基于GAM模型的子二代大鯢親體產(chǎn)卵量分析

劉鑒毅, 劉建良, 林國源, 謝才豐

(1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 東海水產(chǎn)研究所 長江口漁業(yè)生態(tài)重點實驗室, 上海 200090; 2. 上海興鯢農(nóng)業(yè)生物科技發(fā)展有限公司, 上海 200135; 3 深圳市大龍園農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司, 深圳 440300)

中國大鯢(Andriasdavidianus)屬兩棲綱，有尾目隱鰓鯢科(Cryptobranchidae)、大鯢屬(Andrias) ，俗稱娃娃魚，英文名giant salamander，是一種珍貴的中國內(nèi)陸淡水動物，也是目前世界上最大的兩棲動物[1-2]。大鯢體大扁平，頭部寬闊，軀干粗而扁，體兩側(cè)有縱行皮膚褶，頭長約等于頭寬，鼻孔近吻端，口裂大至眼后角，上下頜有細(xì)齒，成鋸狀排列，眼退化成很小，無眼瞼，大鯢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，有畏光喜陰暗習(xí)性[2]。

大鯢具有很高的醫(yī)用和經(jīng)濟價值，因人為過度捕撈，生態(tài)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致大鯢自然資源日趨減少。在野生大鯢資源量急劇下降的情況下，通過大鯢資源的增殖，提高大鯢的種群數(shù)量可以更好地保護大鯢野生資源。因此開展大鯢人工繁殖非常重要。目前關(guān)于影響大鯢繁殖性能因素的研究報道很多，主要集中在對大鯢的理化因子和營養(yǎng)條件[3-4]、年齡與體重和體長關(guān)系[5-7]、雌雄親體性腺發(fā)育和受精率、孵化率[8-11]等方面。水生生物的體型性狀對其繁育特性有影響[12-15]，如黃永春等[12]研究表明凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)選育群體的體型性狀影響其產(chǎn)卵量，王美娟和胡俊[13]研究指出麥穗魚(Pseudorashoraparva)的體重體長對其生殖力有影響。作為兩棲類動物的大鯢，其體型性狀對其繁殖特性也應(yīng)該有影響，但是目前未見相關(guān)研究報道。親二代大鯢的后代可以人工銷售，對其開展人工繁殖研究具有重要經(jīng)濟價值。在孵化技術(shù)和環(huán)境條件不變情況下，選擇產(chǎn)卵量大的親體，提高親二代的產(chǎn)卵量會孵化更多的幼鯢，養(yǎng)殖戶可以獲取更多的經(jīng)濟價值。性成熟后的親二代大鯢體重和體長等體型參數(shù)并不一樣，如何通過體型性狀選擇最優(yōu)的苗種親體以獲取最大的產(chǎn)卵量是育苗的關(guān)鍵，因此開展二代大鯢體型性狀對其繁殖特性研究具有重要的理論和經(jīng)濟價值。

廣義可加模型(GAM) 是在廣義線性模型(GLM)和可加模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由Hastie和Tibshirani[16]提出。GAM模型采用非參數(shù)函數(shù)，如樣條函數(shù)來擬合估計自變量對因變量的影響。與GLM模型的區(qū)別在于，GAM模型不注重模型的擬合和推斷，而是注重對采樣數(shù)據(jù)進行探索性分析，揭示因變量對自變量的響應(yīng)關(guān)系。GAM模型已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中[17]。本文采用GAM模型分析子二代大鯢親體的體重、體長、肥滿度和胸圍等體型生長參數(shù)對產(chǎn)卵量的影響，為大鯢的良種選育工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

1　材料與方法

1.1　大鯢

實驗測量的樣本來自陜西漢中和廣東大有大鯢馴養(yǎng)繁殖有限公司自繁個體，總數(shù)為123尾，測量對象都是子二代養(yǎng)殖親體。

表1 大鯢測量數(shù)據(jù)

1.2　測量方法

本研究體長為全長，指自大鯢嘴部最前端至尾末端的長度。用數(shù)顯式電子秤(精確度為0.1 g)稱量大鯢體重，直尺(精確度0.1 cm)測量大鯢的體長，胸圍采用軟尺測量。測量數(shù)據(jù)見表1。

1.3　數(shù)據(jù)處理方法

本文采用GAM模型分析子二代大鯢親體的體重、體長、肥滿度和胸圍等體型生長參數(shù)對成熟個體產(chǎn)卵量的非線性影響。形態(tài)特征變量有體長(tc)、胸圍(xw)、體重(tz)、肥滿度(K)。肥滿度又稱豐滿度或豐滿系數(shù)，最早由Fulton提出，表達式為：

K=100(W/L3)

(1)

