劉必林 陳新軍① 方 舟 金 岳

(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院 上海 201306;2.國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心 上海 201306;3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201306;4.遠(yuǎn)洋漁業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 上海 201306)

劍尖槍烏賊 Uroteuthis edulis、杜氏槍烏賊Uroteuthis duvauceli、金烏賊Sepia esculenta、曼氏無針烏賊Sepiella maindroni、短蛸Octopus ocellatus是我國沿海主要經(jīng)濟(jì)頭足類,常見于沿海漁市。角質(zhì)顎是位于頭足類口球內(nèi)的幾丁質(zhì)硬組織,由上顎和下顎兩部分組成,其穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的耐腐性使其在頭足類的分類鑒定中起著重要作用(劉必林等2009)。傳統(tǒng)的分子生物學(xué)方法判別頭足類的種類實(shí)驗(yàn)操作比較復(fù)雜,并且在分類地位比較相近的種類的判別上不明顯,而利用角質(zhì)顎形態(tài)來判別頭足類的種類和種群要便捷許多(Kassahn et al,2003 Doubleday et al,2009)。自Clarke(1962)首先對頭足類的角質(zhì)顎形態(tài)進(jìn)行了描述以來,全世界各大洋累計(jì)共有39科240多種頭足類的角質(zhì)顎形態(tài)特征得到了描述和測定(Xavier et al,2007)。隨之而來的是,角質(zhì)顎長度被廣泛用于柔魚類、槍烏賊類、烏賊類和蛸類的種類鑒定。

我國在大洋性柔魚類的角質(zhì)顎中開展了一些相關(guān)研究(劉必林等,2010;李思亮等,2010;Chen et al,2012),而對近海的頭足類的相關(guān)報(bào)道還很缺乏(鄭小東等,2002),其研究還需要加強(qiáng)。因此,本文通過分析我國近海幾種常見經(jīng)濟(jì)頭足類角質(zhì)顎的長度特征,并根據(jù)其長度的差異對頭足類的種類進(jìn)行判別,目的旨在開啟我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究,同時為我國近海頭足類的種類判別提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料來源

研究樣本為2013年8月采集于舟山市沈家門東河菜場,共獲劍尖槍烏賊樣本49尾(雌性25尾,雄性24尾)、杜氏槍烏賊樣本51尾(雌性5尾,雄性46尾)、金烏賊樣本57尾(雌性35尾,雄性22尾)、曼氏無針烏賊樣本 55尾(雌性 36尾,雄性 19尾)和短蛸樣本39尾(雌性6尾,雄性33尾)。

1.2 角質(zhì)顎長度測量

樣本在實(shí)驗(yàn)室解凍,利用米尺測量胴長(精度1cm),電子天平稱取體重(精度 1g),并用鑷子取出各種頭足類的角質(zhì)顎,放入75%的酒精中保存,利用游標(biāo)卡尺(精度 0.01mm)對角質(zhì)顎形態(tài)進(jìn)行測量。角質(zhì)顎由上顎和下顎兩部分組成,兩者均包括喙部、頭蓋、脊突、翼部、側(cè)壁等部分。測量的形態(tài)參數(shù)依據(jù)劉必林等(2009,2010): 頭蓋長(hood length,HL),即為喙頂端至頭蓋后緣末端長;脊突長(crest length,CL),即為喙頂端至脊突后緣末端長;喙長(rostrum length,RL),即為喙頂端至顎角末端長;側(cè)壁長(lateral wall length,LWL),即喙頂端至側(cè)壁后緣末端長;翼長(Wing length,WL),即為顎角至翼部前緣末端長(圖1)。

圖1 角質(zhì)顎形態(tài)參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the measurement of the beak morphometric variables

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用逐步判別分析法(stepwise discriminant analysis,SDA)和主成分分析法(principal component analysis,PCA)分析各種頭足類之間以及槍烏賊類和烏賊類的種間角質(zhì)顎長度差異,并據(jù)此判定各種頭足類。為了消除個體大小對角質(zhì)顎長度的影響,標(biāo)準(zhǔn)化后的角質(zhì)顎長度數(shù)據(jù)也被應(yīng)用于SDA和PCA分析中。標(biāo)準(zhǔn)化時,選擇UHL作為自變量,其余9個角質(zhì)顎長度指標(biāo)作為因變量與之建立線性關(guān)系:

