基于GAM模型的子二代大鲵亲体产卵量分析

2018-04-17刘鉴毅刘建良林国源谢才丰

生物学杂志 2018年2期

刘鉴毅, 刘建良, 林国源, 谢才丰

(1. 中国水产科学研究院东海水产研究所长江口渔业生态重点实验室, 上海 200090; 2. 上海兴鲵农业生物科技发展有限公司, 上海 200135; 3 深圳市大龙园农业科技发展有限公司, 深圳 440300)

中国大鲵(Andriasdavidianus)属两栖纲，有尾目隐鳃鲵科(Cryptobranchidae)、大鲵属(Andrias) ，俗称娃娃鱼，英文名giant salamander，是一种珍贵的中国内陆淡水动物，也是目前世界上最大的两栖动物[1-2]。大鲵体大扁平，头部宽阔，躯干粗而扁，体两侧有纵行皮肤褶，头长约等于头宽，鼻孔近吻端，口裂大至眼后角，上下颌有细齿，成锯状排列，眼退化成很小，无眼睑，大鲵在自然界主要生活在山溪溪流中或有冷泉水冒出的溶洞中，有畏光喜阴暗习性[2]。

大鲵具有很高的医用和经济价值，因人为过度捕捞，生态环境的破坏，导致大鲵自然资源日趋减少。在野生大鲵资源量急剧下降的情况下，通过大鲵资源的增殖，提高大鲵的种群数量可以更好地保护大鲵野生资源。因此开展大鲵人工繁殖非常重要。目前关于影响大鲵繁殖性能因素的研究报道很多，主要集中在对大鲵的理化因子和营养条件[3-4]、年龄与体重和体长关系[5-7]、雌雄亲体性腺发育和受精率、孵化率[8-11]等方面。水生生物的体型性状对其繁育特性有影响[12-15]，如黄永春等[12]研究表明凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)选育群体的体型性状影响其产卵量，王美娟和胡俊[13]研究指出麦穗鱼(Pseudorashoraparva)的体重体长对其生殖力有影响。作为两栖类动物的大鲵，其体型性状对其繁殖特性也应该有影响，但是目前未见相关研究报道。亲二代大鲵的后代可以人工销售，对其开展人工繁殖研究具有重要经济价值。在孵化技术和环境条件不变情况下，选择产卵量大的亲体，提高亲二代的产卵量会孵化更多的幼鲵，养殖户可以获取更多的经济价值。性成熟后的亲二代大鲵体重和体长等体型参数并不一样，如何通过体型性状选择最优的苗种亲体以获取最大的产卵量是育苗的关键，因此开展二代大鲵体型性状对其繁殖特性研究具有重要的理论和经济价值。

广义可加模型(GAM) 是在广义线性模型(GLM)和可加模型基础上发展起来的，由Hastie和Tibshirani[16]提出。GAM模型采用非参数函数，如样条函数来拟合估计自变量对因变量的影响。与GLM模型的区别在于，GAM模型不注重模型的拟合和推断，而是注重对采样数据进行探索性分析，揭示因变量对自变量的响应关系。GAM模型已被广泛应用于各行各业中[17]。本文采用GAM模型分析子二代大鲵亲体的体重、体长、肥满度和胸围等体型生长参数对产卵量的影响，为大鲵的良种选育工作提供科学指导。

1　材料与方法

1.1　大鲵

实验测量的样本来自陕西汉中和广东大有大鲵驯养繁殖有限公司自繁个体，总数为123尾，测量对象都是子二代养殖亲体。

表1 大鲵测量数据

1.2　测量方法

本研究体长为全长，指自大鲵嘴部最前端至尾末端的长度。用数显式电子秤(精确度为0.1 g)称量大鲵体重，直尺(精确度0.1 cm)测量大鲵的体长，胸围采用软尺测量。测量数据见表1。