式中，W是體重(g)，L是全長(cm)，K是肥滿度。

GAM模型可以模擬自變量(x)對因變量(y)的非線性作用，其一般形式如下：

(2)

其中,μ是因變量y的期望值,即μ=E(y|x1,x2,Lxp),g(·)是連接函數(shù)，fj(·)是針對每一個自變量xj的平滑函數(shù)。

采用R軟件包的mgcv函數(shù)庫，構(gòu)建GAM模型，計算和繪圖，模型選擇采用AIC值選擇。最終構(gòu)建的GAM模型方程如下：

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

(3)

產(chǎn)卵量以個數(shù)為計量單位，這里連接函數(shù)采用Poisson函數(shù)。

2　結(jié)果與分析

通過對多個影響因素(子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體的體型性態(tài)參數(shù))與產(chǎn)卵量之間建立GAM模型，獲得各自變量的平滑回歸函數(shù)，并得到子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體的體型性態(tài)參數(shù)對子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體產(chǎn)卵量的影響效應(yīng)圖(圖1)。模型4個變量全部保留，表明在0.05的顯著性水平下，4個變量對產(chǎn)卵量存在顯著性影響(表2)。所有變量對產(chǎn)卵量方差解釋率為32.6%。 圖1中，上下虛線表示GAM模型中單個變量的平滑回歸函數(shù)擬合的95%置信區(qū)間，實線代表GAM模型中子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體產(chǎn)卵量對各單個變量的平滑擬合曲線。橫坐標(biāo)表示各體型性態(tài)參數(shù)的實測值，縱坐標(biāo)表示子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體產(chǎn)卵量對各體型性態(tài)參數(shù)的平滑擬合值。

表2 GAM模型檢驗值

GAM模型分析表明，在0.05的顯著性差異下，子二代養(yǎng)殖大鯢親體的4個生長變量對子二代養(yǎng)殖大鯢的產(chǎn)卵量存在顯著性影響。子二代養(yǎng)殖大鯢親體的4個生長變量對子二代大鯢親體的產(chǎn)卵量影響作用都是非線性的(圖1)。子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體的體長對產(chǎn)卵量影響是非線性遞增的，隨著子二代大鯢親體體長的不斷增加，子二代大鯢親體的產(chǎn)卵量會越來越多。與產(chǎn)卵量影響密切的子二代養(yǎng)殖大鯢體長在800～1000 mm。子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體的胸圍對產(chǎn)卵量的影響是非線性波動后遞減，胸圍在小于400 mm的區(qū)間內(nèi)，子二代親體產(chǎn)卵量高位震蕩，胸圍為380 mm的子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體的產(chǎn)卵量最高，影響也密切；子二代親體的胸圍大于400 mm之后，隨著胸圍增加，其對子二代親體的產(chǎn)卵量影響為負(fù)效應(yīng)。和子二代養(yǎng)殖大鯢親體的體長對產(chǎn)卵量的影響相反，子二代養(yǎng)殖大鯢親體的體重對產(chǎn)卵量影響是非線性遞減的，子二代性成熟親體的體重越來越大，其對子二代性成熟親體的產(chǎn)卵量影響由正變?yōu)樨?fù)值。對產(chǎn)卵量影響密切的體重區(qū)間在6000～7000 g。子二代養(yǎng)殖性成熟大鯢親體的肥滿度對產(chǎn)卵量的影響是非線性遞增的，隨著子二代親體的肥滿度變大，親體的產(chǎn)卵量會不斷變多，但在肥滿度大于1.2后，增幅變緩。與產(chǎn)卵量影響密切的肥滿度區(qū)間在0.6～1。

圖1 GAM模型獲得的4個體型變量對產(chǎn)卵量影響Fig 1 The effect of 4 parameters on fecundity of GAM model

3　討論

在大鯢的人工繁育過程中，人們通常比較關(guān)心的是性成熟苗種的選擇和孵化環(huán)境，以達到較高的受精率和孵化率。苗種的選擇主要以親體的體長和體重來進行質(zhì)量優(yōu)劣的判別，達到一定體長規(guī)格的苗種也應(yīng)達到相應(yīng)的體重，才能成為優(yōu)質(zhì)苗種[18]。作為兩棲類動物的大鯢也是這樣，因此當(dāng)前對大鯢的繁育研究文獻，很多集中在體重、體長和年齡關(guān)系上。朱忠勝等[6]認(rèn)為貴州養(yǎng)殖大鯢在IV齡時體重為(1 790.83±57.15) g、體長為(53.76±5.64) cm可被選為育苗，但是沒有進一步分析適合育苗的親體體型對產(chǎn)卵影響。達到性成熟年齡后的養(yǎng)殖大鯢，體重和體長對親體產(chǎn)卵量的影響研究目前未見報道，大量文獻多集中在大鯢孵化的外在條件調(diào)控。受精率和孵化率雖然與環(huán)境條件有關(guān)，但在人工技術(shù)條件不變情況下，產(chǎn)卵量越多，幼鯢的數(shù)量越多。因此選擇合適的親體獲得最多的產(chǎn)卵量將會獲得更大的經(jīng)濟效益。因此本研究通過利用體型(體重、體長等形態(tài))性狀特性，研究其對大鯢繁殖性能的影響，進而通過表型性狀的選擇達到苗種選擇目的，具有重要的現(xiàn)實意義。

