塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚多變量形態(tài)學(xué)分析

楊天燕，孟 瑋，郭 焱，馬燕武，謝春剛，高天翔

（1.浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.新疆維吾爾自治區(qū)水產(chǎn)科學(xué)研究所，烏魯木齊 830000）

塔里木裂腹魚Schizothorax biddulphi和厚唇裂腹魚S.irregularis為鯉科Cyprinidae、裂腹魚亞科Schizothoracinae、裂腹魚屬Schizothorax魚類，中國(guó)境內(nèi)僅分布于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河水系的湖泊和河道靜水水體中，上世紀(jì)五、六十年代曾以博斯騰湖種群數(shù)量最大，一度占該湖漁獲物組成的80%[1-2]。由于生長(zhǎng)緩慢、性成熟晚、繁殖力低以及對(duì)生活環(huán)境要求較高等自身因素制約，加之近年來生態(tài)環(huán)境破壞和人為干擾影響，導(dǎo)致塔里木裂腹魚棲息水域范圍不斷縮小、自然種群資源遭到破壞，目前僅在塔里木河水系的阿克蘇河、渭干河、葉爾羌河、和田河等有一定數(shù)量分布[1-4]，厚唇裂腹魚的種群數(shù)量也為數(shù)不多，主要分布于塔什庫爾干河和托什干河上游[1]。塔里木裂腹魚于1998年被《中國(guó)瀕危動(dòng)物紅皮書》收錄[5]，之后又被列入新疆維吾爾自治區(qū)二級(jí)保護(hù)野生動(dòng)物目錄，是塔里木河流域重要珍稀魚類之一。

塔里木裂腹魚是僅分布于我國(guó)塔里木河水系的標(biāo)志性物種，迄今為止相關(guān)研究包括了資源分布調(diào)查研究、生理生態(tài)學(xué)、遺傳學(xué)、人工繁殖技術(shù)及病害防治等領(lǐng)域[3，6-15]，而厚唇裂腹魚的研究更是鮮有報(bào)道。形態(tài)分析是生物系統(tǒng)學(xué)及其多樣性研究中的重要組成部分。傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)分析主要是可數(shù)和可量性狀的比較，物種有效鑒定范圍僅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[16]。自1982年美國(guó)密歇根大學(xué)STRAUSS,et al[17]提出了魚類框架結(jié)構(gòu)（Truss Network）形態(tài)度量學(xué)方法后，越來越多的學(xué)者將該方法應(yīng)用于魚類表型特征的研究，從多維空間的角度來度量魚類外部特征。本文將多變量形態(tài)度量和框架結(jié)構(gòu)形態(tài)度量相結(jié)合，通過多變量解析、單因子方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）等方法，對(duì)采集的新疆塔里木盆地南部和田河兩支流——喀拉喀什河和玉龍喀什河的塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚群體形態(tài)學(xué)差異進(jìn)行比較分析，研究結(jié)果為進(jìn)一步了解該流域塔里木裂腹魚種群差異及其與厚唇裂腹魚的不同種間差異提供借鑒，同時(shí)也為新疆維吾爾自治區(qū)裂腹魚類生物學(xué)背景研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

測(cè)定用塔里木裂腹魚于2010年4-5月間采自新疆和田河兩支流——喀拉喀什河和玉龍喀什河，樣本數(shù)分別為30尾和16尾；厚唇裂腹魚于同時(shí)段采自喀拉喀什河，樣本數(shù)21尾。所有樣本經(jīng)無水乙醇固定后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行形態(tài)學(xué)測(cè)量。

1.2 形態(tài)學(xué)測(cè)定

分析借鑒了相關(guān)形態(tài)學(xué)研究文獻(xiàn)資料，選擇10個(gè)不同的解剖學(xué)同源坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)建測(cè)定框架結(jié)構(gòu)。每尾樣本分別測(cè)定了10個(gè)傳統(tǒng)形態(tài)參數(shù)和23個(gè)框架結(jié)構(gòu)參數(shù)，相關(guān)形態(tài)學(xué)測(cè)定指標(biāo)詳如圖1。用游標(biāo)卡尺和電子天平進(jìn)行長(zhǎng)度和重量的測(cè)定，獲得了3個(gè)裂腹魚群體67尾個(gè)體總計(jì)2 211個(gè)形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)。

