長牡蠣殼黑選育系F7代的生長規(guī)律和模型?

徐成勛， 李 琪

(海水養(yǎng)殖教育部重點實驗室(中國海洋大學)，山東 青島 266003)

長牡蠣 (Crassostreagigas)又稱太平洋牡蠣，具有生長快、抗逆性強、肉質(zhì)鮮美和營養(yǎng)豐富等優(yōu)點，是世界上分布最廣、產(chǎn)量最高的經(jīng)濟貝類。自20世紀80年代，人工育苗技術(shù)日趨成熟，我國長牡蠣工廠化養(yǎng)殖技術(shù)得到迅猛發(fā)展，長牡蠣的養(yǎng)殖產(chǎn)量逐年攀升，至2016年，我國牡蠣產(chǎn)量超過483.4萬t，占全國貝類養(yǎng)殖總量的33.4%[1]。近年來，隨著養(yǎng)殖集約化程度的提高，養(yǎng)殖長牡蠣開始出現(xiàn)生長緩慢、死亡率高、產(chǎn)量降低等問題[2]，不利于長牡蠣養(yǎng)殖業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。通過遺傳育種，培育生長快、品質(zhì)好、抗逆性強的新品種是擺脫長牡蠣產(chǎn)業(yè)困境的出路之一。本課題組自2010年對長牡蠣進行人工選擇，培育出左右殼和外套膜均是黑色、生長快速的長牡蠣殼黑新品系[3]，為長牡蠣新品種的培育提供了重要素材。

使用統(tǒng)計學方法對生物的生長進行研究并建立生長模型，不但可以了解生物的生長過程，還可以預測其生長規(guī)律[4]。目前，已有很多學者針對不同物種，從生理學和數(shù)學角度提出了多種不同模型，如馬氏珠母貝(Pinctadamartensii)[5]、墨西哥灣扇貝(Argopectenirradiansconcentricus)[6-7]、淡水珍珠蚌 (Margaritiferamargaritifera)[8]、華貴櫛孔扇貝 (Chlamysnobilis)[9]等重要的經(jīng)濟貝類。在長牡蠣中，僅見孔寧等[10]對長牡蠣F3快速生長選育群體的生長規(guī)律做過報道。目前針對長牡蠣殼黑新品系的研究，主要圍繞生長性狀的遺傳改良[3]，對環(huán)境適應能力[11]及殼色遺傳機制[12]等方面，尚未有關(guān)于其生長特性方面的報道。

本研究利用定期采集的生物學數(shù)據(jù)，運用線性回歸和3種常見的生長模型，分別對長牡蠣殼黑品系幼蟲期和養(yǎng)成期的各生長性狀進行了擬合。旨在揭示長牡蠣殼黑品系生長發(fā)育特征，為進一步開展選育工作及大范圍的養(yǎng)殖生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料來源

本研究所用材料為第七代長牡蠣殼黑選育群體 (F7)。自2010年本課題組對乳山灣 (36.8 °N，121.7°E)自然存在的野生長牡蠣開展選擇育種工作，先后經(jīng)過四代家系選育和兩代群體選育，得到了第六代長牡蠣殼黑選育群體 (F6)。2016年6月，以殼黑F6為基礎群體，通過對殼高進行選擇，獲得了殼黑F7。殼黑F7的人工育苗于山東省萊州海益苗業(yè)有限公司進行，后轉(zhuǎn)移至山東省榮成市愛蓮灣 (37.2°N，122.6°E)進行養(yǎng)成。

1.2 人工育苗及養(yǎng)成

解剖成熟的殼黑長牡蠣親貝進行性別鑒定，鑒定后分別收集精子卵子，在50∶1的精卵比下將精子卵子充分混合受精。獲得的受精卵置于20 m3的水泥池中，于23 ℃水溫下進行孵化。

剛孵化出的D形幼蟲密度控制為10個/mL，隨著幼蟲生長逐步調(diào)整。幼蟲培育前期投喂餌料以球等鞭金藻(Isochrysisgalbana) 為主，殼高增至120 μm后增加扁藻(Platymonassp.)。培育水溫穩(wěn)定在23～24 ℃，持續(xù)充氣。每天換水2次，換水量1/3～1/2。當眼點幼蟲比例達20%左右時，用200片櫛孔扇貝(Chlamysfarreri) 殼一串的附著基，垂懸于培育池進行采苗，每片附著基附著20～30個長牡蠣稚貝時結(jié)束采苗。

