6個(gè)克氏原螯蝦群體形態(tài)學(xué)分析

徐 濱，李 忠，魏開(kāi)金，馬寶珊，朱祥云，徐 進(jìn)

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430223)

克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)，屬于甲殼綱(Crustacea)十足目(Decapoda)鰲蝦科(Cabaridae)[1],原產(chǎn)于墨西哥北部和美國(guó)南部，后擴(kuò)散至夏威夷、日本、歐洲和尼羅河流域[2]。1918年移植到日本，20世紀(jì)30年代末由日本引入我國(guó)南京地區(qū)。由于其適應(yīng)性廣、生命力和繁殖能力強(qiáng)，對(duì)水質(zhì)要求不高，現(xiàn)已遍布于我國(guó)中東部地區(qū)十余省市，在有些地方已成為一些湖泊和溝渠的優(yōu)勢(shì)種群,也是我國(guó)一種重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)象[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了克氏原螯蝦的多種生物學(xué)方面研究[4-7]；Barki等[8]用Von Beralanffy 生長(zhǎng)方程描述了克氏原螯蝦的生長(zhǎng)情況；李浪平等[9]和唐建清等[10]對(duì)其形態(tài)參數(shù)及生長(zhǎng)模型等進(jìn)行了研究；Barbaresi等[11-12]、Yue等[13]、劉煒[14]及Wang等[15]利用微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)克氏原螯蝦的遺傳多樣性進(jìn)行了研究。多元統(tǒng)計(jì)分析可以對(duì)形態(tài)特征的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，在魚類物種鑒定、種群變異及性別差異等方面大量應(yīng)用[16-17]。本研究應(yīng)用聚類分析、判別分析和主成分分析方法對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)6個(gè)克氏原螯蝦群體的遺傳差異進(jìn)行了探討，以期為克氏原螯蝦地理群體的形態(tài)差異、種質(zhì)資源挖掘與遺傳育種提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料

6個(gè)克氏原螯蝦野生群體分別采自于長(zhǎng)江中下游的湖北、江蘇、安徽、湖南4個(gè)省，均采自天然湖泊或河流。每組群體樣本數(shù)量均為30個(gè)。盱眙群體(x)采自江蘇省淮安市盱眙縣洪澤湖；合肥群體(h)采自安徽省合肥市蜀山湖；沅江群體(y)采自湖南省沅江市洞庭湖；武漢群體(w)采自湖北省武漢市梁子湖；潛江群體(q)采自湖北省潛江市；沙市群體(yw)采自湖北省荊州市。所有活體樣品都保鮮運(yùn)至長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所實(shí)驗(yàn)室直接測(cè)量。

1.2 形態(tài)參數(shù)測(cè)量

用游標(biāo)卡尺測(cè)量每尾蝦的全長(zhǎng)、體長(zhǎng)、頭胸甲長(zhǎng)、頭胸甲寬、腹長(zhǎng)、腹寬、尾扇長(zhǎng)，精確到0.001 cm；用天平稱體質(zhì)量和精確到0.01 g，方法參照文獻(xiàn)[18]，測(cè)量圖見(jiàn)圖1，樣本信息見(jiàn)表1。

圖1 克氏原螯蝦各形態(tài)測(cè)量指標(biāo)Fig.1 The morphological measurement indexes of P.clarkii 1:全長(zhǎng)；2：體長(zhǎng)；3：頭胸甲長(zhǎng)；4：腹長(zhǎng)； 5：尾扇長(zhǎng)；6：頭胸甲寬；7：腹寬

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 22.0軟件包處理：F檢驗(yàn)法；聚類分析、主成分分析和判別分析3種多元分析方法，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3.1 聚類分析

為了科學(xué)合理地進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析，消除蝦體規(guī)格對(duì)參數(shù)值的影響，多元分析中采用除以體長(zhǎng)校正或取2個(gè)形態(tài)參數(shù)比值。本研究選用10項(xiàng)形態(tài)特征比例參數(shù)，各參數(shù)代號(hào)見(jiàn)表2。