式中,y為除UHL之外其余9個角質(zhì)顎長度指標(biāo);a和b為估算參數(shù),ε～ N (0,σ2)表示殘差相符合正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)化后的角質(zhì)顎長度指標(biāo)可由公式轉(zhuǎn)化后獲得:標(biāo)準(zhǔn)化后9個角質(zhì)顎長度指標(biāo)分別記為UCLs、URLs、ULWLs、UWLs、LHLs、LCLs、 LRLs、LLWLs和 LWLs。

1.4 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

單因素方差分析(Univariate analyses of variance,ANOVA)和多因素方差分析(multivariate analysis of variance,MANOVA)用來檢驗(yàn)不同種類之間的角質(zhì)顎長度差異。利用判別分析的前兩個判別函數(shù)系數(shù)及其均值計(jì)算 95%橢圓置信區(qū)間,95%橢圓置信區(qū)間由R2.13.1軟件計(jì)算。運(yùn)用棄一法交叉驗(yàn)證法(leave-oneout cross-validation,又稱折疊再分類法 Jackknife reclassification procedure)檢驗(yàn)種類劃分的成功率。

2 結(jié)果

2.1 角質(zhì)顎長度種間差異

方差分析顯示,劍尖槍烏賊、杜氏槍烏賊、金烏賊、曼氏無針烏賊和短蛸等5種頭足類角質(zhì)顎各部的長度差異顯著(ANOVA: P＜0.001)。從角質(zhì)顎各部的長度可看出金烏賊的角質(zhì)顎尺寸最大,其次為杜氏槍烏賊和曼氏無針烏賊,再次為劍尖槍烏賊,短蛸的角質(zhì)顎尺寸最小(表1)。

2.2 角質(zhì)顎長度判別分析

SDA分析顯示,10個角質(zhì)顎原始長度指標(biāo)中僅ULWL、UHL、LCL、LWL、LHL、LLWL、UCL 被用于最終的判別分析,由典型相關(guān)系數(shù)(表 2)和Wils’s λ(表 3)分析可得 ULWL、UHL、LCL 貢獻(xiàn)了絕大部分種間差異。5種頭足類總的判別成功率為96.2%,其中金烏賊和短蛸的判別成功率為100%,劍尖槍烏賊、杜氏槍烏賊和曼氏無針烏賊依次為98.0%、86.3%和 96.5% (表 4,圖2a)。

表1 五種頭足類角質(zhì)顎長度(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab 1 The beak morphometric variables of 5 cephalpods

表2 五種頭足類角質(zhì)顎長度逐步判別分析標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Tab.2 Canonical discriminant function (DF)coefficients for DF1,DF2,DF3 and DF4 for each morphometric variables used in the discriminant function analysis for 5 cephalopods

表3 基于角質(zhì)顎長度的逐步判別分析結(jié)果Tab.3 Summary of stepwise discriminant analysis showing the order of variables to entry and the successful discrimination rate for the five species in beak morphometrics

表4 基于角質(zhì)顎長度的頭足類種類判別成功率Tab.4 The successful discrimination rate for the five species in beak morphometrics

圖2 五種頭足類角質(zhì)顎原始長度(a)及標(biāo)準(zhǔn)化長度(b)判別分析函數(shù)系數(shù)散點(diǎn)圖Fig.2 Canonical discriminant plots of initial (a)and standardized (b)beak morphometric variables for 5 cephalopods

SDA分析顯示,槍烏賊類(劍尖槍烏賊和杜氏槍烏賊)以及烏賊類(金烏賊和曼氏無針烏賊)種間的判別成功率為100%(表5);PCA分析顯示,根據(jù)角質(zhì)顎長度差異可以將劍尖槍烏賊與杜氏槍烏賊以及金烏賊與曼氏無針烏賊完全分開(圖3)。

2.3 角質(zhì)顎標(biāo)準(zhǔn)化長度判別分析

SDA分析顯示,10個角質(zhì)顎標(biāo)準(zhǔn)化長度指標(biāo)中僅 LRLs、LWLs、ULWLs、URLs、UWLs、LCLs、UCLs、LHLs和 LLWLs被用于最終的判別分析,由典型相關(guān)系數(shù)(表 6)和 Wils’s λ(表 7)分析可得 LRLs和LWLs貢獻(xiàn)了絕大部分種間差異。5種頭足類總的判別成功率為100.0% (表8,圖2b)。

