm/s为实验流速, 于实验终了时刻随机选取分布于A、B、C、D、E区段内的仔虾群体(依次定义为A、B、C、D、E实验群体) 各 100尾作为测量样本, 借助研究体视镜(Lecia S8APO型)并采用扫描像素法(杨劲峰等, 2002),逐尾测量其总长(X1, 额角前缘至尾节末端的直线长度)、第一触角柄长(X2)、额剑长(X3)、眼径(X4)、头胸甲长(X5)、头胸甲高(X6)、第一腹节长(X7)、第二腹节长(X8)、第三腹节长(X9)、第四腹节长(X10)、第五腹节长(X11)、尾节长(X12)、尾扇长(X13)、腹节高(X14)和尾节高(X15)等15项形态学指标。

1.4 数据处理

根据所测结果, 分别计算A、B、C、D、E实验群体的各项形态性状与形态比例性状的均值和标准差, 并采用 LSD多重比较法检验组间差异显著性(P＜0.05视为显著水平); 根据上述5个不同抗流性能实验群体各形态比例性状的均值, 计算它们间经标准化处理的欧氏距离(全距为 1.00), 并以此度量它们在形态体型比例上的相似性程度(P＜0.05视为显著水平); 对所有测量样本的形态比例性状进行主成分分析, 以特征值大于1且累计贡献率大于80%为原则确定主成分(PC)的提取个数; 将A实验群体定义为水流胁迫处理选留群, B、C、D、E实验群体统归为水流胁迫处理淘汰群。采用逐步导入剔除法对上述两类群进行判别分析, 并计算判别准确率(P1为某类群实验对象判别正确的个体数占该类群实验对象实际总数的百分比; P2为诸实验类群在等样本容量条件下, 某类群实验对象判别正确的个体数占判入该类群实验对象的总个体数的百分比)和综合判别率(P为诸实验类群在等样本容量条件下, 各类群实验对象判别正确的个体数之和占实验总个体数的百分比)以验证所建判别方程组的可靠性。上述计算分析均借助 SPSS 17.0软件来完成。

2 结果

2.1 抗流特征

观察发现, 实验期间绝大多数仔虾一直处于顶流运动状态。实验结束时刻, 分布于A、B、C、D、E区段内的实验仔虾占比均值分别为 5%、11.33%、18.67%、25.33%和39.67% (图2), 呈单调增加趋势。根据统计学中的小概率事件实际不可能性原理(盖均镒, 2000), 可将流速0.823cm/s确定为实验处理时长1min条件下实验仔虾[总长(7.643±0.639)mm]的抗流极限值。

2.2 各实验群体形态性状测量值和形态比例指标值间的差异比较

由表1可见, 本研究所涉5个不同抗流性能实验群体在所测15项形态性状中, 除X1、X2、X3、X11、X15均呈 A＞E＞D＞C＞B (P＜0.05),X12呈 A＞E≈D＞C≈B,X13呈 A＞E≈D＞C＞B外, 其余 8项形态性状测量指标值均无组间差异(P＞0.05); 由表2可见, 在所涉17项形态比例指标中,C1仅C、D间具显著差异,C3、C4、C6、C7、C8均呈 B＞C＞D＞E＞A (P＜0.05),C12、C13均呈A＞E＞D＞C＞B (P＜0.05),C14仅 C 分别与 D、E 具显著差异, 其余 7项形态比例指标值均无组间差异(P＞0.05)。由此可见, 实验群体间抗流能力的分化源自它们间形态表型的差异, 在表征实验仔虾抗流能力的差异上形态比例性状较形态性状本身更具丰盛度和有序性。

2.3 各实验群体形态比例特征间的相似度比较

根据本研究所涉 5个不同抗流性能实验群体各项形态比例性状的均值(表 2), 分别计算它们间的欧氏距离(表 3)。由表 3可见, 各实验群体间的欧氏距离均达到显著水平(P＜0.01), 且均有随实验群体间抗流性能差异的增大而呈显著增大的趋势, 进一步表明可用形态比例性状来表征实验群体间抗流性能的差异。

图2 实验终了时刻仔虾在A、B、C、D、E区段的出现率Fig.2 The frequency of appearance at the end of experiment at sections A, B, C, D, and E