圖1 框架結(jié)構(gòu)測(cè)量圖Fig.1 Drawing for measuring truss network

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel軟件繪制塔不同群體的體長(zhǎng)-體重關(guān)系圖。SPSS 19.0軟件選擇兩兩比較的單因子方差分析方法（One-way Analysis of Variance），通過最小顯著性差異法（Least-significant difference，LSD）和Tamhane’s T2多重比較進(jìn)行群體間形態(tài)差異分析，對(duì)測(cè)定的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行主成分分析，根據(jù)特征值計(jì)算不同主成分的負(fù)荷值和累積貢獻(xiàn)率，將較高得分值的主成分繪制散布圖。對(duì)所有特征變量值進(jìn)行逐步判別分析（Stepwise discriminant analysis），并基于費(fèi)歇爾線性判別法（Fisher’s linear discriminant analysis）建立塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚群體的判別公式。

其中，k為群體數(shù)量，Ai為第i個(gè)群體中判別正確的個(gè)體數(shù)量，Bi為第i個(gè)群體的實(shí)測(cè)個(gè)體數(shù)量。

2 結(jié)果

2.1 生長(zhǎng)特性

塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚體長(zhǎng)與體重關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖2所示，可以看出二者回歸曲線呈冪指數(shù)關(guān)系，具體計(jì)算公式為：采自于喀拉喀什河的塔里木裂腹魚群體W=0.018 6 L2.84（r=0.8710）；采自于玉龍喀什河的塔里木裂腹魚群體W=0.014 L3.0077（r=0.950 7）；采自于喀拉喀什河的厚唇裂腹魚群體W=0.041 2 L2.4889（r=0.951 2）。其中W代表體重（g），L代表體長(zhǎng)（cm），r代表相關(guān)性系數(shù)。

圖2 塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚體長(zhǎng)-體重關(guān)系圖Fig.2 The relationships between body-length and bodyweight in S.biddulphi and S.irregularis

2.2 單因子方差分析

為了避免大小不同對(duì)結(jié)果造成的影響，首先將參數(shù)值除以體長(zhǎng)予以校正。采用SPSS19.0對(duì)變量進(jìn)行One-way ANOVA分析和多重比較，當(dāng)變量滿足方差齊性時(shí)，采用LSD法進(jìn)行分析，當(dāng)變量不滿足方差齊性時(shí)，采用 Tamhane’s T2 法。31 組變量的單因子方差分析結(jié)果（P=0.05）見表 1，其中 A2、A5、A9、A18、A19變量的差異極顯著（P＜0.01），A3、A8、A17、A20、A28、A30 變量的差異顯著（P＜0.05）。

對(duì)不具有方差齊性的兩個(gè)變量A17和A20采用Tamhane’s T2法比較，剩余變量采用LSD法。結(jié)果顯示塔里木裂腹魚兩群體間在A8、A9、A17、A20、A25、A28這6個(gè)變量上存在差異，而兩種裂腹魚之間的差異僅表現(xiàn)在A2、A3、A18、A19這4個(gè)變量上。

2.3 主成分分析

采用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)了形態(tài)學(xué)性狀的主成分載荷值。第1主成分A19、A18、A30和A2載荷量較大，反映了頭部特征；第2主成分A24、A25、A26和A27載荷量較大，反映了背鰭-臀鰭關(guān)系特征；第3主成分A23、A7、A22和A1載荷量較大，反映了高度特征。

主成分分析得到兩種裂腹魚特征值和累積貢獻(xiàn)率，前三個(gè)主成分特征值分別為5.336、4.540和3.114，累積貢獻(xiàn)率分別為17.21%、31.86%和41.90%。前三個(gè)主成分的三維散布圖顯示兩種裂腹魚基本可以形成獨(dú)立組群，且大體上呈現(xiàn)出塔里木裂腹魚2個(gè)群體偏向于橫坐標(biāo)軸左側(cè)、而厚唇裂腹魚群體靠近橫坐標(biāo)軸右側(cè)的大體趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚形態(tài)特征的前三個(gè)主成分散布圖Fig.3 Scatter plots of scores on the first three morphological characters in S.biddulphi and S.irregularis

2.4 判別分析

采用逐步判別法對(duì)兩種裂腹魚類31個(gè)特征變量分別進(jìn)行判別分析，得出塔里木裂腹魚64個(gè)實(shí)測(cè)個(gè)體中，存在3個(gè)判別錯(cuò)誤的個(gè)體，判別準(zhǔn)確率為93.48%；厚唇裂腹魚21個(gè)實(shí)測(cè)個(gè)體中，存在2個(gè)判別錯(cuò)誤的個(gè)體，判別準(zhǔn)確率為90.48%，全部個(gè)體的綜合判別率為92.54%。構(gòu)建判別公式如下：

