塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼多变量形态学分析

杨天燕，孟 玮，郭 焱，马燕武，谢春刚，高天翔

（1.浙江海洋大学水产学院，浙江舟山 316022；2.新疆维吾尔自治区水产科学研究所，乌鲁木齐 830000）

塔里木裂腹鱼Schizothorax biddulphi和厚唇裂腹鱼S.irregularis为鲤科Cyprinidae、裂腹鱼亚科Schizothoracinae、裂腹鱼属Schizothorax鱼类，中国境内仅分布于新疆维吾尔自治区塔里木河水系的湖泊和河道静水水体中，上世纪五、六十年代曾以博斯腾湖种群数量最大，一度占该湖渔获物组成的80%[1-2]。由于生长缓慢、性成熟晚、繁殖力低以及对生活环境要求较高等自身因素制约，加之近年来生态环境破坏和人为干扰影响，导致塔里木裂腹鱼栖息水域范围不断缩小、自然种群资源遭到破坏，目前仅在塔里木河水系的阿克苏河、渭干河、叶尔羌河、和田河等有一定数量分布[1-4]，厚唇裂腹鱼的种群数量也为数不多，主要分布于塔什库尔干河和托什干河上游[1]。塔里木裂腹鱼于1998年被《中国濒危动物红皮书》收录[5]，之后又被列入新疆维吾尔自治区二级保护野生动物目录，是塔里木河流域重要珍稀鱼类之一。

塔里木裂腹鱼是仅分布于我国塔里木河水系的标志性物种，迄今为止相关研究包括了资源分布调查研究、生理生态学、遗传学、人工繁殖技术及病害防治等领域[3，6-15]，而厚唇裂腹鱼的研究更是鲜有报道。形态分析是生物系统学及其多样性研究中的重要组成部分。传统的形态学分析主要是可数和可量性状的比较，物种有效鉴定范围仅局限于种间及种上水平，而在同一物种不同地理种群间的鉴定方面缺乏说服力[16]。自1982年美国密歇根大学STRAUSS,et al[17]提出了鱼类框架结构（Truss Network）形态度量学方法后，越来越多的学者将该方法应用于鱼类表型特征的研究，从多维空间的角度来度量鱼类外部特征。本文将多变量形态度量和框架结构形态度量相结合，通过多变量解析、单因子方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）等方法，对采集的新疆塔里木盆地南部和田河两支流——喀拉喀什河和玉龙喀什河的塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼群体形态学差异进行比较分析，研究结果为进一步了解该流域塔里木裂腹鱼种群差异及其与厚唇裂腹鱼的不同种间差异提供借鉴，同时也为新疆维吾尔自治区裂腹鱼类生物学背景研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

测定用塔里木裂腹鱼于2010年4-5月间采自新疆和田河两支流——喀拉喀什河和玉龙喀什河，样本数分别为30尾和16尾；厚唇裂腹鱼于同时段采自喀拉喀什河，样本数21尾。所有样本经无水乙醇固定后带回实验室进行形态学测量。

1.2 形态学测定

分析借鉴了相关形态学研究文献资料，选择10个不同的解剖学同源坐标点构建测定框架结构。每尾样本分别测定了10个传统形态参数和23个框架结构参数，相关形态学测定指标详如图1。用游标卡尺和电子天平进行长度和重量的测定，获得了3个裂腹鱼群体67尾个体总计2 211个形态学数据。

图1 框架结构测量图Fig.1 Drawing for measuring truss network

1.3 数据处理

运用Excel软件绘制塔不同群体的体长-体重关系图。SPSS 19.0软件选择两两比较的单因子方差分析方法（One-way Analysis of Variance），通过最小显著性差异法（Least-significant difference，LSD）和Tamhane’s T2多重比较进行群体间形态差异分析，对测定的形态参数进行主成分分析，根据特征值计算不同主成分的负荷值和累积贡献率，将较高得分值的主成分绘制散布图。对所有特征变量值进行逐步判别分析（Stepwise discriminant analysis），并基于费歇尔线性判别法（Fisher’s linear discriminant analysis）建立塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼群体的判别公式。

其中，k为群体数量，Ai为第i个群体中判别正确的个体数量，Bi为第i个群体的实测个体数量。

2 结果

2.1 生长特性

塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼体长与体重关系散点图，如图2所示，可以看出二者回归曲线呈幂指数关系，具体计算公式为：采自于喀拉喀什河的塔里木裂腹鱼群体W=0.018 6 L2.84（r=0.8710）；采自于玉龙喀什河的塔里木裂腹鱼群体W=0.014 L3.0077（r=0.950 7）；采自于喀拉喀什河的厚唇裂腹鱼群体W=0.041 2 L2.4889（r=0.951 2）。其中W代表体重（g），L代表体长（cm），r代表相关性系数。

