3個地理群體寬口裂腹魚形態(tài)差異分析

趙年樺，曹希全，趙 賀，魏 杰，聶竹蘭，沈建忠

(1.塔里木大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾市 843300； 2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木畜牧科技重點實驗室，新疆阿拉爾市 843300； 3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，武漢 430070； 4.塔里木珍稀魚類中心，新疆阿拉爾市 843300)

寬口裂腹魚(Schizothoraxeurystomus)隸屬于鯉科(Cyprinidae)裂腹魚亞科(Schizothoracinae)裂腹魚屬(Schizothorax)，分布于塔里木河水系，是新疆土著魚類之一[1]。近年來寬口裂腹魚的棲息地不斷遭到破碎，其種群數(shù)量明顯減少，目前已臨近瀕危[2]。關(guān)于寬口裂腹魚的研究集中于資源分布調(diào)查[3-5]、遺傳進(jìn)化[6-10]和人工繁殖技術(shù)[11-12]，尚未見有關(guān)寬口裂腹魚形態(tài)學(xué)的相關(guān)報道，其地理群體間的形態(tài)差異研究亦未見報道。

生物在面對異質(zhì)生境時，自身的形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及生理生化功能會產(chǎn)生適應(yīng)性進(jìn)化反應(yīng)，這一過程稱為生態(tài)適應(yīng)[13-14]。形態(tài)表型差異是生物生態(tài)適應(yīng)最直接的外在表現(xiàn)，其中在魚類中普遍存在[15]。魚類形態(tài)學(xué)性狀的分化，是與魚類生活環(huán)境條件密切相關(guān)的，如朱崗倩等[16]對舟山、汕頭和北海少鱗鱚(Sillagojaponica)群體的外部形態(tài)特征進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)3個地理少鱗鱚群體在外部形態(tài)上出現(xiàn)了一定程度的分化，各群體差異主要集中于軀干上部和尾部，推測形態(tài)的差異與其生存的地理環(huán)境條件有關(guān)；周彥峰等[17]對太湖、洪澤湖、黑龍江連環(huán)湖和吉林石頭口門水庫的4個大銀魚(Protosalanxhyalocranius)地理群體進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)，不同地理群體間已經(jīng)產(chǎn)生一定程度的形態(tài)差異，認(rèn)為形態(tài)差異的產(chǎn)生與湖體中餌料生物的群落結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。

傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分析主要是可數(shù)和可量性狀的比較，局限于種間及種上水平，而在同一物種不同地理種群間的鑒定方面缺乏說服力，也不能體現(xiàn)形態(tài)變化的空間格局?？蚣芊?Truss network)[18]，即在生物體上選取具有代表性和標(biāo)志性的坐標(biāo)點并連接成線，采用幾何方法描述生物體形態(tài)特征，可以有效地判別魚類群體水平上的形態(tài)差異，使魚類群體形態(tài)學(xué)研究變得更加詳細(xì)可靠。本研究根據(jù)可量性狀，采用非參數(shù)檢驗、主成分分析、聚類分析等多元統(tǒng)計方法，對托什干河(Toxkan River,TR)、塔什庫爾干河(Tashkurgan River,TAR)、渭干河(Weigan River,WR)3個不同地理群體65尾寬口裂腹魚形態(tài)差異進(jìn)行比較分析，為研究不同地理群體寬口裂腹魚的形態(tài)差異提供科學(xué)依據(jù)，同時為新疆裂腹魚類基礎(chǔ)生物學(xué)研究提供一定參考資料。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

于2016年分別在TR、TAR、WR采集寬口裂腹魚樣本，共計65尾，均為成體魚，如表1所示。

表1 寬口裂腹魚樣品信息Tab.1 Sample information of S.eurystomus

1.2 測量方法

現(xiàn)場使用游標(biāo)卡尺和電子天平測量寬口裂腹魚傳統(tǒng)形態(tài)特征(游標(biāo)卡尺精確到0.02 mm，電子天平精確到0.1 g)：全長(TL)、體重(BW)、體長(BL)、體高(BD)、體寬(BW)、頭長(HL)、頭高(HD)、口寬(MB)、眼后頭長(HBE)、眼徑(ED)、吻須(SB)、頜須(JB)、尾柄長(CPL)、尾柄高(DCP)。并在樣本形態(tài)結(jié)構(gòu)上選取12個坐標(biāo)點，坐標(biāo)點如圖1所示。