1.3　数据处理方法

本文采用GAM模型分析子二代大鲵亲体的体重、体长、肥满度和胸围等体型生长参数对成熟个体产卵量的非线性影响。形态特征变量有体长(tc)、胸围(xw)、体重(tz)、肥满度(K)。肥满度又称丰满度或丰满系数，最早由Fulton提出，表达式为：

K=100(W/L3)

(1)

式中，W是体重(g)，L是全长(cm)，K是肥满度。

GAM模型可以模拟自变量(x)对因变量(y)的非线性作用，其一般形式如下：

(2)

其中,μ是因变量y的期望值,即μ=E(y|x1,x2,Lxp),g(·)是连接函数，fj(·)是针对每一个自变量xj的平滑函数。

采用R软件包的mgcv函数库，构建GAM模型，计算和绘图，模型选择采用AIC值选择。最终构建的GAM模型方程如下：

ln(n)=s(tc)+s(xw)+s(wt)+s(k)

(3)

产卵量以个数为计量单位，这里连接函数采用Poisson函数。

2　结果与分析

通过对多个影响因素(子二代养殖性成熟大鲵亲体的体型性态参数)与产卵量之间建立GAM模型，获得各自变量的平滑回归函数，并得到子二代养殖性成熟大鲵亲体的体型性态参数对子二代养殖性成熟大鲵亲体产卵量的影响效应图(图1)。模型4个变量全部保留，表明在0.05的显著性水平下，4个变量对产卵量存在显著性影响(表2)。所有变量对产卵量方差解释率为32.6%。图1中，上下虚线表示GAM模型中单个变量的平滑回归函数拟合的95%置信区间，实线代表GAM模型中子二代养殖性成熟大鲵亲体产卵量对各单个变量的平滑拟合曲线。横坐标表示各体型性态参数的实测值，纵坐标表示子二代养殖性成熟大鲵亲体产卵量对各体型性态参数的平滑拟合值。

表2 GAM模型检验值

GAM模型分析表明，在0.05的显著性差异下，子二代养殖大鲵亲体的4个生长变量对子二代养殖大鲵的产卵量存在显著性影响。子二代养殖大鲵亲体的4个生长变量对子二代大鲵亲体的产卵量影响作用都是非线性的(图1)。子二代养殖性成熟大鲵亲体的体长对产卵量影响是非线性递增的，随着子二代大鲵亲体体长的不断增加，子二代大鲵亲体的产卵量会越来越多。与产卵量影响密切的子二代养殖大鲵体长在800～1000 mm。子二代养殖性成熟大鲵亲体的胸围对产卵量的影响是非线性波动后递减，胸围在小于400 mm的区间内，子二代亲体产卵量高位震荡，胸围为380 mm的子二代养殖性成熟大鲵亲体的产卵量最高，影响也密切；子二代亲体的胸围大于400 mm之后，随着胸围增加，其对子二代亲体的产卵量影响为负效应。和子二代养殖大鲵亲体的体长对产卵量的影响相反，子二代养殖大鲵亲体的体重对产卵量影响是非线性递减的，子二代性成熟亲体的体重越来越大，其对子二代性成熟亲体的产卵量影响由正变为负值。对产卵量影响密切的体重区间在6000～7000 g。子二代养殖性成熟大鲵亲体的肥满度对产卵量的影响是非线性递增的，随着子二代亲体的肥满度变大，亲体的产卵量会不断变多，但在肥满度大于1.2后，增幅变缓。与产卵量影响密切的肥满度区间在0.6～1。

图1 GAM模型获得的4个体型变量对产卵量影响Fig 1 The effect of 4 parameters on fecundity of GAM model