SDA 分析顯示,槍烏賊類(劍尖槍烏賊和杜氏槍烏賊)以及烏賊類(金烏賊和曼氏無針烏賊)種間的判別成功率為100%(表9);PCA分析顯示,角質(zhì)顎標(biāo)準(zhǔn)化長度差異可以將劍尖槍烏賊與杜氏槍烏賊以及金烏賊與曼氏無針烏賊完全分開(圖4)。

3 討論

角質(zhì)顎作為頭足類少數(shù)硬組織之一,形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,它在頭足類,尤其屬以上單元的分類鑒定中起著重要作用(劉必林等,2009)。柔魚類、槍烏賊類、烏賊類和蛸類等 4種主要頭足類的角質(zhì)形態(tài)差異明顯(董正之,1991)。槍烏賊類(劍尖槍烏賊、杜氏槍烏賊)的上顎頭蓋弧度較圓,下顎顎角較大,頭蓋和側(cè)壁均較狹窄;烏賊類(金烏賊、曼氏無針烏賊)的上顎顎角比較平直,下顎顎角更大,頭蓋和側(cè)壁均較狹窄;蛸類(短蛸)的上顎喙和頭蓋均甚短,脊突尖狹,下顎喙也甚短,頂端鈍,側(cè)壁更為狹窄。然而,角質(zhì)顎形態(tài)特征在種這一分類水平的鑒定作用顯得有些復(fù)雜,它需要研究者們對角質(zhì)顎各部的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行一一判別,甚至有些相近的種類之間的角質(zhì)顎形態(tài)特征完全沒有差異,因此,角質(zhì)顎形態(tài)測量學(xué)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這些不足(Clarke,1962,1986)。例如,研究認(rèn)為,槍烏賊類角質(zhì)顎的種間差異極其微小,因此只能通過角質(zhì)顎某些部位的長度差異才能將其相互區(qū)分(Pineda et al,1996)。根據(jù)角質(zhì)顎的形態(tài)和長度特征,部分大洋及海域的頭足類得到了鑒定,例如,西班牙臨比戈灣(Clarke et al,1974)、南非海域(Smale et al,1993)、西北太平洋(Kubodera et al,1987)、澳大利亞南部(Lu et al,2002)以及南大洋(Xavier et al,2009)等。

近年來,業(yè)內(nèi)的學(xué)者們不斷嘗試通過角質(zhì)顎長度來鑒定那些分類地位相近、棲息環(huán)境相似的頭足類(Martínez et al,2002;Vega et al,2002;許嘉錦,2003)。本文研究發(fā)現(xiàn),角質(zhì)顎長度同樣適合用來判定我國近海的頭足類,逐步判別分析結(jié)果顯示,判別成功率高達(dá) 96.2%以上。然而,與之相比,標(biāo)準(zhǔn)化后的角質(zhì)顎長度更適合用作種類的判定,其判別成功率達(dá)到了 100%。由于標(biāo)準(zhǔn)化后的角質(zhì)長度,排除了頭足類個體自身大小對其角質(zhì)長度的影響,因此判定效果更準(zhǔn)確、更有效,這在以往的研究中得到了充分證明(Vega et al,2002;Lefkaditou et al,2004;李思亮等,2010;Chen et al,2012;Liu et al,2015)。角質(zhì)顎長度用于區(qū)分分類地位上相近的種類來說同樣效果較好,PCA分析顯示,槍烏賊類(劍尖槍烏賊和杜氏槍烏賊)以及烏賊類(金烏賊和曼氏無針烏賊)種間的判別成功率達(dá)到 100%。盡管如此,角質(zhì)顎長度來常被用作頭足類的種群鑒定(Vega et al,2002;Kassahn et al,2003;Doubleday et al,2009)。Vega 等(2002)根據(jù)角質(zhì)顎長度分析顯示,采自太平洋和大西洋的巴塔哥尼亞槍烏賊Loligo gahi分屬3個不同種群。Kassahn等(2003)和 Doubleday等(2009)根據(jù)分子標(biāo)記以及角質(zhì)顎和內(nèi)殼的形態(tài)分別分析了澳大利亞巨烏賊 S.apama和毛利蛸O.maorum復(fù)雜的種群結(jié)構(gòu)。李思亮等(2010)認(rèn)為角質(zhì)顎長度差異可用來劃分北太平洋柔魚群體;在此基礎(chǔ)上,Fang等(2014)通過角質(zhì)顎和耳石長度的綜合判別分析,將北太平洋柔魚劃分為東部和西部兩個群體。Liu等(2015)根據(jù)角質(zhì)顎長度對莖柔魚潛在的地理種群進(jìn)行了劃分,判別成功率達(dá)到 89.5%。除此之外,研究還顯示,角質(zhì)顎長度用作頭足類的性別鑒定也有一定的效果,例如,鑒定莖柔魚性別的成功率超過 60% (Liu et al,2015)。

