西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)的形态差异分析

苗 懿 陈雨薇 赵仲孟 瞿炼石 刘 博 刘 钊武佳韵 黄小丽 杨世勇

(1. 四川农业大学动物科技学院, 成都 611130; 2. 雅安市农业农村局, 雅安 625000;3. 四川农业大学生命科学学院, 雅安 625014)

鲟是鲟形目(Acipenseriformes)鱼类的总称, 是世界上最古老的鱼类之一[1,2], 具有较高的经济价值[3,4]。20世纪90年代以前, 制作鱼子酱的鲟主要来源于野外捕捞。然而, 由于环境变化及过度捕捞等因素[5,6], 致使全球野生鲟资源量大幅下降, 难以满足市场需求。因此20世纪90年代初, 鲟的人工养殖开始兴起, 弥补了野生鲟资源下降给市场带来的影响。我国的鲟养殖始于1990年, 虽起步较晚但发展迅速, 2013年产量已占世界养殖总产量的85.3%,成为了世界第一鲟养殖大国[7], 且近年产量一直保持着稳中有升。

近年来, 随着鲟养殖产业的快速形成和发展,鲟的种业问题日益突显, 纯种鲟养殖存在生长速度减缓、疾病频发、鱼子酱品质下降等许多问题[6],因此良种选育工作迫在眉睫。杂交是育种广泛采用的手段之一, 主要是采用具有不同生物学特性的亲本进行种间或属间的杂交, 使不同类型亲本的优良性状得以结合, 从而获得杂种优势的新品种[8]。中国目前养殖的鲟种类有西伯利亚鲟(Acipenser baerii)、施氏鲟(Acipenser schrenckii)、达氏鳇(Huso dauricus)、俄罗斯鲟(Acipenser gueldenstaedtii)、小体鲟(Acipenser ruthenus)、闪光鲟(Acipenser stellatus)、匙吻鲟(Polyodon spathula)等[9]。其中施氏鲟和西伯利亚鲟为我国人工养殖的主要鲟种类, 施氏鲟仅分布于黑龙江水系, 是黑龙江的特有种和重要经济鱼类[9], 其个体大, 生长速度较快, 但抗病力较差, 不耐运输[10]。而西伯利亚鲟主要分布于中亚和东欧[5]及我国额尔齐斯河水系[9],其抗病力强, 耐运输, 但生长速度较慢[10]。结合以上两种鲟的特点, 我国于2007年前后成功培育出西伯利亚鲟(♀)×施氏鲟(♂)杂交F1(下简称“杂交种”),该杂交种在繁殖性能、生长速度、存活率、抗病性等方面, 较双亲有明显的优势[11], 自培育成功迅速在全国范围内推广养殖, 现已成为我国商品鲟养殖规模与产量较大的种类之一[10]。

由于鲟形目鱼类均为多倍体, 易进行种间杂交, 且杂交产生的后代种类繁多[12], 商品名称混杂,西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)的形态较为相似, 因此在生产中易造成混淆, 给养殖户带来一定的经济损失[12]。目前国际上对鱼类种质鉴定的方法主要包括形态学、生物化学和分子遗传学等[13,14], 但生化及分子标记等方法操作相对复杂, 不太适用于养殖户。因此, 需要一种操作方便、快速简单的鉴定方法以满足生产中对西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)进行鉴定的需求。形态学特征是杂交育种研究的重要指标之一, 也是育种的直接选择参数, 具有快速、简便、直观的优点,因此形态学鉴定是最基本最适合实际生产中的鉴定方法。同时, 通过形态鉴定对比亲本及其杂交子代的性状, 还可为性状遗传规律提供参考[15]。目前, 关于西伯利亚鲟(♀)×施氏鲟(♂)杂交F1的研究主要集中在生长性能[11]、肌肉品质[16]及生化遗传特性[17]等方面, 而有关该杂交种与其亲本之间的形态异同还未见报道。因此, 本文拟通过传统形态学方法、多变量形态度量学方法和统计学方法对西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)进行研究, 探讨其形态差异特点与规律, 为人工养殖条件下西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)的识别鉴定及优良性状选育等方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验鱼