表1 塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚31組形態(tài)特征變量的單因子方差分析（Mean±SD，P＝0.05）Tab.1 One way ANOVA of thirty-one morphologic characteristic variables in S.biddulphi and S.irregularis(Mean±SD，P＝0.05)

塔里木裂腹魚：

厚唇裂腹魚：

2.5 聚類分析

采用Ward最小方差法，對(duì)3個(gè)群體的兩種裂腹魚類全部31個(gè)特征變量的平均值進(jìn)行聚類分析，構(gòu)建系統(tǒng)關(guān)系樹，如圖4所示。圖中縱軸A、B、C分別代表喀拉喀什河塔里木裂腹魚群體、玉龍喀什河塔里木裂腹魚和喀拉喀什河厚唇裂腹魚，橫軸表示距離參數(shù)。從圖中可以看出，兩個(gè)群體的塔里木裂腹魚首先聚類，再與厚唇裂腹魚群體聚類。進(jìn)一步對(duì)兩種裂腹魚67個(gè)個(gè)體分別聚類（圖5），縱軸左側(cè)為群體代號(hào)（1-喀拉喀什河塔里木裂腹魚群體、2-玉龍喀什河塔里木裂腹魚，3-喀拉喀什河厚唇裂腹魚），右側(cè)為樣本編號(hào)，橫軸為距離參數(shù)。聚類圖顯示所有個(gè)體也分成兩支，在去除判別錯(cuò)誤的個(gè)體前提下，一支主要為厚唇裂腹魚，而另一支絕大多數(shù)由塔里木裂腹魚構(gòu)成，且該支進(jìn)一步分成兩亞支，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)支流的群體。

圖4 三個(gè)群體裂腹魚聚類關(guān)系圖Fig.4 The dendrogram of three populations

圖5 基于全部個(gè)體形態(tài)學(xué)變量的聚類關(guān)系樹Fig.5 Clustering tree based on morphological variables of all individuals

3 討論

根據(jù)對(duì)魚類體長(zhǎng)與體重關(guān)系的研究，參數(shù)b值不等于3時(shí)魚類呈異速增長(zhǎng)，參數(shù)a值越大魚體越肥滿度越高[18-19]。本實(shí)驗(yàn)中，采自玉龍喀什河的塔里木裂腹魚體長(zhǎng)-體重關(guān)系曲線b值接近3，幾乎為等速生長(zhǎng)；其余兩個(gè)群體b值均不等于3，提示喀拉喀什河塔里木裂腹魚群體和厚唇裂腹魚群體均為異速生長(zhǎng)。從代表魚體肥滿度指標(biāo)的a值來看，塔里木裂腹魚均小于厚唇裂腹魚，表明相比塔里木裂腹魚而言，厚唇裂腹魚更肥碩，推測(cè)造成這種差異的原因可能與兩種裂腹魚食性有關(guān)。前者主要以底棲動(dòng)物、碎屑和藻類為食，屬偏動(dòng)物性雜食性魚類[8]，后者主要攝食附著礫石上的絲狀藻類、硅藻以及有機(jī)碎屑等，屬偏植物性雜食魚類[20]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)喀拉喀什河和玉龍喀什河的塔里木裂腹魚群體體長(zhǎng)、體重差異不大，推測(cè)或許與不同河流的水質(zhì)和餌料生物組成以及地理環(huán)境條件相似有一定關(guān)系。

一個(gè)正常的魚類種群是由于處于不同生長(zhǎng)期、不同年齡段的若干個(gè)體組成的，在資源利用過程中，需要了解該區(qū)域內(nèi)魚類種群的結(jié)構(gòu)以維持種群的穩(wěn)定。本研究通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚個(gè)體的體長(zhǎng)范圍多集中在95～120 mm間，未見到較大個(gè)體。這一方面與高原溪流或湖泊等嚴(yán)峻環(huán)境中生活的裂腹魚類生長(zhǎng)緩慢、性成熟較遲、繁殖力低有關(guān)，另一方面也與捕撈壓力過大，造成種群年齡組成偏小有關(guān)。因此，有關(guān)部門有必要進(jìn)一步加強(qiáng)漁業(yè)管理，控制捕撈強(qiáng)度以避免破壞正常的種群結(jié)構(gòu)。此外，近年來在和田河上游修建的各類水利工程設(shè)施，對(duì)該流域水生態(tài)系統(tǒng)的完整性、生物多樣性產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間、疊加累積的綜合影響，造成了裂腹魚類自然分布種群數(shù)量明顯下降以及個(gè)體小型化、低齡化，建議在魚類調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行兩河段魚類資源保護(hù)措施的研究工作，采取如設(shè)置魚類增殖站和攔魚設(shè)施等措施對(duì)魚類進(jìn)行保護(hù)。

