近交對中間球海膽受精率、孵化率和幼體發(fā)育的影響

周海森,羅世濱,張偉杰,高琳琳,趙沖,常亞青

(大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023)

近交對中間球海膽受精率、孵化率和幼體發(fā)育的影響

周海森,羅世濱,張偉杰,高琳琳,趙沖,常亞青

(大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023)

通過構(gòu)建不同近交水平的海膽群組,即半同胞近交組 (H組,F=0.125)、全同胞近交組 (F組,F=0.25)和對照組 (C組,F=0),研究了近交對中間球海膽Strongylocentrotus intermedius受精、孵化和幼體發(fā)育階段的影響。結(jié)果表明:近交對海膽的受精率、孵化率和四腕幼體的畸形率均無顯著影響 (P＞0.05);不同近交水平的四腕、六腕和八腕幼體體長均表現(xiàn)為H組＞C組＞F組,體寬表現(xiàn)為無規(guī)律性;六腕幼體的胃長和胃寬均為F組＞C組＞H組,八腕幼體的胃長和胃寬均為C組＞H組＞F組。研究表明,一定近交水平 (F=0.25)的中間球海膽的受精、孵化,以及變態(tài)前幼體的體長、體寬均沒有出現(xiàn)明顯的近交衰退,但幼體胃長和胃寬的近交衰退現(xiàn)象比較明顯。

中間球海膽;近交;幼體發(fā)育

近交是指有親緣關(guān)系的個(gè)體間通過相互交配,使一個(gè)群體的純合基因型增加的現(xiàn)象[1],近交可以純化有害的隱性等位基因。不管是在自然條件下還是在人工養(yǎng)殖條件下,超過一定程度的近交通常會導(dǎo)致物種的某些表型性狀值降低,這種表型性狀值的降低稱為近交衰退[2]。在水產(chǎn)動物方面,魚[3-5]、 蝦[6-7]、 貝類[8-9]和海膽[10]普遍存在著近交衰退現(xiàn)象。近交衰退在生物體的早期發(fā)育階段表現(xiàn)最為明顯,而到了發(fā)育后期,由于環(huán)境的選擇效應(yīng)淘汰了大部分衰退個(gè)體,會導(dǎo)致近交衰退的表現(xiàn)減弱很多[5,11-12]。

在水產(chǎn)領(lǐng)域,大量的引種實(shí)踐表明,引種能夠有效地調(diào)整養(yǎng)殖生態(tài)結(jié)構(gòu),增加經(jīng)濟(jì)效益和社會效益;但引種所帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是毋庸回避的。近交和近交所引起的性狀衰退便是其中之一。中間球海膽Strongylocentrotus intermedius具有重要的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,其性腺色澤好、味甜,在國際市場很受歡迎,目前已成為中國北方重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖種類,出口價(jià)格高于其他經(jīng)濟(jì)海膽類[13-14]。自1989年大連水產(chǎn)學(xué)院從日本引進(jìn)該種海膽以來,由于引種基礎(chǔ)群體小、近親繁殖和累代養(yǎng)殖,極有可能表現(xiàn)出生長緩慢、經(jīng)濟(jì)性狀下降、抗逆性降低的近交衰退和種質(zhì)下降。 迄今, 關(guān)于魚[15]、 蝦[16]、 貝類[17-20]近交的研究已有很多,但關(guān)于中間球海膽近交和近交衰退的研究尚未見報(bào)道。本研究中,作者研究了不同近交水平中間球海膽的受精、孵化和幼體發(fā)育階段的差異,旨在探討近交對中間球海膽繁殖和幼體生長發(fā)育的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用中間球海膽親本選自大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)部北方海水增養(yǎng)殖學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2009年4月構(gòu)建的F2代選育家系。試驗(yàn)用NIKON eclipse顯微鏡(型號50i)、NIKON相機(jī) (型號YS100),用NISElements F和Adobe Photoshop軟件處理圖像。

1.2 方法

1.2.1 不同近交水平海膽的培育 2010年8月20日,以本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)構(gòu)建的F2代選育家系作為親本,構(gòu)建不同近交水平的海膽家系。用于構(gòu)建選育家系基礎(chǔ)群體的個(gè)體間均沒有親緣關(guān)系,并且在逐代選育過程中嚴(yán)格控制避免近交。本試驗(yàn)中利用上述F2代選育家系作為親本,構(gòu)建3組不同近交水平的海膽群體,即近交系數(shù)為0.25的全同胞近交組 (F),近交系數(shù)為 0.125的半同胞近交組(H),近交系數(shù)為0的對照組 (C),每組設(shè)置9個(gè)重復(fù)。