稚貝附著后，置于室外沉淀池暫養(yǎng)3～4周，確定稚貝充分變態(tài)后，轉(zhuǎn)移至山東省榮成市愛蓮灣，采用筏式吊繩養(yǎng)殖方式進行養(yǎng)成。長牡蠣吊繩養(yǎng)殖所用的夾苗繩為長度3～4 m、直徑0.6～0.8 cm的聚乙烯繩，將附有稚貝的附著基加入苗繩，附著基間距15～20 cm，每繩夾15～20片，苗繩間距50 cm。夾苗繩底部掛重約0.2～0.3 kg的石塊，以避免其因風浪相互纏繞。

1.3 采樣及數(shù)據(jù)測量

幼蟲階段，每5天隨機取樣30個D形幼蟲進行測量。幼蟲的殼高、殼長在Olympus顯微鏡下用目微尺 (精度0.05 μm)測量記錄。養(yǎng)成階段分別在第120、150、180、200、240、270、290、330、360、380、410和450天時隨機取樣30個，用電子游標卡尺 (精度0.01 mm)測量殼高、殼長、殼寬，用電子天平測量個體總重；并現(xiàn)場測量記錄養(yǎng)殖海域海水溫度鹽度。(溫度使用水溫計測量，鹽度使用光學鹽度計測量)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及生長模型構(gòu)建

利用SPSS22.0軟件進行數(shù)據(jù)處理及模型構(gòu)建。使用Levenberg-Marquardt迭代法[13-14]估計生長參數(shù)，迭代精度設為10-8，即當各待估生長參數(shù)前后兩次迭代結(jié)果的相對誤差與誤差平方和的相對誤差都小于10-8時，迭代運算結(jié)束，以收斂的結(jié)果作為參數(shù)的最終估計值。幼蟲期殼高和殼長的變化采用線性回歸，并分析殼高 (SH) 與殼長(SL) 的關(guān)系。養(yǎng)成期選擇Von Bertalanffy、Gompertz和Logistic 3種常見的動物模型(各模型見表1) 擬合殼黑長牡蠣F7的總重變化過程，并采用曲線擬合方法分析總重與殼高、殼長和殼寬的關(guān)系。

表1 3種常見動物生長曲線模型

注：A：總重的總生長量或生長極限；B：增長初始值參數(shù)；k：總重的瞬時增長速率。

Note：A:thebiggesttheoreticalgrowthlimitoftotalweight; B:theinitialgrowthparameter; k:instantaneousgrowthrateoftotalweight.

2 結(jié)果和分析

2.1 幼蟲期殼高與殼長的線性回歸與相關(guān)

根據(jù)幼蟲期各生長性狀在不同日齡的平均值(見表2),分別作出殼高與日齡、殼長與日齡的散點圖，觀察發(fā)現(xiàn)殼高、殼長與日齡大致呈線性分布(見圖1)。因此直接對殼高、殼長與日齡進行線性回歸，得到殼高對日齡的回歸方程為y=39.723 8+11.697 2x，R2=0.991；殼長對日齡的回歸方程為y=31.346 2+9.802 8x，R2=0.986。式中：y為殼高或殼長 (μm)；x為日齡 (d)；R2為復相關(guān)系數(shù)。

分析幼蟲期長牡蠣殼黑F7的殼高與殼長相關(guān)性。由殼高與殼長的散點圖 (見圖2)可知，殼黑群體幼蟲期殼高與殼長大致成線性相關(guān)，經(jīng)線性回歸，求得回歸方程為：y=4.867 0+1.175 0x，R2=0.989。式中，y為殼高 (μm)，x為殼長 (μm)， R2為擬合優(yōu)度。回歸直線與散點圖相結(jié)合(見圖2)，發(fā)現(xiàn)實測值大致位于回歸直線上，說明回歸效果較好。