表1 6個(gè)克氏原螯蝦群體的樣本信息Tab.1 Samples information of P.clarkii

表2 形態(tài)比例參數(shù)與代碼Tab.2 Morphological parameters and codes

1.3.2 主成分分析

在主成分分析前，利用SPSS 16.0軟件對(duì)6個(gè)群體的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，同時(shí)為了消除不同規(guī)格個(gè)體對(duì)參數(shù)值的分析造成一定影響，將各形態(tài)參數(shù)值分別除以對(duì)應(yīng)的體長(zhǎng)作為度量值予以校正處理。采用SPSS軟件對(duì)10個(gè)群體的形態(tài)學(xué)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到各主成分的特征值、主成分貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率等。

1.3.3 判別分析

在已知測(cè)量值的參數(shù)比例中判斷各群體性質(zhì)，建立判別函數(shù)，用程序分析判別出各群體的類別。判別準(zhǔn)確率的計(jì)算參照李思發(fā)等[16]的方法：

判別準(zhǔn)確率=某克氏原螯蝦群體判別正確的尾數(shù)/該群體實(shí)際尾數(shù)×100%，

式中：Ai為第i個(gè)群體中判別正確的尾數(shù)，Bi為第i個(gè)群體中的實(shí)際尾數(shù)，k為群體數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 性狀參數(shù)

正態(tài)檢驗(yàn)表明克氏原螯蝦各群體形態(tài)數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。各性狀參數(shù)見(jiàn)表3，從性狀參數(shù)看，6個(gè)群體的克氏原螯蝦均表現(xiàn)出頭胸甲長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A3)、頭胸甲寬/體長(zhǎng)(A6)雄性大于雌性，腹部長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A4)雌性大于雄性，在體型特征上存在差異。

表3 不同群體克氏原螯蝦的性狀參數(shù)Tab.3 Appearance parameters of different populations of P.clarkii

2.2 克氏原螯蝦6個(gè)群體的聚類分析

6個(gè)群體雌、雄體群體歐式距離平方見(jiàn)表4。對(duì)其進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明(見(jiàn)圖2)，無(wú)論是雄蝦還是雌蝦，6個(gè)群體可分為三個(gè)主要分支。第一分支為潛江、沅江和武漢三個(gè)群體，其中潛江和沅江群體遺傳距離最短，表明它們之間的親緣關(guān)系最近。沙市群體和合肥群體構(gòu)成第二分支，兩群體間的遺傳距相對(duì)較短，親緣關(guān)系較近。第一和第二分支先聚類，然后才與第三分支盱眙群體聚類，說(shuō)明盱眙群體與其他群體的遺傳距離最遠(yuǎn)。

2.3 主成分分析

對(duì)6個(gè)不同群體的克氏原螯蝦的性狀參數(shù)進(jìn)行主成分分析，共獲得4 個(gè)主成分，10個(gè)性狀參數(shù)入選主成分的特征向量、性狀特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4。其中雌蝦的4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.80%，雄蝦的4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.29%，利用這些進(jìn)行主成分分析能基本上反映所隱含的信息。