采用注射 KCl溶液法 (0.5 mol/L,1～2 mL/個(gè))進(jìn)行催產(chǎn),分別收集每個(gè)親膽的精液或卵液,嚴(yán)防混合。授精完成后,將各家系受精卵置于獨(dú)立的70 L孵化槽內(nèi),經(jīng)過2次洗卵去除多余的精子后進(jìn)行孵化,孵化水溫為18.0～19.0℃,光照度低于300 lx,不充氣。受精后30 h左右至棱柱幼體,此時(shí)利用300目篩絹網(wǎng)撈取水面幼體,調(diào)整培育密度為2個(gè)/mL,水溫與光照條件不變,微弱充氣使幼體在水中分布均勻,投喂牟氏角毛藻,每天4次,投餌前鏡檢幼體的攝食消化情況,并以此確定投喂量,每天換水一次,換水量為1/2,每隔4天倒池一次。在以上條件下培育約21 d,幼體發(fā)育經(jīng)二腕幼體、四腕幼體和八腕幼體期,各組的培育條件完全一致。

1.2.2 試驗(yàn)觀察和取樣測量 在海膽幼體發(fā)育到二細(xì)胞期、棱柱幼體、四腕、六腕和八腕5個(gè)時(shí)期時(shí),分別用10 mL離心管對3個(gè)近交水平的每個(gè)重復(fù)進(jìn)行隨機(jī)取樣,然后用體積分?jǐn)?shù)為5%的福爾馬林溶液殺死并固定幼體,每10 mL幼體樣品加入1 mL固定液。固定后,將容器靜置30 min,用塑料吸管吸取容器底部的幼體,滴至載玻片,將載玻片置于配備有數(shù)碼相機(jī)、電腦和顯微拍攝軟件的顯微鏡下,在合適倍數(shù)物鏡下調(diào)至清晰狀態(tài),物鏡倍數(shù)以幼體的面積占視野面積的1/100～1/50為宜;打開圖像軟件,將幼體在屏幕中的圖像調(diào)整至清晰,按照目鏡倍數(shù)往圖像中添加標(biāo)尺,標(biāo)尺實(shí)際長度Y,拍照并保存幼體照片。用Photoshop圖像處理軟件打開幼體照片,測量照片中標(biāo)尺的相對長度X,隨機(jī)選取幼體測量目標(biāo)性狀在照片中的尺寸Xi、目標(biāo)性狀的實(shí)際尺寸Yi,按下式換算:

Yi=Xi×Y/X。

在二細(xì)胞期和棱柱幼體期分別計(jì)算每個(gè)家系海膽的受精率 (各近交水平取樣數(shù)大于800個(gè))和孵化率 (各近交水平取樣數(shù)大于800個(gè));在四腕幼體期,測量畸形率 (各近交水平取樣數(shù)大于 350個(gè))、體長和體寬 (各近交水平取樣數(shù)大于200個(gè));在六腕和八腕幼體期,測量其體長、體寬、胃長、胃寬 (各近交水平取樣數(shù)大于100個(gè))(圖1)。

受精率、孵化率和畸形率的計(jì)算公式如下:

受精率(%)=100×二細(xì)胞期總數(shù)/(二細(xì)胞期總數(shù)+未分裂的細(xì)胞數(shù)),

孵化率(%)=100×棱柱幼體總數(shù)/(棱柱幼體總數(shù)+未發(fā)育的細(xì)胞數(shù)),

畸形率(%)=100×畸形幼體總數(shù)/幼體總數(shù)。

圖1 海膽幼體體長、體寬、胃長、胃寬的測量Fig.1 M easurement of body length,body w idth, stomach length and stom ach w id th in sea urchin larvae

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理,以近交水平為影響因素,用SPSS 13.0軟件對性狀進(jìn)行單因素方差分析,采用Duncan法對不同近交水平間的差異進(jìn)行多重比較,顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果

2.1 不同近交水平海膽的受精率、孵化率和畸形率

3個(gè)近交水平海膽的受精率、孵化率和四腕幼體的畸形率見表1。從表1可見:3個(gè)近交水平海膽的受精率、孵化率和四腕幼體的畸形率均無顯著性差異 (P＞0.05);受精率和孵化率都在89%以上,而且變異系數(shù)都很小 (＜8%),3個(gè)近交水平四腕幼體畸形率的變異系數(shù)均超過了20%。