2.2 環(huán)境因子的變化

養(yǎng)成階段，各取樣時間養(yǎng)殖海域的水溫呈明顯季節(jié)變化(見圖3)，于200日齡時水溫降至最低(3.8 ℃)，后逐漸升高，于380日齡時達到最高值 (24.0 ℃)。不同采樣時間養(yǎng)殖海域的鹽度變化幅度不大，介于30.5～32.8之間。

2.3 養(yǎng)成期總重生長模型的比較

繪制長牡蠣殼黑F7養(yǎng)成期各總重在不同日齡的變化曲線(見圖4)。120 ～ 270日齡間，殼黑F7的總重增長較緩，270日齡后其總重增長速度明顯增快。360日齡時，總重沒有增加，反而相比330日齡時稍有下降。360日齡后，總重增長十分迅速，至410日齡時，總重的增長速度開始減緩。分別使用3種常用的動物模型對養(yǎng)成期長牡蠣殼黑F7的總重與日齡的關(guān)系進行擬合。擬合后各模型參數(shù)、估計值、標準誤、置信區(qū)間、拐點及擬合度如表3所示，得到VonBertalanffy、Gompertz和Logistic3種模型的回歸方程分別為；y=3.134 8(1+0.186 4e0.0046x)3、y=2.237 6×106e-13.932 3e-0.000 6x和y=8.144 9×108/(1+3.340 0×108e-0.006 5x)，其R2分別為0.955、0.940和0.945。作出各方程在不同日齡的預測曲線圖 (見圖4)，由圖中觀察，3種模型預測曲線呈曲線增長，僅在360～410日齡時期與實測值略有差距，其余時期與殼黑F7總重的實際變化情況相差不大。其中VonBertalanffy模型的R2最高，為0.955，說明其與長牡蠣殼黑F7總重的變化情況最好。

表2 不同日齡殼黑F7的殼高、殼長、殼寬和總重

圖1 幼蟲期殼高、殼長與日齡的線性回歸

圖2 幼蟲期殼高與殼長的線性相關(guān)

圖3 不同日齡養(yǎng)殖海域海水水溫和鹽度變化

圖4 殼長生長曲線與3種擬合曲線的比較

表3 3種生長模型的生長參數(shù)估計值與擬合度

2.4 養(yǎng)成期殼高、殼長、殼寬分別與總重的曲線擬合

分別作出殼高與總重、殼長與總重、殼寬與總重的散點圖，發(fā)現(xiàn)殼高與總重，殼長與總重的散點圖分布規(guī)律，大致呈曲線相關(guān)，而殼寬與總重的散點圖分布離散，相關(guān)性較差(見圖5)。分別采用線性方程等9種方程對養(yǎng)成期殼高、殼長、殼寬與總重的關(guān)系進行曲線擬合(見表4)。各方程的R2從0.80到0.99不等，R2越大說明曲線擬合效果越好。從擬合效果圖上看(見圖4)，復合曲線、冪函數(shù)曲線、增長函數(shù)曲線與指數(shù)方程曲線與實測值的分布趨勢大致相同，再結(jié)合R2及方程簡潔程度，復合曲線在各組曲線擬合中均有不錯的擬合效果。所以分別采用復合曲線方程y=1.706×1.055x、y=1.336×1.075x和y=1.287×1.154x來反映殼高與總重、殼長與總重、殼寬與總重的關(guān)系。

3 討論

本研究中，長牡蠣殼黑F7殼高和殼長的增長規(guī)律符合線性回歸方程(R2>0.98)。說明在幼蟲期殼高與殼長的生長速率維持在相對穩(wěn)定的水平，這與孔寧等[10]關(guān)于長牡蠣F3選育群體幼蟲期生長規(guī)律的研究類似，在幼蟲附著變態(tài)前，幼蟲一直處于一個較高的生長速率。此外，殼高和殼長兩直線方程斜率不同，殼高回歸方程斜率大于殼長回歸方程斜率，說明殼高增長速度快于殼長。長牡蠣幼蟲期的殼高與殼長呈線性相關(guān)，R2=0.989說明擬合度較好，這表明可以通過一個性狀有效預測另一個性狀的生長規(guī)律。