表1 实验群体形态性状测量值的参数统计(n=100)Tab.1 Statistics of morphological measurements in all experimental groups

表2 实验群体形态比例特征间的差异(n=100)Tab.2 Differences in morphological traits for all experimental groups

表3 实验群体形态比例特征间的欧氏距离(n=100)Tab.3 The Euclidean distance of morphological traits for all experimental groups

2.4 实验测定对象形态比例特征的主成分分析

经Bartlett球形检验和KMO适合度检验发现, 本研究所涉形态比例性状相关系数矩阵与单位阵具显著差异(P＜0.05)且适合度尚可(KMO=0.767＞0.700),表明有做主成分分析的必要性。

由表4可见, 所列5个主成分的特征值均大于1且方差累计贡献率达80.795%, 故可基本认定它们为能概括本研究所涉日本囊对虾秋繁同生群仔虾不同抗水流性能实验群体间形态比例特征差异的公共因子。其中, PC1的方差贡献率最大(39.561%)且远高于其它各主成分。将载荷绝对值P＞0.5的变量确定为主要影响变量, 则 PC1、PC2、PC3、PC4、PC5所含主要变量的个数依次为8、4、3、3和1, 除PC5仅有的1个主要变量载荷高达0.957外, 其余8个载荷绝对值达到0.80以上的主要变量均存在于PC1中。无疑, PC1在区分的不同抗水流性能实验群体间的体型差异上具重要作用。绘制PC1与其它各主成分间的得分散布图, 得图3。由图3可见, 虽然A、B、C、D、E实验测定样本沿FAC1轴呈由右向左依次排列, 但抗流性能相邻及相间的两实验群体之间均存在较大程度的重叠, 表明PC1在反映本研究所涉全部实验个体的类群归属问题上受到了来自自身及其它主成分主要影响变量的干扰。

2.5 水流胁迫处理淘汰群体和选留群体实验对象间形态比例特征的判别分析

采用逐步导入剔除法, 从表2所列形态比例性状中筛选出对判别贡献较大的C1、C3、C7和C13进行判别分析, F检验表明这些性状均达到极显著水平(P＜0.01)。根据上述4个性状建立本研究各区段秋繁仔虾实验样本的Fisher分类函数方程组于表5。经验证, 选留群体实验样本的判别准确率P1、P2分别为98%和 84.85%, 淘汰群体实验样本的判别准确率P1、P2分别为 82.25%和 97.63%, 综合判别准确率为90.12% (表6)。另, 所绘制的典型判别函数判别得分散布图(图 4), 更直观地印证了上述判别结果的可靠性。

表4 实验群体形态比例特征的主成分分析Tab.4 The principal component analysis on morphological traits for all experimental groups

3 讨论

本研究所涉各测定群体形态比例指标均值间的欧式距离均有随抗流性能差异的增大而呈显著增大的趋势(表 3), 表明形态比例特征与其抗流性能间具强相关性。由表4可见, 虽PC1的主要影响变量个数远多于其它主成分, 方差贡献率略低于其它主成分之和, 但就FAC1得分轴上各相邻及相间实验群体测定样本间均存在较大程度的重叠(图 2), 以及水流胁迫处理选留群体和淘汰群体分别有2%和17.75%的个体被误判(表6, 图3)的结果, 表明被列入诸主成分的主要影响变量和经判别分析被选入Fisher分类函数方程组的自变量中共同包含了对区分抗流性能具高分辨作用和较强干扰作用的两类关键变量。结合表5所列 4 个判别变量中,C3、C7均呈 B＞C＞D＞E＞A(P＜0.05),C13呈 A＞E＞D＞C＞B (P＜0.05), 而C1仅 C、D实验群体间具显著差异(P＜0.05) 的结果(表 2), 可判定上述具强干扰作用的关键变量应为C1, 而其余3个判别变量则均为具高分辨作用的关键变量。