图2 塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼体长-体重关系图Fig.2 The relationships between body-length and bodyweight in S.biddulphi and S.irregularis

2.2 单因子方差分析

为了避免大小不同对结果造成的影响，首先将参数值除以体长予以校正。采用SPSS19.0对变量进行One-way ANOVA分析和多重比较，当变量满足方差齐性时，采用LSD法进行分析，当变量不满足方差齐性时，采用 Tamhane’s T2 法。31 组变量的单因子方差分析结果（P=0.05）见表 1，其中 A2、A5、A9、A18、A19变量的差异极显著（P＜0.01），A3、A8、A17、A20、A28、A30 变量的差异显著（P＜0.05）。

对不具有方差齐性的两个变量A17和A20采用Tamhane’s T2法比较，剩余变量采用LSD法。结果显示塔里木裂腹鱼两群体间在A8、A9、A17、A20、A25、A28这6个变量上存在差异，而两种裂腹鱼之间的差异仅表现在A2、A3、A18、A19这4个变量上。

2.3 主成分分析

采用SPSS软件统计了形态学性状的主成分载荷值。第1主成分A19、A18、A30和A2载荷量较大，反映了头部特征；第2主成分A24、A25、A26和A27载荷量较大，反映了背鳍-臀鳍关系特征；第3主成分A23、A7、A22和A1载荷量较大，反映了高度特征。

主成分分析得到两种裂腹鱼特征值和累积贡献率，前三个主成分特征值分别为5.336、4.540和3.114，累积贡献率分别为17.21%、31.86%和41.90%。前三个主成分的三维散布图显示两种裂腹鱼基本可以形成独立组群，且大体上呈现出塔里木裂腹鱼2个群体偏向于横坐标轴左侧、而厚唇裂腹鱼群体靠近橫坐标轴右侧的大体趋势，如图3所示。

图3 塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼形态特征的前三个主成分散布图Fig.3 Scatter plots of scores on the first three morphological characters in S.biddulphi and S.irregularis

2.4 判别分析

采用逐步判别法对两种裂腹鱼类31个特征变量分别进行判别分析，得出塔里木裂腹鱼64个实测个体中，存在3个判别错误的个体，判别准确率为93.48%；厚唇裂腹鱼21个实测个体中，存在2个判别错误的个体，判别准确率为90.48%，全部个体的综合判别率为92.54%。构建判别公式如下：

表1 塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼31组形态特征变量的单因子方差分析（Mean±SD，P＝0.05）Tab.1 One way ANOVA of thirty-one morphologic characteristic variables in S.biddulphi and S.irregularis(Mean±SD，P＝0.05)

塔里木裂腹鱼：

厚唇裂腹鱼：

2.5 聚类分析

采用Ward最小方差法，对3个群体的两种裂腹鱼类全部31个特征变量的平均值进行聚类分析，构建系统关系树，如图4所示。图中纵轴A、B、C分别代表喀拉喀什河塔里木裂腹鱼群体、玉龙喀什河塔里木裂腹鱼和喀拉喀什河厚唇裂腹鱼，横轴表示距离参数。从图中可以看出，两个群体的塔里木裂腹鱼首先聚类，再与厚唇裂腹鱼群体聚类。进一步对两种裂腹鱼67个个体分别聚类（图5），纵轴左侧为群体代号（1-喀拉喀什河塔里木裂腹鱼群体、2-玉龙喀什河塔里木裂腹鱼，3-喀拉喀什河厚唇裂腹鱼），右侧为样本编号，横轴为距离参数。聚类图显示所有个体也分成两支，在去除判别错误的个体前提下，一支主要为厚唇裂腹鱼，而另一支绝大多数由塔里木裂腹鱼构成，且该支进一步分成两亚支，分别对应两个支流的群体。

图4 三个群体裂腹鱼聚类关系图Fig.4 The dendrogram of three populations

图5 基于全部个体形态学变量的聚类关系树Fig.5 Clustering tree based on morphological variables of all individuals

3 讨论

根据对鱼类体长与体重关系的研究，参数b值不等于3时鱼类呈异速增长，参数a值越大鱼体越肥满度越高[18-19]。本实验中，采自玉龙喀什河的塔里木裂腹鱼体长-体重关系曲线b值接近3，几乎为等速生长；其余两个群体b值均不等于3，提示喀拉喀什河塔里木裂腹鱼群体和厚唇裂腹鱼群体均为异速生长。从代表鱼体肥满度指标的a值来看，塔里木裂腹鱼均小于厚唇裂腹鱼，表明相比塔里木裂腹鱼而言，厚唇裂腹鱼更肥硕，推测造成这种差异的原因可能与两种裂腹鱼食性有关。前者主要以底栖动物、碎屑和藻类为食，属偏动物性杂食性鱼类[8]，后者主要摄食附着砾石上的丝状藻类、硅藻以及有机碎屑等，属偏植物性杂食鱼类[20]。对比发现喀拉喀什河和玉龙喀什河的塔里木裂腹鱼群体体长、体重差异不大，推测或许与不同河流的水质和饵料生物组成以及地理环境条件相似有一定关系。