表5 基于角質(zhì)顎長度的槍烏賊和烏賊類種間判別成功率、Wilks’ λ和P值Tab.5 Successful discrimination rate,Wilks' λ and P for loliginids and cuttlefishes with beak morphometric variables

圖3 基于角質(zhì)顎長度的槍烏賊和烏賊類主成分分析因子散點(diǎn)圖Fig.3 Plot of factorial scores of PCA made with beaks morphometric variables of loliginids and cuttlefishes with beak morphometric variables

表6 五種頭足類角質(zhì)顎標(biāo)準(zhǔn)化長度典型判別分析標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Tab.6 Canonical discriminant function (DF)coefficients for DF1,DF2,DF3 and DF4 for each standardized morphometric variables used in the discriminant function analysis for 5 cephalopods

表7 基于角質(zhì)顎標(biāo)準(zhǔn)化長度的逐步判別分析結(jié)果Tab.7 Summary of stepwise discriminant analysis showing the order of variables to entry

表8 基于角質(zhì)顎長度的頭足類種類判別成功率Tab.8 The successful discrimination rate for the five species based on standardized beak morphometric variables

表9 基于角質(zhì)顎標(biāo)準(zhǔn)化長度的槍烏賊和烏賊類種間判別成功率、Wilks’ λ和P值Tab.9 Successful discrimination rate,Wilks' λ and P for loliginids and cuttlefishes with standardized beak morphometric variables

圖4 基于角質(zhì)顎標(biāo)準(zhǔn)化長度的槍烏賊和烏賊類主成分分析因子散點(diǎn)圖Fig.4 Plot of factorial scores of PCA made with beaks morphometric variables of loliginids and cuttlefishes with standardized beak morphometric variables

由于頭足類的軟體組織形態(tài)不夠穩(wěn)定,因此用作種類或種群判定的效果不好(Martínez et al,2002)。此外,其另外一個重要缺陷就是化學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、極易腐蝕,這對樣品的保存、獲取途徑等要求極高。然而,角質(zhì)顎不僅形態(tài)特征明顯,而且其化學(xué)結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定(Miserez et al,2007)、極耐腐蝕,常殘留于頭足類捕食者的胃中,是大型捕食動物食性分析的理想材料(Xavier et al,2011)。因此,在缺少其它分類性狀,尤其對捕食動物的胃含物分析時,角質(zhì)顎的形態(tài)是頭足類分類鑒定的重要依據(jù)。根據(jù)胃含物中殘留的角質(zhì)分析顯示,魚類(Cherel et al,2004)、鯨類(Clarke et al,1998)、海豚(Blanco et al,2006)、海鳥(Piatkowski et al,2001)等都是頭足類的主要捕食者。

4 結(jié)論

我國近海的劍尖槍烏賊、杜氏槍烏賊、金烏賊、曼氏無針烏賊、短蛸等5種常見經(jīng)濟(jì)頭足類的角質(zhì)顎長度差異十分顯著,根據(jù)角質(zhì)顎長度的差異可對其進(jìn)行種類判別,判別效果顯著,然而標(biāo)注化后的角質(zhì)顎長度鑒定頭足類種類的效果更好。過去的研究顯示僅憑角質(zhì)顎形態(tài)上的差別來判定分類地位相近或棲息環(huán)境相似的頭足類的效果不佳,而本研究揭示角質(zhì)長度的差異更適合解決此類問題。因此,本研究方法的提出將大大提高角質(zhì)顎在頭足類種類鑒定中的作用,為進(jìn)一步分析不同頭足類物種在海洋生態(tài)系統(tǒng)中所扮演的角色提供了前期基礎(chǔ)。此外,以往的研究還顯示,角質(zhì)顎長度在頭足類種群甚至性別鑒定上都起著重要作用,因此,希望今后重點(diǎn)在種群鑒定方面開展相關(guān)研究,豐富頭足類種群研究方法,為我國近海頭足類資源合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)。

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