棘胸蛙的兩性異形及生殖力

龍嘉航 侯金亮 胡亞洲 向建國* 潘望城

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，長沙，410128；2.常德大北農(nóng)飼料有限公司，常德，415400)

Darwin[1]最早對生物的兩性異形進行了研究并認為性別差異性狀與相關的求愛行為之間存在密切聯(lián)系，從而為作為兩性異形的主要進化機制——性選擇理論奠定了基礎。雌雄外部形態(tài)性狀差異的形成歸因于生育力選擇(雌性較大)[2]或性選擇(雄性較大)[3]。也有其他關注于副性征的兩性異形的研究，如蛙的體色支持性選擇或性生態(tài)位劃分理論[4]。但兩性異形產(chǎn)生的原因爭議不斷，還未統(tǒng)一定論。兩棲類形態(tài)上的兩性異形研究及其與雌性生殖力的關系受到廣泛關注，如東北林蛙(Ranadybowskii)[5]的雌性成體大于雄性成體；棘腹蛙(Quasipaaboulengeri)[6]和飾紋姬蛙(Microhylafissipes)[7]雌性的生殖力均與個體大小有關。

棘胸蛙(Quasipaaspinosa)屬兩棲綱(Amphibia)，無尾目(Anura)，新蛙亞目(Neobatrachia)，叉舌蛙科(Dicroglossidae)，棘蛙屬，其中大多數(shù)種確認分布在中國境內，屬于易危物種[8]。近年內棘胸蛙自然資源日益減少[9-10]。目前國內外對棘胸蛙的兩性異形的研究集中于體型與繁育之間的關系[11-12]；Yu等[13]揭示了地理環(huán)境對棘胸蛙兩性異形的影響。食物組成、能量配置等因素會在很大程度上影響個體形態(tài)大小[14]。研究兩性異形特征與能量配置以及生殖力之間是否存在關聯(lián)，對于棘胸蛙的保育工作具有一定的指導意義。

本研究通過對性成熟棘胸蛙數(shù)量性狀的測量，比較了雌雄外表形態(tài)和肝臟、肺臟等主要器官組織的差異。旨在通過較全面地比較棘胸蛙雌雄間形態(tài)差異，探索差異形態(tài)性狀與器官組織能量分配的關系，并尋找雌雄的體大小與生殖力的相關性，為解析導致棘胸蛙雌雄異形現(xiàn)象的原因提供理論參考。

1 材料與方法

樣本于2020年2月在湖南石門采集(29°16′—30°8′ N，110°29′—111°33′ E)，性成熟棘胸蛙共103只(雄性50只，雌性53只)。通過胸部是否存在刺疣以及解剖來判斷性別。用數(shù)顯游標卡尺統(tǒng)一測量動物體右側頭體長、頭長等16個形態(tài)數(shù)量性狀(精確到0.01 mm)：各個形態(tài)數(shù)量性狀測量標準參照文獻[15]及圖1。用電子天平稱量體重(body mass，BM)以及皮重(skin mass，SKM)、心臟重(heart mass，HM)、肺臟重(lung mass，LUM)、脾臟重(spleen mass，SPM)、腎臟重(kidney mass，KM)、肝臟重(liver mass，LIM)、性腺重(gonad mass，GM)、脂肪重(fat mass，F(xiàn)M)、消化道重(DTM)10個重量數(shù)量性狀(精確到0.01 g)。

雌性個體取出的卵巢測總重(F)后，隨機選取其中一部分卵巢稱重(FN1)，對這部分的卵進行計數(shù)，記為N，最終計算雌性個體的懷卵量即生殖力(FN)，其公式為：FN=N/FN1×F。

雄性個體睪丸由于無法計數(shù)則直接采用精巢重(g)作為代表生殖力的指標。重復測量3次取平均值。

計算兩性異形程度公式[16]為：

兩性異形程度=1-(體型較小性別的平均體長/體型較大性別的平均體長)。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)計算分析與制圖采用軟件Excel 2010和SPSS 23.0，結果采用“平均值±標準誤”表示。用 Kolmogorov-Smirnov和Bartlett 分別檢測所有數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差同質性，經(jīng)檢驗，數(shù)據(jù)符合參數(shù)統(tǒng)計條件。采用t-檢驗檢測體長和體重的兩性差異；皮爾森相關性檢驗分析其他形態(tài)數(shù)量性狀與頭體長、重量數(shù)量性狀與體重是否顯著相關，顯著相關數(shù)量性狀的兩性差異分別采用頭體長和體重作為協(xié)變量進行協(xié)方差分析獲得。采用皮爾森相關性檢驗分析雌雄群體形態(tài)數(shù)量性狀與重量數(shù)量性狀的相關性。線性回歸分析雌性生殖力(懷卵量)與體大小、雄性生殖力(精巢重)與體大小是否具有相關性。顯著性水平設置為α=0.05。