體長、體重是大鯢形態(tài)性狀的重要指標(biāo)，相關(guān)的研究多集中在體長和體重對大鯢性成熟年齡判別。本研究的模型表明，性成熟大鯢的體長和體重對親體自身的產(chǎn)卵量有顯著影響。一般魚類的體長、體重和生殖力的影響都是正相關(guān)的[13,15]。本研究中GAM模型揭示性成熟子二代養(yǎng)殖大鯢親體的體長越長，親體的產(chǎn)卵量越高；相反，性成熟子二代養(yǎng)殖大鯢的體重越大，親體的產(chǎn)卵量越少。原因可能是與大鯢的生長體型有關(guān)，如中華沙鰍(Botiasuperciliaris)的生殖力和體重、體長關(guān)系并不成正相關(guān)，和大鯢也不一樣[19]。本研究的大鯢是性成熟后的子二代親體，體重最小的是2 kg，最重的是15 kg。在體重小于6 kg的時候，隨著子二代大鯢親體的體重增加，產(chǎn)卵量變小，但變化不大。與產(chǎn)卵量最為密切的體長和體重分別在800～1000 mm和6000～7000 g，即子二代大鯢親體的繁育種苗體長和體重在這個范圍內(nèi)，親體的產(chǎn)卵量會最高。在孵化技術(shù)條件不變情況下，選擇這個體長和體重區(qū)間范圍內(nèi)的苗種育苗，幼鯢的數(shù)量越多，經(jīng)濟效益也越高。

除了體長和體重對大鯢的繁殖產(chǎn)卵有影響外，本研究的GAM模型還表明，大鯢的胸圍和肥滿度對產(chǎn)卵量也有顯著的影響。子二代大鯢的胸圍在200～400 mm時，親體的產(chǎn)卵量都是比較高的；但隨著胸圍的增長，產(chǎn)卵量變低。肥滿度越高，養(yǎng)殖大鯢的產(chǎn)卵量越高。肥滿度高的親體產(chǎn)量高，可能與親體攝入和吸收的營養(yǎng)多有關(guān)系。一般魚類肥滿度和產(chǎn)卵量沒有明顯相關(guān)性[15]，但泥鰍的肥滿度和產(chǎn)卵量正相關(guān)[19]。這種差別可能同樣與大鯢的生長體型有關(guān)。與產(chǎn)卵量最為密切的胸圍和肥滿度分別在350～400 mm和0.6～1。養(yǎng)殖大鯢的種苗選擇在體重和體長基礎(chǔ)上，還可以參考胸圍和肥滿度，選擇最優(yōu)的苗種，達到最大的產(chǎn)卵量。

綜合上述，GAM模型揭示，子二代性成熟養(yǎng)殖大鯢親體體型越苗條，即體長大、體重輕，以及胸圍小，親體的產(chǎn)卵量越高。此外肥滿度越高的子二代親體產(chǎn)卵量也越多。劉鑒毅等[20]研究表明，子一代雄鯢要比野生雄鯢苗條，肥滿度高。而子一代雄鯢的成熟率、催產(chǎn)率明顯高于野生雄鯢。精液量和精液質(zhì)量也明顯高于野生雄鯢。本研究表明子二代性成熟大鯢產(chǎn)量具有相似的特征。孫宇等[10]的研究指出，大鯢體內(nèi)的激素變化對產(chǎn)卵和產(chǎn)精有影響，大鯢尿液中的雌二醇(E2)值較高時，催產(chǎn)率高，而且產(chǎn)卵量大；大鯢尿液中睪(T)值較低時，催產(chǎn)不產(chǎn)精子。因此子二代性成熟養(yǎng)殖大鯢體型苗條和肥滿度高的親體，可能體內(nèi)E2較高，具體的需進一步研究。

4　結(jié)論

本研究討論了性成熟親體體重、體長、胸圍和肥滿度對大鯢的產(chǎn)卵量的影響。養(yǎng)殖大鯢性別、體重和體長與其他生物環(huán)境等因素有關(guān)[21]，其他生物環(huán)境也可能對產(chǎn)卵有影響。在生物環(huán)境因素不變的前提下，可參考本研究的成果，選擇體型苗條和肥滿度高的子二代親體進行繁育產(chǎn)卵。

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