圖1 寬口裂腹魚測量位點Fig.1 Mark points for measurement of S.eurystomus

通過將坐標(biāo)點兩兩連線得出框架距離如圖2所示。

用肉眼直接計數(shù)背鰭鰭條、胸鰭鰭條、腹鰭鰭條、臀鰭鰭條，將魚體解剖后對脊椎骨數(shù)、內(nèi)外鰓耙行數(shù)等可數(shù)性狀進(jìn)行計數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2020初步統(tǒng)計所有樣本7個可數(shù)變量、13個傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)特征數(shù)據(jù)及20個形態(tài)框架數(shù)據(jù)。為消除樣本個體大小差異對形態(tài)特征的影響，將以上除TL和BL外31個形態(tài)數(shù)據(jù)與其BL的比值作為形態(tài)度量分析的性狀值，從而得到31個形態(tài)比例性狀參數(shù)。使用SPSS 26.0軟件中的非參數(shù)檢驗對不同種群間寬口裂腹魚外部形態(tài)特征的顯著性差異進(jìn)行比較[19]。運(yùn)用SPSS 26.0軟件對寬口裂腹魚的形態(tài)比例參數(shù)進(jìn)行主成分分析，分別計算各主成分的貢獻(xiàn)率及其累計貢獻(xiàn)率并繪制主成分散點圖，進(jìn)一步采用Origin 2019繪制得分系數(shù)圖，確定其形態(tài)分化情況[20]。使用SPSS 26.0中的歐式最短距離聚類分析法對托什干河、塔什庫爾干河、渭干河3個不同地理的寬口裂腹魚群體進(jìn)行聚類分析并繪制聚類分析圖[21]，通過分析結(jié)果探討群體間的差異性及關(guān)聯(lián)性。

圖2 寬口裂腹魚框架圖Fig.2 Truss network of distance measurement of S.eurystomus

2 結(jié)果

2.1 可數(shù)變量

表2是寬口裂腹魚群體在形態(tài)學(xué)可數(shù)性狀方面的實驗結(jié)果。背鰭鰭條、腹鰭鰭條、臀鰭鰭條3個性狀上3條河群體數(shù)值一致；在脊椎骨數(shù)、鰓耙外行數(shù)、鰓耙內(nèi)行數(shù)3個性狀上3條河群體數(shù)值基本相當(dāng)；三個群體的分節(jié)特征值在胸鰭鰭條性狀上均存在一定的交叉，但WR群體胸鰭條數(shù)少于其他2個群體。

表2 寬口裂腹魚分節(jié)特征比較(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.2 Comparison of meristic counts of S.eurystomus(Mean±SD)

2.2 非參數(shù)檢驗

對31個比例性狀進(jìn)行非參數(shù)檢驗，結(jié)果顯示，3個地理寬口裂腹魚群體間有12個比例性狀存在極顯著差異(P<0.01，表3)，差異主要體現(xiàn)在頭部、軀干部和尾部特征。

表3 寬口裂腹魚3個群體的形態(tài)比例性狀描述統(tǒng)計值(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Tab.3 Descriptive statistics of morphological proportional traits for three populations of S.eurystomus (Mean±SD,P=0.05)

續(xù)表3

2.3 主成分分析

對3個群體寬口裂腹魚31個形態(tài)學(xué)比例性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示：31個形態(tài)學(xué)比例性狀在類群間存在極顯著差異，KMO度量值為0.644，所選變量均適合于因子分析[22]。主成分分析結(jié)果表明前9個主成分(特征值大于1)累積貢獻(xiàn)率為73.089 %；前3個主成分累積貢獻(xiàn)率為44.597 %；其中第一主成分貢獻(xiàn)率為22.277 %，第二主成分貢獻(xiàn)率為13.424 %，第三主成分貢獻(xiàn)率為8.896 %(表4)。其中前3個主成分可基本反應(yīng)綜合指標(biāo)所隱含的信息，故選用前3個主成分構(gòu)建散點圖。

表4 寬口裂腹魚3個群體前9個主成分特征值和貢獻(xiàn)率Tab.4 Initial eigenvalues and contribution ratio of the first nine principal components for three populations of S.eurystomus

其中第一主成分起主要作用的是K1/BL、K2/BL、K9/BL和SB/BL，可反映頭部特征；第二主成分起主要作用的是K13/BL、HD/BL、DCP/BL和BW/BL，反映了軀干特征；第三主成分起主要作用的是HBE/BL、HL/BL、K20/BL和K4/BL，反映了頭部-尾部特征(圖3)。根據(jù)前3個主成分構(gòu)建的散點圖顯示(圖4)，3個群體不同個體之間有個體發(fā)生重疊，3個種群并未形成明顯的獨(dú)立組群。

圖3 PC1、PC2和PC3得分系數(shù)Fig.3 Scoring coefficient of PC1,PC2 and PC3

圖4 寬口裂腹魚3個群體第1、2、3主成分散布情況Fig.4 Distribution of PC1,PC2 and PC3 for three populations of S.eurystomus