3 結果與分析

3.1 形態(tài)數(shù)量性狀的兩性異形

t-檢驗結果表明，湖南石門地區(qū)棘胸蛙雌雄個體的頭體長間不存在顯著差異。棘胸蛙雄性頭體長平均值略大于雌性，兩性異形指數(shù)為0.002。棘胸蛙頭體長與其他15個形態(tài)數(shù)量性狀均顯著正相關(RHL=0.65，P<0.01；RHW=0.75，P<0.01；RSL=0.64，P<0.01；RINS=0.45，P<0.01；RIOS=0.32，P<0.01；RED=0.597，P<0.01；RUEW=0.42，P<0.01；RTD=0.46，P<0.01；RLAHL=0.59，P<0.01；RHAL=0.58，P<0.01；RLAW=0.36，P<0.01；RHLL=0.71，P<0.01；RTL=0.69，P<0.01；RTW=0.57，P<0.01；RFTL=0.63，P<0.01)。

協(xié)方差分析結果(表1)顯示，在控制頭體長的情況下，雌雄個體的頭長、頭寬、前臂及手長、手長、前臂寬、腿長、脛長和脛寬間差異達到顯著水平(P<0.05)；吻長、鼻間距、眼間距、眼徑、上眼瞼寬、鼓膜徑、跗足長差異不具有統(tǒng)計學意義(P>0.05)，即雄性個體的頭長、頭寬、前臂及手長、手長、前臂寬、腿長、脛長和脛寬顯著高于雌性。

表1 成體棘胸蛙雌雄兩性的形態(tài)數(shù)量性狀差異

3.2 重量數(shù)量性狀的兩性差異

t-檢驗結果表明，湖南石門地區(qū)棘胸蛙雌雄個體間體重不存在顯著差異。棘胸蛙體重與其他9個重量數(shù)量性狀均顯著正相關(RSKM=0.90，P<0.01；RHM=0.69，P<0.01；RLUM=0.53，P<0.01；RSPM=0.65，P<0.01；RGM=0.34，P<0.01；RKM=0.76，P<0.01；RLIM=0.71，P<0.01；RFM=0.58，P<0.01；RDTM=0.62，P<0.01)。

協(xié)方差分析結果(表2)表明，在控制體重的情況下，皮重、心臟重、肺臟重、性腺重、腎臟重、肝臟重、脂肪重差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；脾臟重和消化道重差異未達到顯著水平(P>0.05)。其中，雄性個體的皮重、心臟重、肺臟重和腎臟重顯著高于雌性，雌性個體的性腺重、肝臟重和脂肪重明顯高于雄性。雌雄間存在差異的重量數(shù)量性狀與一些形態(tài)數(shù)量性狀顯著相關(圖2)，其中肝臟重在雌雄個體中均與16個形態(tài)性狀相關性顯著(P<0.05)。

表2 成體棘胸蛙雌雄兩性的重量數(shù)量性狀差異

續(xù)表2

3.3 生殖力與體大小的線性回歸關系

棘胸蛙雌性的生殖力隨體重(F=19.54，P<0.01)和頭體長(F=26.85，P<0.01)的增加而增加，(圖3A-B)。一元線性回歸分析表明：棘胸蛙雄性生殖力(精巢重，g)隨體重(F=12.36，P<0.01)和頭體長(F=6.79，P<0.05)的增加而增加(圖3C-D)。

4 結論與討論

4.1 形態(tài)數(shù)量性狀的兩性異形

兩棲類中的兩性異形可根據(jù)身體大小分為3種類型：雌雄同型[17]、雄性體型較大[18]、雌性體型較大[19]。大部分兩棲類(無尾目中90%；有尾目Caudata中61%)都表現(xiàn)出雌性體型大于雄性[20]。本研究結果表明：棘胸蛙雄性與雌性個體的頭體長和體重間無顯著差異，兩性異形表現(xiàn)在前臂及手長、手長、前臂寬、腿長、脛寬、脛長、頭長和頭寬這些局部形態(tài)特征上，且雄性大于雌性，所以湖南石門棘胸蛙是雄性體型較大類型。兩性異形指數(shù)為0.002，與安徽棘胸蛙的0.06[21]，閩西山區(qū)棘胸蛙0.07[18]，湖南平江棘胸蛙的0.09[11]以及同屬的雙團棘胸蛙(Quasipaayunnanensis)的0.01[22]相比較小。棘胸蛙兩性異形程度與當?shù)刈罡邷囟群徒邓砍收嚓P[13]。本研究的棘胸蛙兩性異形程度與Yu等[13]研究中5個采集地的棘胸蛙相比最低，湖南石門的降水量和最高溫度與5個采集地相比最低。也就是說，本研究的棘胸蛙與其他地區(qū)的棘胸蛙兩性異形程度有異，可能是因為物種的兩性異形程度與棲息地生境密切相關。物種兩性異形程度的地理變異也存在于中國林蛙(Ranachensinensis)：越往北方，降水量越大，環(huán)境溫度越低，兩性異形程度越明顯，如內蒙古扎蘭屯種群的兩性異形指數(shù)高于河南鄭州種群[23]。黑龍江林蛙(R.amurensis)兩性異形差異程度與海拔呈正相關[24]。