3　讨论

在大鲵的人工繁育过程中，人们通常比较关心的是性成熟苗种的选择和孵化环境，以达到较高的受精率和孵化率。苗种的选择主要以亲体的体长和体重来进行质量优劣的判别，达到一定体长规格的苗种也应达到相应的体重，才能成为优质苗种[18]。作为两栖类动物的大鲵也是这样，因此当前对大鲵的繁育研究文献，很多集中在体重、体长和年龄关系上。朱忠胜等[6]认为贵州养殖大鲵在IV龄时体重为(1 790.83±57.15) g、体长为(53.76±5.64) cm可被选为育苗，但是没有进一步分析适合育苗的亲体体型对产卵影响。达到性成熟年龄后的养殖大鲵，体重和体长对亲体产卵量的影响研究目前未见报道，大量文献多集中在大鲵孵化的外在条件调控。受精率和孵化率虽然与环境条件有关，但在人工技术条件不变情况下，产卵量越多，幼鲵的数量越多。因此选择合适的亲体获得最多的产卵量将会获得更大的经济效益。因此本研究通过利用体型(体重、体长等形态)性状特性，研究其对大鲵繁殖性能的影响，进而通过表型性状的选择达到苗种选择目的，具有重要的现实意义。

体长、体重是大鲵形态性状的重要指标，相关的研究多集中在体长和体重对大鲵性成熟年龄判别。本研究的模型表明，性成熟大鲵的体长和体重对亲体自身的产卵量有显著影响。一般鱼类的体长、体重和生殖力的影响都是正相关的[13,15]。本研究中GAM模型揭示性成熟子二代养殖大鲵亲体的体长越长，亲体的产卵量越高；相反，性成熟子二代养殖大鲵的体重越大，亲体的产卵量越少。原因可能是与大鲵的生长体型有关，如中华沙鳅(Botiasuperciliaris)的生殖力和体重、体长关系并不成正相关，和大鲵也不一样[19]。本研究的大鲵是性成熟后的子二代亲体，体重最小的是2 kg，最重的是15 kg。在体重小于6 kg的时候，随着子二代大鲵亲体的体重增加，产卵量变小，但变化不大。与产卵量最为密切的体长和体重分别在800～1000 mm和6000～7000 g，即子二代大鲵亲体的繁育种苗体长和体重在这个范围内，亲体的产卵量会最高。在孵化技术条件不变情况下，选择这个体长和体重区间范围内的苗种育苗，幼鲵的数量越多，经济效益也越高。

除了体长和体重对大鲵的繁殖产卵有影响外，本研究的GAM模型还表明，大鲵的胸围和肥满度对产卵量也有显著的影响。子二代大鲵的胸围在200～400 mm时，亲体的产卵量都是比较高的；但随着胸围的增长，产卵量变低。肥满度越高，养殖大鲵的产卵量越高。肥满度高的亲体产量高，可能与亲体摄入和吸收的营养多有关系。一般鱼类肥满度和产卵量没有明显相关性[15]，但泥鳅的肥满度和产卵量正相关[19]。这种差别可能同样与大鲵的生长体型有关。与产卵量最为密切的胸围和肥满度分别在350～400 mm和0.6～1。养殖大鲵的种苗选择在体重和体长基础上，还可以参考胸围和肥满度，选择最优的苗种，达到最大的产卵量。

综合上述，GAM模型揭示，子二代性成熟养殖大鲵亲体体型越苗条，即体长大、体重轻，以及胸围小，亲体的产卵量越高。此外肥满度越高的子二代亲体产卵量也越多。刘鉴毅等[20]研究表明，子一代雄鲵要比野生雄鲵苗条，肥满度高。而子一代雄鲵的成熟率、催产率明显高于野生雄鲵。精液量和精液质量也明显高于野生雄鲵。本研究表明子二代性成熟大鲵产量具有相似的特征。孙宇等[10]的研究指出，大鲵体内的激素变化对产卵和产精有影响，大鲵尿液中的雌二醇(E2)值较高时，催产率高，而且产卵量大；大鲵尿液中睾(T)值较低时，催产不产精子。因此子二代性成熟养殖大鲵体型苗条和肥满度高的亲体，可能体内E2较高，具体的需进一步研究。