2.2 不同近交水平海膽幼體的體長和體寬

從表2可見:四腕、六腕和八腕幼體的體長均表現(xiàn)為H組＞C組＞F組,其中,四腕幼體F組的體長顯著小于C組和H組 (P＜0.05),C組和H組間無顯著性差異 (P＞0.05);六腕幼體3組間的體長均無顯著性差異(P＞0.05),八腕幼體H組的體長顯著大于C組和F組,C組和F組間無顯著性差異(P＞0.05)。不同近交水平四腕、六腕和八腕幼體的體寬表現(xiàn)為無規(guī)律性,其中,四腕幼體H組的體寬顯著小于C組和F組 (P＜0.05),C組和F組間無顯著性差異 (P＞0.05);六腕幼體F組的體寬顯著大于C組和H組 (P＜0.05),C組和H組間無顯著性差異 (P＞0.05);八腕幼體H組的體寬顯著大于C組和F組 (P＜0.05),C組和F組間無顯著性差異 (P＞0.05)。

表1 3個(gè)近交水平海膽的受精率、孵化率和畸形率Tab.1 The fertility rate,hatching rate and aberration rate at the three inbreeding levels %

表2 3個(gè)近交水平四腕、六腕和八腕幼體的體長和體寬Tab.2 The body length and body w id th of the echinopluterusw ith four,six and eight arms at the three inbreeding levels μm

2.3 不同近交水平海膽的胃長和胃寬

從表3可見:六腕幼體的胃長和胃寬均為F組＞C組＞H組,其中,F組的胃長顯著大于C組和H組 (P＜0.05),C組和 H組間無顯著性差異(P＞0.05),H組的胃寬顯著小于C組和F組 (P＜0.05),C組和F組間無顯著性差異 (P＞0.05);八腕幼體的胃長和胃寬均為C組＞H組＞F組,其中,F組的胃長顯著小于C組和H組 (P＜0.05), C組和H組間無顯著性差異 (P＞0.05),H組的胃寬與C組和F組無顯著性差異(P＞0.05),C組和F組間有顯著性差異 (P＜0.05)。

表3 3個(gè)近交水平六腕和八腕幼體的胃長和胃寬Tab.3 The stomach length and stomach w idth of the echinopluterusw ith six and eight arms at the three inbreeding levels μm

3 討論

雖然海洋生物的近交衰退現(xiàn)象被證實(shí)是普遍存在的,但不同物種近交衰退的時(shí)空表現(xiàn)不同[5,11,21]。因此,對不同海洋生物的相同或相似性狀進(jìn)行比較具有非常重要的研究價(jià)值。本研究結(jié)果表明,不同近交水平 (F=0、0.125、0.25)下中間球海膽的孵化率并沒有顯著差異。這一結(jié)果與對斑馬魚Brachydanio rerio[21]和虹鱒Salmo gairdneri[22]的研究結(jié)果相似。然而,與對這些海洋脊椎動物的研究結(jié)果不同的是,本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),不同近交水平海膽的受精率和四腕幼體畸形率也沒有顯著差異。Mrakovcic等[21]認(rèn)為,近交能夠顯著地降低斑馬魚的受精率。Kincaid[22]的研究也發(fā)現(xiàn),近交水平為0.25時(shí)能夠顯著增加虹鱒幼體的畸形率。作者認(rèn)為,這可能與不同物種對近交所采取的應(yīng)對策略不同有關(guān)。本研究結(jié)果表明,不同近交水平的中間球海膽受精率和孵化率的變異系數(shù)都很低(＜8%),這表明中間球海膽受精率和孵化率在遺傳上具有很強(qiáng)的保守性。不同近交水平海膽的受精率、孵化率和四腕幼體畸形率均沒有顯著差異很可能與這種保守性有關(guān)。