本研究中，棘胸蛙雄性的前臂及手長、手長、前臂寬均大于雌性，說明前肢粗壯且長，便于與雌性在繁殖季節(jié)抱對，提高繁殖率；雄性的腿長、脛寬、脛長也大于雌性，便于跳躍活動，提高覓食效率。這與棘腹蛙以及浙江金華的棘胸蛙結果[6，13]一致。雄性的頭長和頭寬大于雌性，這與平江棘胸蛙未檢測到頭寬差異的結果[11]不同，頭寬增大的同時，可利用食物的體積增大，從而獲取更高的能量來增大個體；棘胸蛙在性選擇時，雄性會強化有利于捕食和繁殖的形態(tài)特征。

性選擇學說認為雄性中體型較大者同時攜帶了優(yōu)質基因，雌性與其交配會增加繁殖成功率[25]；抱對時，雄蛙增加個體大小能增大抱對的概率，但體型過大的雄蛙也會造成雌蛙的負擔[26]。本研究雌雄個體間體大小不具有顯著差異，但出現(xiàn)明顯差異的各形態(tài)指標可以增強雄性競爭力支持性選擇學說。雄性爭奪資源能力與雌性對雄性的選擇息息相關，進而影響繁殖成功率，雌雄形態(tài)特征差異也在此過程中強化。

4.2 重量數(shù)量性狀的兩性差異

重量數(shù)量性狀不僅能反映個體發(fā)育和健康的狀態(tài)，還與個體的生長性能及性狀息息相關。影響脊椎動物個體大小的主要因素之一是攝食及消化能力，消化效率越強，其生長速度越快，個體越大[14]。此外，雌雄個體能量的分配差異也是導致雌雄個體大小出現(xiàn)差異的重要原因之一[27]。本研究中棘胸蛙雌性個體的肝臟重、性腺重和脂肪重明顯高于雄性，其能量傾向于繁殖儲存；肝臟重與形態(tài)性狀相關性顯著。肝臟是兩棲類重要的消化器官，其發(fā)育狀態(tài)影響各種營養(yǎng)物質的代謝，從而影響個體大小。雄性個體皮重、心臟重、肺臟重和腎臟重顯著高于雌性，雄性的呼吸及循環(huán)排泄上能量占比更多。棘胸蛙雌雄間存在顯著差異的重量數(shù)量性狀與繁殖、呼吸及消化代謝等功能密切相關，這也可能是造成雌雄外形差異的原因之一。

4.3 生殖力

繁殖是動物生活史中重要的一個環(huán)節(jié)。棘胸蛙是1年多次產(chǎn)卵型，雌性生殖力主要依據(jù)懷卵量來判斷大小[28]。成年雌體越大，繁殖輸出越強，腹腔容納量越大，從而提高繁殖適合度[6]。棘胸蛙雌性的生殖力(懷卵量)與頭體長和體重呈正相關，此結果支持生殖力假說。棘腹蛙[6]、海陸蛙(Fejervaryacancrivora)[29]、中國林蛙[23]等相關研究也證實了雌蛙可以通過增加體大小實現(xiàn)繁殖率的提高。本研究棘胸蛙雄性個體生殖力(精巢重)與體大小呈正相關，雄性也有可能通過增加體大小來相應增加自身的精巢重來提高繁殖率。這也許是雌蛙傾向于選擇體型更大的雄蛙與其交配[20]的一個重要原因。

對個體形態(tài)數(shù)量性狀值綜合分析可知，湖南石門棘胸蛙是雄性體型較大的兩性異形類型。協(xié)方差分析兩性差異結果表示，雄性會強化有利于捕食和繁殖的形態(tài)特征，故在性選擇中雄性更占優(yōu)勢；棘胸蛙雌雄間存在顯著差異的重量數(shù)量性狀與繁殖、呼吸及消化代謝等功能密切相關，其中肝臟重在雌雄個體中均與16個形態(tài)性狀相關性顯著。雌性生殖力與體大小呈正相關的結果支持生殖力選擇壓力假說。雄性個體可通過增加體大小來提高生殖力，從而提高自身被雌性選擇的競爭力。也就是說，在性選擇、生殖力選擇等壓力作用下，棘胸蛙形態(tài)特征與功能性器官組織隨性別分化而產(chǎn)生差異且相互之間相關性顯著，促進其兩性異形的進化。