已有研究表明, 顶流运动会显著增加水生动物的能耗水平并提高机体耗氧率(Stevenet al, 1982;Wardleet al, 1996; Herskinet al, 1998; Leeet al, 2003);较为激烈的运动会导致水生动物因氧需求量超过其供应量而表露“氧债”, 并使其机体能量供不应求(林浩然, 1999)。因此, 较高的流速会使顶流运动中供氧或供能不足的实验个体首先被冲离, 即实验个体抗流能力的强弱与其运动能量代谢能力有着极为密切的关系。无疑, 本研究中A实验群体不仅抗流性能与B最为接近, 与E差距最大(表3), 且在FAC1得分轴上与 B重叠程度最大, 与 E完全不重叠(图 2), 而在判别表型上却表露为C3、C7均呈 B＞C＞D＞E＞A(P＜0.05),C13呈 A＞E＞D＞C＞B (P＜0.05)的结果(表 2,图3), 表明实验仔虾存在以A、B实验群体为代表的两种截然不同的运动能量代谢机制。

图3 实验测定样本形态比例指标的主成分散布图Fig.3 The scatter diagram of principal component of morphological traits for all experimental groups

表5 选留群体和淘汰群体表型比例特征Fisher分类函数方程组自变量系数及常数项Tab.5 The independent variable coefficient and the constant terms in the Fisher classification function

表6 选留群体和淘汰群体实验样本的判别分类结果Tab.6 The discrimination for all experimental groups

图4 淘汰群体与选留群体实验样本的典型判别函数判别得分散布图Fig.4 The scatter diagram of typical discriminant function for all experimental groups

仔虾处于以体型增长为主和体型增粗为辅的异速生长阶段。据报道, 对虾科种类的主要脏器集中于头胸部(王吉桥等, 1999); 额剑系表征对虾体质和生长代谢旺盛程度的重要体征(王志铮等, 2012), 具御敌攻击和保障运动平衡的作用(王安利等, 1993; 沈辉等, 2010)。因此, 本研究所涉各实验群体的X1和C13均呈 A＞E＞D＞C＞B (P＜0.05)的结果(表 1, 表 2), 表明额剑长与头胸甲之比的C13可作为表征仔虾生长代谢强度的重要指标。因此, 可用于表征生长速度的X1和生长代谢强度的C13均呈A实验群体显著大于B实验群体(P＜0.05), 而可用于表征寻食视野的C3和腹部运动幅度的C7则均呈A实验群体显著小于B实验群体(P＜0.05)的结果(表1, 表2), 也就揭示了A实验群体具采取显著提高运动代谢强度和增加捕食运动频率, 以获得快速生长为特征的“高能耗速生型”运动能量代谢机制, B实验群体具采取显著降低运动代谢水平以减少运动频率, 和显著扩大寻食视野与腹部运动幅度以提高捕食成功率为特征的“低能耗慢长型”运动能量代谢机制, 故前者较后者更易在较激烈的顶流运动中表露“氧债”。无疑, 戴习林等(2008)报道的养殖于水平水流 0.63—2.78mm/s范围内的凡纳滨对虾幼虾体长整齐度显著优于养殖于静水状态下的结果, 也充分支持了上述判断的可靠性, 即水流作用使采取“高能耗速生型”运动能量代谢机制的幼虾, 因能耗明显增加致使其体长增速有所减缓, 而采取“低能耗慢长型”运动能量代谢机制的幼虾, 则因供饵条件明显改善致使其体长增速有所提高, 从而导致上述两类运动能量代谢机制的幼虾的体长更加逼近,整齐度获得显著提高。显然, A实验群体被选留的原因, 系本研究中所设实验周期下的实验流速接近或低于 A实验群体顶流运动的能耗可容忍临界所致,而B、C、D、E实验群体, 则因该实验流速已超过它们顶流运动的能耗可容忍临界, 致使它们随生长速度和顶流能耗的增大而首先被冲离。综上可知,C3、C7、C13成为对区分抗流性能具高分辨作用的关键变量的主因, 为这些关键判别变量组合可真实反映所涉实验群体间运动能量代谢能力的差异; 仔虾第一触角柄第一节基部具平衡囊, 囊内有砂粒, 具司体位及姿态平衡的作用, 第三节末端的触鞭被认为是触觉感受器官(王克行, 1997), 故C17成为对区分抗流性能具较强干扰作用的关键变量的主因, 无疑与其含形态性状信息在维系仔虾运动平衡中所起的具重要作用有关。

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