雌蝦的第一主成分特征值為4.14，方差貢獻(xiàn)率為41.38%，其主要作用的是腹部寬/體長(zhǎng)(A7)和腹部寬/腹部長(zhǎng)(A10)，反映了克氏原螯蝦的腹部特征；第二主成分的特征值為1.95，方差貢獻(xiàn)率為19.54%，其主要作用的是腹部寬/頭胸甲寬(A8)，反映了克氏原螯蝦的寬度特征；第三主成分主要作用的是頭胸甲長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A3)和腹部長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A4)，反映的是長(zhǎng)度的特征；第四主成分主要反映的是腹部長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A4)。雄蝦的第一主成分特征值為3.81，方差貢獻(xiàn)率為38.06%，其主要作用的是頭胸甲寬/體長(zhǎng)(A6)、體質(zhì)量/體長(zhǎng)(A1)和頭胸甲寬/頭胸甲長(zhǎng)(A9)，反映了克氏原螯蝦的頭胸甲特征；第二主成分的特征值為2.13，方差貢獻(xiàn)率為21.31%，其主要作用的是腹部寬/頭胸甲寬(A8)和腹部寬/腹部長(zhǎng)(A10)，反映了克氏原螯蝦的寬度特征；第三主成分主要作用的是腹部長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A4)反映的是長(zhǎng)度的特征；第四主成分主要反映的是頭胸甲長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A3)。從上述產(chǎn)生影響的變量中可以看出，腹部寬、腹部長(zhǎng)、頭胸甲寬和體長(zhǎng)是決定雌雄克氏原螯蝦6個(gè)群體形態(tài)分類的主要依據(jù)。此外，對(duì)雌蝦形態(tài)差異影響較大的還有全長(zhǎng)和尾扇長(zhǎng)2個(gè)性狀，雄蝦的體質(zhì)量也對(duì)其形態(tài)有一定的影響力。

圖2 克氏原螯蝦雌、雄群體6群體聚類分析圖Fig.2 Clustering analysis on six different populations of P.clarkii

表4 克氏原螯蝦特征值及累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab.4 Principal eigen and cumulative contribution rate of P.clarkii

在6個(gè)雌蝦群體中(表5)，第一主成分貢獻(xiàn)率最高的是合肥群體(38.66%)，最低為武漢群體(29.31%)；4個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率最高的是潛江群體(85.91%)，最低為沅江群體(81.56%)。雄蝦群體中，第一主成分貢獻(xiàn)率最高的為沅江群體(36.83%)，最低為潛江群體(27.82%)；4個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率最高的是沅江群體(89.74 %)，最低為武漢群體(81.42%)。

表5 6個(gè)克氏原螯蝦群體累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab.5 Cumulative contribution rate six population of P.clarkia %

2.4 雌蝦6個(gè)群體的判別函數(shù)

對(duì)6個(gè)群體雌蝦的10個(gè)比例參數(shù)進(jìn)行逐步判別，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，判別效果都比較好，雌體的a1、a7、a8、a9和a10性狀差異不顯著，雄體的a1-4、a7、和a10性狀差異不顯著。武漢、沅江、潛江、盱眙、沙市和合肥雌蝦群體的判別準(zhǔn)確率P1分別是69.23%、88.24%、81.25%、86.67%、78.95%和100%，判別準(zhǔn)確率P2分別是64.29%、83.33%、72.22%、100%、88.24%和100%。武漢、沅江、潛江、盱眙、沙市和合肥雄蝦群體的判別準(zhǔn)確率P1分別是100%、84.62%、78.57%、93.75%、100%和94.74%，判別準(zhǔn)確率P2分別是85%、91.67%、84.62%、93.75%、100%和100%(見(jiàn)表6)。F檢驗(yàn)結(jié)果表明，雌、雄蝦群體判別公式是可靠的。

表6 6群體克氏原螯蝦的判別方程及判別結(jié)果Tab.6 Discriminant equation and discrimination results of six population of P.clarkia

3 討論

多元分析方法已逐漸滲透到育種和進(jìn)化方面的研究，并在不同的生物類群的應(yīng)用中獲得較好的效果，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者利用該方法對(duì)魚類、蝦蟹類和貝類等進(jìn)行過(guò)分析[16-17,19-22]，研究結(jié)果也顯示這三種分析方法通過(guò)不同的角度進(jìn)行分析，雖然所獲得的結(jié)果具有一定的相似性，但彼此不能代替。