本研究中西伯利亚鲟、施氏鲟及西伯利亚鲟(♀)×施氏鲟(♂)杂交F1均来自四川润兆渔业有限公司彭州军乐基地, 西伯利亚鲟、施氏鲟及杂交种为同时间段产卵受精, 经孵化、驯化后同池饲养。研究样本均为随机取样的相同养殖条件下的5月龄个体, 观测样本的数量和规格见表 1。

1.2 实验方法

外部形态特征的观察对3种鲟的形态、大小、颜色等进行观察, 并进行比较。

可量性状的测量实验鱼使用MS-222麻醉后进行称重、测量。框架示意图参考张世义等[9],框架参数(精确到0.01 cm)共15项, 框架定位点如图 1所示, 将两坐标点之间的直线距离分别用C1、表示, 得到15个框架结构性状数据。采用直尺和游标卡尺等分别测量吻长（A—B, C1）、眼径（B—C, C2）、头长（A—D,C3）、眼后头长（C—D, C4）、胸鳍长（D—L,C5）、体长（A—E, C6）、全长（A—F, C7）、尾鳍上叶长（E—F, C8）、鳍下叶长（E—G,C9）、尾柄长（H—E, C10）、体高（M—N,C11）、头高（O—N, C12）、尾柄高(C13)、眼间距(C14)、口裂(C15)、体重(C16)。

可数性状对每组样本进行计数, 计数项目有: 背鳍鳍条、胸鳍鳍条、腹鳍鳍条、臀鳍鳍条、背骨板、侧骨板、腹部骨板、鳃耙数。

1.3 数据处理

采用EXCEL 2016软件对西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)的体长和体重范围进行数据处理与分析。使用统计分析软件SPSS 20对西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)的可数性状差异进行单因素方差分析, 使用Games Howell检验对三者的可量性状进行多重比较分析。采用聚类分析、主成分分析、逐步判别分析和参数判别分析等多种多元分析方法对西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)的形态差异进行比较分析, 为消除样品规格大小对形态特征的影响, 将所有参数分别除以自身体长值予以校正, 得到7个形态特征比例性状, 分别对应设为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7, 再分别求出各组参数校正值的平均值使用SPSS 20软件进行分析。

表1 样本的数量和规格Tab. 1 The quantity and specification of the samples

参考曹栋正[18]的方法计算杂种指数。对可数性状计算杂种指数HI=100× (Hi-Mi1)/(Mi2-Mi1)。Hi:杂种平均值;Mi1:母本(西伯利亚鲟)平均值;Mi2:父本(施氏鲟)平均值。HI介于45与55之间属中间性状,HI＜45为偏母本性状,HI＞55为偏父本性状,HI＞100或HI＜0为超亲偏离性状。

2 结果

2.1 可数性状分析

西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种的可数性状统计见表 2。其中, 杂交种可数性状中的背鳍条数、胸鳍条数、臀鳍条数、腹鳍条数、背骨板数、侧骨板数、腹骨板数处于西伯利亚鲟与施氏鲟的中间范围, 且与两者都有重叠, 而鳃耙数和背鳍数三者均差异显著。对杂交种各可数性状杂种指数(HI)的计算显示, 杂交种胸鳍条数、侧骨板数、腹骨板数明显属于偏母本性状(HI＜45); 腹鳍条数明显属于偏父本性状(HI＞55); 背鳍条数、臀鳍条数偏离双亲性状(HI＞100或HI＜0); 背骨板数、鳃耙数为中间性状或接近于中间性状。因背鳍条数(HI=214.51)、臀鳍条数(HI=-46)偏离太远, 在除去背鳍条数、臀鳍条数HI后计算的杂交种可数性状HI平均值为41.22, 表明杂交种可数性状总体上偏向于母本。

图1 试验鱼框架示意图[9]Fig. 1 Frame schematic of samples[9]