吻部和下唇的差異是塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚進(jìn)行形態(tài)學(xué)鑒定的主要特征，塔里木裂腹魚吻尖、下唇窄、唇后溝中斷，厚唇裂腹魚吻鈍、下唇肥大、中央不連續(xù)。One-way ANOVA結(jié)果顯示，塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚的31個(gè)特征變量中，有5個(gè)變量表現(xiàn)出極顯著差異，6個(gè)變量表現(xiàn)出顯著差異，僅占總變量的16%和19%，結(jié)果表明這兩種魚外部形態(tài)差異較小。在主成分散點(diǎn)圖中，塔里木裂腹魚群體和厚唇裂腹魚群體雖然形成相對(duì)獨(dú)立的組群，但個(gè)體間存在交叉散布現(xiàn)象，該結(jié)果也同樣說明了這一問題。

判別分析法又稱為分辨法，是依據(jù)已有研究對(duì)象的特征值，去判別該物種類型歸屬的多變量統(tǒng)計(jì)分析方法[21]。本研究通過逐步判別法對(duì)兩種裂腹魚類特征變量進(jìn)行判別，結(jié)果顯示，塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚群體的判別成功率為均達(dá)到90%以上，識(shí)別度較高。進(jìn)一步采用離差平方和法，基于形態(tài)學(xué)特征變量平均值構(gòu)建了聚類關(guān)系樹，可以看出，基于個(gè)體差異的聚類存在一定的交叉，這與主成分分析結(jié)果相一致。而群體聚類的結(jié)果則能更好的反映出種間差異。

幾何形態(tài)測(cè)量法已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、考古學(xué)、人類學(xué)和脊椎動(dòng)物學(xué)等領(lǐng)域，近年來在魚類種群鑒定和遺傳差異比較方面也有較多應(yīng)用。程起群等[22]采用形態(tài)學(xué)手段對(duì)刀鱭和湖鱭種群進(jìn)行了差異判別，認(rèn)為二者是同種內(nèi)的不同地理種群，還沒有達(dá)到亞種分化水平；高天翔等[23]對(duì)采自中國(guó)沿海7個(gè)群體的斑尾復(fù)鰕虎魚進(jìn)行了形態(tài)學(xué)分析，結(jié)果顯示7個(gè)群體分為差異極顯著的兩組，分析結(jié)果與地理分布不一致，推測(cè)斑尾復(fù)鰕虎魚群體形態(tài)特征的影響主要來自于大小和繁殖季節(jié)，而地理距離的影響不大；孟立霞[24]運(yùn)用多變量形態(tài)度量學(xué)方法，對(duì)雅礱江5種（亞種）裂腹魚類間的形態(tài)學(xué)差異進(jìn)行了研究，為西南地區(qū)裂腹魚類系統(tǒng)分類提供了基礎(chǔ)資料。

在漫長(zhǎng)的適應(yīng)進(jìn)化過程中，魚類形態(tài)學(xué)性狀（包括外部形態(tài)與內(nèi)部構(gòu)造）伴隨著其棲息地環(huán)境的改變而不斷發(fā)生分化，這也是魚類在生活習(xí)性和生理機(jī)能對(duì)自然條件長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果。曹文宣等[25]在對(duì)青藏高原魚類起源和進(jìn)化研究過程中指出，青藏高原獨(dú)特的魚類區(qū)系形成和分化是伴隨著青藏高原急劇隆升而產(chǎn)生的。受到地理隔離和生境改變的影響，或是適應(yīng)的食物或水文條件產(chǎn)生變化，最終造成了裂腹魚類屬內(nèi)種間的分化[25-26]。生物性狀的表現(xiàn)除了受到環(huán)境因素的制約外，遺傳物質(zhì)更起到關(guān)鍵性影響，因此，可以說環(huán)境和遺傳共同作用決定了生物的個(gè)體形態(tài)差異。本研究從形態(tài)學(xué)角度，采用多變量形態(tài)學(xué)測(cè)量方法對(duì)分布于新疆喀拉喀什河和玉龍喀什河的塔里木裂腹魚和厚唇裂腹魚進(jìn)行了初步研究，得到的數(shù)據(jù)和結(jié)果十分有限，后續(xù)有必要進(jìn)一步擴(kuò)大采樣規(guī)模和數(shù)量，結(jié)合染色體核型分析、同工酶/蛋白質(zhì)電泳分析及DNA序列測(cè)定等手段進(jìn)行探討，后續(xù)研究結(jié)果將為新疆地區(qū)裂腹魚類保護(hù)和分類研究提供更多參考。