本研究顯示6個(gè)群體的克氏原螯蝦在形態(tài)上已經(jīng)產(chǎn)生了一定程度的變異，可以從形態(tài)上很好地區(qū)分盱眙群體、合肥群體和沙市群體。沅江與潛江兩個(gè)群體之間的差異性最小，兩者與武漢群體集為一支，表明3個(gè)群體親緣關(guān)系比較近。沙市和合肥兩個(gè)群體之間差異性較大，兩群之間的親緣關(guān)系很近。盱眙群體與其他群體之間的差異性很大，可以認(rèn)為盱眙群體是另一群，區(qū)別于其他的5個(gè)群體，這表明長(zhǎng)江中游地區(qū)的克氏原螯蝦群體與江蘇盱眙這一長(zhǎng)江下游地區(qū)的群體親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。韓曉磊[23]和張龍等[24]對(duì)不同地區(qū)的克氏原螯蝦形態(tài)差異分析也表明江蘇群體與湖北群體形態(tài)差異較遠(yuǎn)，符合地理距離遠(yuǎn)近和群體親緣關(guān)系的一般規(guī)律，與本研究結(jié)果相一致。同時(shí)長(zhǎng)江中游5個(gè)群體之間存在基因流，地理距離可能是導(dǎo)致不同地理群體出現(xiàn)基因流的主因，一般認(rèn)為這是由于水體環(huán)境水溫、底質(zhì)及水體餌料的豐富程度等的影響導(dǎo)致其形態(tài)、生理、生態(tài)甚至遺傳上出現(xiàn)差異。

主成份分析結(jié)果顯示腹部寬、腹部長(zhǎng)、頭胸甲寬和體長(zhǎng)4個(gè)性狀是決定這6個(gè)群體形態(tài)分類的主要依據(jù)，表明這4個(gè)性狀是所分析性狀中進(jìn)化速度相對(duì)較快的性狀。該結(jié)果與郭慧等[25]研究的羅氏沼蝦、孫成波等[26]研究的凡納濱對(duì)蝦、韓曉磊等[23]及鄭友等[27]對(duì)克氏原螯蝦研究結(jié)果一致。張龍等[24]對(duì)長(zhǎng)江流域10個(gè)不同水域克氏原螯蝦野生群體形態(tài)差異進(jìn)行分析后認(rèn)為，其主要集中在腹節(jié)因子上，但他沒(méi)有測(cè)量體長(zhǎng)數(shù)據(jù)，以性狀參數(shù)除以全長(zhǎng)校正，本研究是以性狀參數(shù)除以體長(zhǎng)校正，同時(shí)將雌雄數(shù)據(jù)分別處理。其中雌蝦的主要決定性狀是腹部寬、腹部長(zhǎng)和體長(zhǎng)，雄蝦的主要決定性狀是頭胸甲寬、腹部寬和體長(zhǎng)，這與6個(gè)群體的克氏原螯蝦在頭胸甲長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A3)和頭胸甲寬/體長(zhǎng)(A6)雄性大于雌性、腹部長(zhǎng)/體長(zhǎng)(A4)雌性大于雄性的結(jié)果相呼應(yīng)。同時(shí)對(duì)克氏原螯蝦雌蝦形態(tài)差異影響較大的還有全長(zhǎng)和尾扇長(zhǎng)這2個(gè)性狀，雄蝦的體質(zhì)量對(duì)其形態(tài)也有一定的影響。

判別分析是群體鑒定的常用方法，建立判別公式可以根據(jù)單因子F值的大小，找出對(duì)判別作用較大的參數(shù)[23,27]。本研究成功建立了6個(gè)群體的判別函數(shù)。其中雌體判別準(zhǔn)確率為69.23% ～ 100%(P1)和64.29% ～100%(P2)，綜合判別準(zhǔn)確率為83.52%；雄體為78.57%～100%(P1)和84.62%～100%(P2)，綜合判別準(zhǔn)確率為92.23%，判別準(zhǔn)確率較高，表明其能夠用于對(duì)這6個(gè)群體進(jìn)行有效的判定。本研究綜合判別率和韓曉磊[23]、鄭友等[27]研究結(jié)果類似，但雌性綜合判別率略低，雄性綜合判別率略高，可能是由于選取的性狀為種間分類學(xué)形態(tài)指標(biāo)，這些群體在形態(tài)上雖有差異，但沒(méi)有達(dá)到亞種水平，同時(shí)選取的群體位于不同區(qū)域的原因。