2.4 聚類分析

從寬口裂腹魚3個地理群體間的歐式距離可以看出(表5)：TR群體和TAR群體形態(tài)較為接近，兩者之間的歐式距離最短，僅為0.011；TR群體和WR群體形態(tài)差異較大，兩者之間的歐式距離為0.088。聚類分析結(jié)果顯示TR群體和TAR群體首先聚為一支，然后WR群體與其他2個群體聚類(圖5)。

表5 寬口裂腹魚3個地理群體間的歐式距離Tab.5 Euclidean distance among three geographical populations of S.eurystomus

圖5 由歐式距離產(chǎn)生的寬口裂腹魚3個群體的聚類分析圖Fig.5 Cluster analysis of three populations of S.eurystomus in the Euclidean distance

3 討論

由于生存環(huán)境或群體所處的生活史周期不同，生物個體在形態(tài)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出差異，結(jié)合形態(tài)信息可以有效開展魚類種質(zhì)鑒定和群體判別分析研究。1982年Strauss等[18]提出框架系統(tǒng)分析方法在反映形態(tài)差異方面比傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分析方法更有效。王瑩瑩等[23]、蒙彥曉等[24]、胡俊儀等[25]將傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分析和框架分析相結(jié)合，成功地應(yīng)用龍頭魚(Harpadonnehereus)、秦嶺細(xì)鱗鮭(Brachymystaxlenoktsinlingensis)和麥穗魚(Pseudorasboraparva)等魚類種下群體間的形態(tài)進(jìn)行判別分析。本研究基于多變量形態(tài)學(xué)度量方法，采用多元數(shù)理統(tǒng)計分析方法對31個形態(tài)比例性狀參數(shù)進(jìn)行分析，探討3個寬口裂腹魚群體間的形態(tài)差異，以期為寬口裂腹魚不同地理群體的識別和種質(zhì)資源的保護(hù)提供基礎(chǔ)資料。

研究結(jié)果顯示多元分析方法所得結(jié)果基本一致。對31個比例性狀進(jìn)行非參數(shù)檢驗，3個地理寬口裂腹魚群體間有12個比例性狀存在極顯著差異，差異主要體現(xiàn)在頭部、軀干部和尾部特征。主成分分析結(jié)果表明，寬口裂腹魚不同地理群體之間的主成分分布均存在不同程度的重疊區(qū)域，表明了其群體間存在著一定的差異，這種形態(tài)差異很大程度上是由頭部和軀干部的可量形狀引起的。聚類分析的親疏關(guān)系譜系圖顯示，托什干河和塔什庫爾干河群體遺傳距離最短，形態(tài)最為接近。這一結(jié)果與非參數(shù)檢驗和主成分分析結(jié)果一致，3種方法是從不同角度去分析存在的差異，表現(xiàn)差異的程度不同，所以它們不能相互替代，但可以相互印證。

形態(tài)特征受到遺傳因子和環(huán)境因子共同影響，是遺傳和環(huán)境、結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因綜合作用的結(jié)果[16]。而相比其他脊椎動物，魚類形態(tài)更易受到環(huán)境的影響[26]。研究結(jié)果顯示托什干河群體和塔什庫爾干河群體的形態(tài)特征最為接近，這可能是由于2個地理群體具有相似的地理環(huán)境，均屬于溫帶大陸性干旱氣候類型，且都由冰川融水補(bǔ)給[27-28]。采樣時發(fā)現(xiàn)兩河都為石礫底質(zhì)且水流速均湍急，推測兩條河中餌料生物的群落結(jié)構(gòu)特征存在一定的相似之處。渭干河曾經(jīng)是塔里木河支流之一，但由于環(huán)境破壞，渭干河斷流，目前已經(jīng)無水注入塔里木河[29]。經(jīng)調(diào)查，渭干河每年在克孜爾水庫泄洪后就基本無水，魚類資源枯竭，蓄水后魚類數(shù)量也得不到大量補(bǔ)充，導(dǎo)致渭干河長期無法與其他河流進(jìn)行生物信息交流，這可能造成了渭干河群體單獨(dú)聚為一支。

形態(tài)學(xué)測量目前在魚類種群鑒定和遺傳差異比較方面得到廣泛應(yīng)用[30-31]。形態(tài)學(xué)測量方法十分直觀，容易掌握，但是當(dāng)魚類個體差異較小時，可能會產(chǎn)生錯誤。魚類形態(tài)差異也有可能受到遺傳因子和環(huán)境條件的影響[32]，所以為了進(jìn)一步探究3個地理群體之間的差異，還需要結(jié)合生態(tài)學(xué)資料，采用分子生物學(xué)方法做更深入的探討。