一个正常的鱼类种群是由于处于不同生长期、不同年龄段的若干个体组成的，在资源利用过程中，需要了解该区域内鱼类种群的结构以维持种群的稳定。本研究通过测量发现，塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼个体的体长范围多集中在95～120 mm间，未见到较大个体。这一方面与高原溪流或湖泊等严峻环境中生活的裂腹鱼类生长缓慢、性成熟较迟、繁殖力低有关，另一方面也与捕捞压力过大，造成种群年龄组成偏小有关。因此，有关部门有必要进一步加强渔业管理，控制捕捞强度以避免破坏正常的种群结构。此外，近年来在和田河上游修建的各类水利工程设施，对该流域水生态系统的完整性、生物多样性产生长时间、叠加累积的综合影响，造成了裂腹鱼类自然分布种群数量明显下降以及个体小型化、低龄化，建议在鱼类调查的基础上进行两河段鱼类资源保护措施的研究工作，采取如设置鱼类增殖站和拦鱼设施等措施对鱼类进行保护。

吻部和下唇的差异是塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼进行形态学鉴定的主要特征，塔里木裂腹鱼吻尖、下唇窄、唇后沟中断，厚唇裂腹鱼吻钝、下唇肥大、中央不连续。One-way ANOVA结果显示，塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼的31个特征变量中，有5个变量表现出极显著差异，6个变量表现出显著差异，仅占总变量的16%和19%，结果表明这两种鱼外部形态差异较小。在主成分散点图中，塔里木裂腹鱼群体和厚唇裂腹鱼群体虽然形成相对独立的组群，但个体间存在交叉散布现象，该结果也同样说明了这一问题。

判别分析法又称为分辨法，是依据已有研究对象的特征值，去判别该物种类型归属的多变量统计分析方法[21]。本研究通过逐步判别法对两种裂腹鱼类特征变量进行判别，结果显示，塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼群体的判别成功率为均达到90%以上，识别度较高。进一步采用离差平方和法，基于形态学特征变量平均值构建了聚类关系树，可以看出，基于个体差异的聚类存在一定的交叉，这与主成分分析结果相一致。而群体聚类的结果则能更好的反映出种间差异。

几何形态测量法已广泛应用于医学、考古学、人类学和脊椎动物学等领域，近年来在鱼类种群鉴定和遗传差异比较方面也有较多应用。程起群等[22]采用形态学手段对刀鲚和湖鲚种群进行了差异判别，认为二者是同种内的不同地理种群，还没有达到亚种分化水平；高天翔等[23]对采自中国沿海7个群体的斑尾复鰕虎鱼进行了形态学分析，结果显示7个群体分为差异极显著的两组，分析结果与地理分布不一致，推测斑尾复鰕虎鱼群体形态特征的影响主要来自于大小和繁殖季节，而地理距离的影响不大；孟立霞[24]运用多变量形态度量学方法，对雅砻江5种（亚种）裂腹鱼类间的形态学差异进行了研究，为西南地区裂腹鱼类系统分类提供了基础资料。

在漫长的适应进化过程中，鱼类形态学性状（包括外部形态与内部构造）伴随着其栖息地环境的改变而不断发生分化，这也是鱼类在生活习性和生理机能对自然条件长期适应的结果。曹文宣等[25]在对青藏高原鱼类起源和进化研究过程中指出，青藏高原独特的鱼类区系形成和分化是伴随着青藏高原急剧隆升而产生的。受到地理隔离和生境改变的影响，或是适应的食物或水文条件产生变化，最终造成了裂腹鱼类属内种间的分化[25-26]。生物性状的表现除了受到环境因素的制约外，遗传物质更起到关键性影响，因此，可以说环境和遗传共同作用决定了生物的个体形态差异。本研究从形态学角度，采用多变量形态学测量方法对分布于新疆喀拉喀什河和玉龙喀什河的塔里木裂腹鱼和厚唇裂腹鱼进行了初步研究，得到的数据和结果十分有限，后续有必要进一步扩大采样规模和数量，结合染色体核型分析、同工酶/蛋白质电泳分析及DNA序列测定等手段进行探讨，后续研究结果将为新疆地区裂腹鱼类保护和分类研究提供更多参考。