本研究選用的VonBertalanffy、Gompertz和Logistic模型，都是常用于描述水產(chǎn)動物生長規(guī)律的模型[5,9-10,15]。符世偉等[5]對馬氏珠母貝殼長生長模型的研究中，選用了Brody、VonBertalanffy、Gompertz、Logistic和Richards5種模型，采用Levenberg-Marquardt迭代法求出模型中的生長參數(shù)，確定馬氏珠母貝殼長的生長過程遵循Brody生長模型。吳楊平等[15]在文蛤紅殼色選育系F3的生長規(guī)律及模型研究中，確定文蛤紅殼色選育系F3的殼長生長遵循Logistic生長模型。而本研究中，3種模型與長牡蠣殼黑F7養(yǎng)成期的生長規(guī)律都不能完全符合。比較R2，VonBertalanffy模型的擬合程度最好，但也僅限于對養(yǎng)成期長牡蠣殼黑F7體重的生長規(guī)律提供參考。其模型的拐點參數(shù)，并不符合實際的生長發(fā)育規(guī)律。此外，模型預測值與實際測量值在350～450日齡相差很大，這可能與長牡蠣生長的季節(jié)性變化有關(guān)。近350日齡，正值長牡蠣殼黑F7繁殖季節(jié)，其總重略有下降可能與精卵排放有關(guān)。360～410日齡期間，長牡蠣殼黑F7總重迅速升高，可能與其產(chǎn)期過后恢復發(fā)育有關(guān)。這與孔寧等[10]對長牡蠣F3選育群體的生長規(guī)律研究類似。此外，長牡蠣的波動性生長與生長環(huán)境(水溫、餌料豐富度等)的周期性變化有著密切聯(lián)系，夏季水溫升高，光照充足，海水中餌料充足，有利于長牡蠣的快速增長。本實驗中，360～410日齡期間正處夏季，有利的環(huán)境促使長牡蠣總重出現(xiàn)快速生長現(xiàn)象。冬季，海水溫度降低，長牡蠣新陳代謝減緩，通常會導致長牡蠣生長減慢或停滯。與孔寧等[10]對長牡蠣F3選育群體的研究不同，本研究中長牡蠣殼黑F7總重在冬季并未發(fā)現(xiàn)明顯的生長停滯，其仍能保持緩慢增長。造成這種差別一方面可能是由養(yǎng)成環(huán)境的差異造成。另一方面可能是對多代的群體選育對長牡蠣的環(huán)境適應能力發(fā)生了改變。通過殼高、殼長、殼寬與總重的曲線擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，殼黑F7的殼高、殼長和殼寬與總重的擬合效果較好，R2均大于0.99，如此高的擬合優(yōu)度表明可以通過一個性狀準確預測另一個性狀的生長規(guī)律。

圖5 殼高、殼長、殼寬分別與總重的曲線擬合效果

表4 殼高、殼長、殼寬分別與總重的關(guān)系

注：表中y為總重，x為對應的殼高、殼長或殼寬。

Notes：ypresenttotalweight, xpresenttheshellheight,shelllengthandshell.

研究普遍認為，利用生長模型預測養(yǎng)殖對象的生長狀況，通過生長曲線的變化趨勢了解養(yǎng)殖對象在不同發(fā)育階段的生長潛力，實現(xiàn)日常養(yǎng)殖管理的合理安排，達到理想的養(yǎng)殖效果，最終能提高生產(chǎn)水平和經(jīng)濟效益[16]。但是不同的水產(chǎn)動物有不同的生活史及生長規(guī)律，進行生長擬合的時候機械套用模型，往往得不到與實際情況符合的擬合方程。因此，應考慮在生物生長的不同階段用不同的生長模型來擬合，這樣才能更好地建立符合實際情況的生長模型。本實驗中，采用了不同的生長模型對長牡蠣殼黑F7的生長情況進行模擬，取得了比較好的擬合效果，為合理制定育種計劃及生態(tài)研究提供了參考。此外，長牡蠣易受環(huán)境因素影響，在今后的研究中也需要盡量通過積累不同環(huán)境下的生物學數(shù)據(jù)，以提高生長模型的普適性來更高地指導實際生產(chǎn)。