2.2 可量性状分析

如表 3所示, 在七项可量性状中, 西伯利亚鲟与施氏鲟的体高/全长、尾柄长/全长、尾柄高/全长、吻长/全长呈显著差异(P＞0.05); 杂交种的尾柄长/全长、尾柄高/全长、吻长/全长、眼间距/全长与西伯利亚鲟差异显著(P＞0.05); 杂交种在体高/全长、吻长/全长、眼间距/全长与施氏鲟差异显著(P＞0.05)。其中, 杂交种的吻长/全长、眼间距/全长与双亲差异显著(P＞0.05, 表 4、图 2)。在杂种指数方面, 杂交种体高/全长(HI=-18.06)、眼间距/全长(HI=-200.35)头长/全长(HI=234.45)、尾柄长/全长(HI=111.82)、尾柄高/全长(HI=122.41)属超双亲偏离性状。除体高/全长、尾柄长/全长、眼间距/全长、头长/全长、尾柄高/全长外, 杂交种可量性状HI平均值为48.02, 显示杂交种部分可量性状属中间性状。

2.3 聚类分析

对西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种样本进行形态比例参数聚类分析, 基于平方欧氏距离的聚类分析显示(图 3), 西伯利亚鲟先与杂交种聚为一类,再与施氏鲟相聚。

2.4 主成分分析

经主成分分析共提取了3个主成分, 对变异的累积贡献率为65.68%。其中, 主成分1的贡献率为25.09%, 主成分2的贡献率为20.87%, 主成分3的贡献率为19.73% (表 4)。在主成分1上载荷较大的性状有眼间距/全长、尾柄高/全长、口裂宽/全长、吻长/全长, 主成分2上载荷较大的性状有体高/全长、尾柄长/全长, 主成分3上载荷较大的性状有头长/全长、吻长/全长。

2.5 判别分析

经逐步判别分析得到贡献最大的5个参数, 分别为体高/全长、尾柄长/全长、尾柄高/全长、吻长/全长、眼间距/全长, 分别为A1、A3、A4、A5、A6。采用这5个比例性状构建的判别公式如下:

表2 西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种F1的可数性状Tab. 2 Meristic data of A. baerii, A. schrenckii and their hybrid

(1)西伯利亚鲟:Y=730.806A1+362.207A3+2484.778A4+1832.327A5+473.854A6-227.471

(2)杂交种:Y=761.107A1+287.676A3+1909.958A4+1708.664A5+453.932A6-193.642

(3)施氏鲟:Y=986.354A1+284.827A3+1580.425A4+1495.226A5+686.930A6-200.078

上列判别公式对分类总体预测准确率为85.6%, 其中对西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种判断的准确率分别为83.3%、93.3%、和80% (表 5)。判断3种鱼所属种类时, 将所测数据经校正后代入公式, 函数值最大的即为其所属。

表3 西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种形态特征的多重比较分析Tab. 3 Multiple comparative analysis of morphological features of seven traits on A. baerii, A. schrenckii and their hybrid

图2 西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种(西伯利亚鲟♀×施氏鲟♂)对比图Fig. 2 Contrast charts of Acipenser baerii, Acipenser schrenckii and their hybrids (A. baerii♀× A. schrenckii♂)

3 讨论

鲟为多倍体易进行杂交, 所以导致了大量杂交鲟的存在, 这些杂交鲟较难区分, 目前国内外也尚未形成比较完善可行的鲟种质鉴定体系。鱼类的种质鉴定方法既有传统的形态学方法也有最新的分子生物学手段, 胡佳等[19]采用微卫星分子标记结合线粒体控制区同源序列比对的方法鉴别出了施氏鲟、达氏鳇及其正反杂交子代。虽然分子生物学方法可以对鲟进行鉴定, 但其操作及分析较为复杂, 不适合用于实际生产。形态学方法是通过不同的种群具有不同的形态学特征, 主要包括可数性状和可量性状来进行种质鉴定的, 与分子方法相比更加简便快速。张颖等[20]就采用了形态学和多变量形态度量方法, 对施氏鲟、达氏鳇及其杂交种(达氏鳇(♀)×施氏鲟(♂))进行了形态差异及判别分析,发现可通过头长、吻长及口裂宽等头部性状鉴别区分达氏鳇、施氏鲟及达氏鳇(♀)×施氏鲟(♂)杂交子代。本实验采用了传统的形态学方法、多变量形态度量学方法和统计方法对西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种进行鉴定。通过对比西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种的可数性状发现, 杂交种的背鳍条数、胸鳍条数、臀鳍条数等均与西伯利亚鲟、施氏鲟两者有重叠, 难以区分出杂交种, 而鳃耙数和背鳍数在西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种三者间均具有显著差异。但对活体进行鳃耙数的观察及计数时操作极为不便, 因此生产中难以将鳃耙数目作为用来区分3种鲟的可行性指标。所以将背鳍数作为区分西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种的指标之一更为可行。然而相对于达氏鳇而言, 施氏鲟与西伯利亚鲟同属鲟属, 其物种间形态差异相对较小, 因此在对施氏鲟、西伯利亚鲟及其杂交种进行形态鉴别时不能只以少数指标鉴别, 而要用多项参数进行综合判别。