在海洋動物的生活史中,幼體發(fā)育對于生物的存活、生長和繁殖都是至關(guān)重要的。與魚類近交的研究結(jié)果不同[5,21-22],本研究中發(fā)現(xiàn),不同近交水平的海膽幼體各個(gè)發(fā)育時(shí)期的體長和體寬并沒有出現(xiàn)明顯的近交衰退現(xiàn)象。這與 Aulstad等[23-24]、Guo等[25]的研究結(jié)果一致。Aulstad等[23-24]研究發(fā)現(xiàn),近交雖然導(dǎo)致虹鱒幼體的畸形率上升,但并不影響魚苗正常生長,Guo等[25]的研究進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。他們在虹鱒幼體階段 (256 d以前)沒有觀察到體質(zhì)量的近交衰退現(xiàn)象。對于這一現(xiàn)象,一個(gè)合理的解釋是虹鱒幼體存活率上出現(xiàn)的近交衰退抵消了幼體體質(zhì)量的衰退,因此,在幼體階段無法檢測到近交衰退現(xiàn)象[12]。本試驗(yàn)中,雖然由于試驗(yàn)條件限制無法精確測量各近交水平幼體的死亡率,但觀察到了不同近交水平的幼體在發(fā)育過程中的存活率有較大的差異。作者認(rèn)為,不同近交水平下,不同死亡率對體長和體寬近交衰退的抵消,很可能是造成各近交水平海膽幼體體長和體寬沒有顯著差異的重要原因。當(dāng)然,這還需進(jìn)一步試驗(yàn)來驗(yàn)證。Anderson等[10]報(bào)道的近交紫球海膽Stronglyocentrotus purpuratus(F=0.25)幼體體長和體寬出現(xiàn)顯著衰退現(xiàn)象,與本研究結(jié)果不一致。這表明不同物種 (即便同屬)的近交響應(yīng)策略也存在著較大差異。

雖然海膽變態(tài)的機(jī)制細(xì)節(jié)尚不清楚,但大量研究表明,其變態(tài)易受環(huán)境[26-27]特別是食物條件[28]的影響。Anger等[29]研究認(rèn)為,在水生生物的幼體變態(tài)過程中要給與足夠的餌料,否則將不能成功變態(tài),最終將死去。胃是海膽幼體最主要的消化器官,Byrne等[30]的研究證實(shí)了胃對于海膽幼體變態(tài)具有重要的意義。本研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)海膽幼體發(fā)育至八腕時(shí)期,其胃表現(xiàn)出比較明顯的近交衰退現(xiàn)象,近交系數(shù)為0.25的海膽胃長和胃寬要顯著小于對照組。普遍認(rèn)為,近交能夠顯著降低海洋無脊椎動物的變態(tài)率[31],然而其機(jī)制并不清楚。本研究中,作者推測近交組出現(xiàn)的胃衰退很可能是影響海膽變態(tài)成功率的重要原因。在海洋經(jīng)濟(jì)動物人工苗種培育生產(chǎn)實(shí)踐中,變態(tài)率的高低直接決定著苗種的產(chǎn)量和產(chǎn)值。

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Effect of inbreeding on fertility rate,hatchability and larva development of sea urchin Strongylocentrotus intermedius

ZHOU Hai-sen,LUO Shi-bin,ZHANG Wei-jie,GAO Lin-lin,ZHAO Chong,CHANG Ya-qing
(Key Laboratory of Mariculture & Stock Enhancement in North China's Sea,Ministry of Agriculture,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

In the present study,we investigated the effects of inbreeding on fertility rate,hatchability and larva development of sea urchin Strongylocentrotus intermedius by establishing three inbreeding level(F=0,0.125,0.25) groups(C,H and F).The results showed that the influence of inbreeding on fertility rate,hatchability and aberration rate of four arms larvawere not significant(P＞0.05).The order of body length of larvae with four-arms,sixarms and eight-arms at the different inbreeding levels was ranged as H group＞C group＞F group.The change in body width has no remarkable regularity.The order of length and width of stomach in six arms larvae was ranged as F group＞C group＞H group.The length and width of stomach in eight arms larvae was expressed as C group＞H group＞F group.The results showed that the inbreeding level of F=0.25 was not harmful to the fertility rate,hatchability and larva development of the sea urchinStrongylocentrotus intermediusexcept the development of stomach.

Strongylocentrotus intermedius;inbreeding;larva development

S968.22

A

2095-1388(2013)05-0445-05

2013-01-31

國家 “863”計(jì)劃項(xiàng)目 (2012AA10A412)

周海森 (1987-),男,碩士研究生。E-mail:hszhou1987@163.com

常亞青 (1967-),男,博導(dǎo),教授。E-mail:yqchang@dlou.edu.cn