图3 西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种聚类分析图Fig. 3 Cluster analysis of A. baerii, A. schrenckii and their hybrid

表4 七个可量性状主成分分析因子载荷值及贡献率Tab. 4 Loading values and contribution rate of principle component in seven traits

表5 判别函数对观测样本的预测分类及准确率Tab. 5 Predicted classification of discriminant functions for observed sample and their percentages of accuracy

通过主成分分析可以把许多参数综合成少数因子来说明不同种类的差异大小, 并根据不同种类的主成分值找出各种类在各主成分值上差异较大的参数[21]。由于不同种鲟的生长速度不同, 随着年龄的增加, 鱼体是成比例地增加的[21], 为保证用于比较分析的可量性状具有可比性, 本研究中选择使用可量性状的比值进行主成分分析, 结果显示载荷较大的性状主要集中在头部及尾部。此外, 对可量性状的多重比较分析结果显示西伯利亚鲟和施氏鲟的体高/全长、尾柄长/全长、尾柄高/全长、吻长/全长呈显著差异, 判别分析构建的判别公式中贡献较大的变量也多分布于头部及尾柄。因此, 头部及尾柄的形态差异是区别西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种形态特征的主要依据。同时已有研究表明西伯利亚鲟、施氏鲟分别于23—57日龄、38日龄器官分化完全, 各骨板分化并发育, 在形态上逐渐完成向成鱼的转变, 进入稚鱼期, 形态基本与成鱼一致[22—24]。本研究中所选用三种鲟均为5月龄, 因此对于其他较大年龄的三种鱼形态差异区分也具有一定参考价值。

本研究中主成分分析共提取的3个主成分对变异的累积贡献率为65.68%, 而刘苏等[25]采用形态学和框架分析法对斑鳢(♀)、乌鳢(♂)及其杂交种的形态差异和判别分析中的主成分分析累积贡献率也相对较低。其原因可能是施氏鲟和西伯利亚鲟、斑鳢和乌鳢均为同属下的近缘种, 种间形态差异本身不大, 从而导致累积贡献率不高。此外判别分析是鱼类形态鉴别的常用方法, 判别分析可以建立判别公式, 对不同种类进行判别[26,27]。本研究中构建了3个判别公式, 对分类总体预测准确率为85.6%, 可能也由于其亲本及杂交种间自身差异不大, 因此较难以判别。

多项研究表明杂交后代受母本影响大, 很多性状更偏向母本[28]。本研究也发现了类似的现象, 从杂交指数看, 西伯利亚鲟(♀)×施氏鲟(♂)杂交F1的可数性状总体上偏向母本, 同时聚类分析结果也显示西伯利亚鲟与西伯利亚鲟(♀)×施氏鲟(♂)杂交F1距离较近, 因此该杂交种的一些性状可能受到母体效应的影响。

综上所述, 吻长、眼间距、尾柄等性状的相关参数是区分西伯利亚鲟、施氏鲟及其杂交种的重要形态学依据。但由于环境和习性等原因, 可能导致这几种鲟的生长速度有所差异, 关于西伯利亚鲟与施氏鲟杂交种的种质鉴定可通过分子标记等方法进一步完善。