湖北7個(gè)克氏原螯蝦群體形態(tài)差異分析

崔學(xué)海，沙 航，郜衛(wèi)華，梁宏偉，羅相忠

(1.長江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，湖北荊州434020；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所，武漢430223)

克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)俗稱小龍蝦，又稱克氏螯蝦、紅色沼澤螯蝦，隸屬節(jié)肢動(dòng)物門甲殼綱十足目螯蝦亞目刺姑科原螯蝦屬[1]?？耸显r肉質(zhì)鮮美，營養(yǎng)價(jià)值豐富，是一種高蛋白、低熱量和低脂肪的優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品，深受人們的青睞[2]。近年來克氏原螯蝦養(yǎng)殖業(yè)得到迅猛發(fā)展，其中湖北、湖南、安徽、江蘇等省養(yǎng)殖最為集中。由于各地區(qū)生長環(huán)境不同，以及不規(guī)范的引種、繁養(yǎng)不分離、捕大留小、近親繁殖等，克氏原螯蝦種質(zhì)較為混雜，遺傳多樣性下降[3]。

采用多元統(tǒng)計(jì)分析克氏原螯蝦形態(tài)學(xué)差異可以克服其因地域、水質(zhì)、當(dāng)?shù)貧夂蛞约捌渌蛩氐淖兓瘜ξr體本身造成一些形態(tài)上的影響，能夠快速、直觀、準(zhǔn)確地反映出不同群體之間的差異。張龍等[4]對11個(gè)克氏原螯蝦群體形態(tài)特征分析發(fā)現(xiàn)不同地方的養(yǎng)殖群體之間存在一定的差異。魏青山[5]對武漢群體分析發(fā)現(xiàn)，隨著蝦齡的增長，長度生長速度逐漸變慢，體重生長速度逐年加快。鄭友等[6]對江蘇克氏原螯蝦群體進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，江蘇各地的克氏原螯蝦不同群體之間也存在形態(tài)差異。韓曉磊等[7]通過聚類分析和主成分分析方法分析了克氏原螯蝦肢體長度、頭胸甲部、腹部和尾部間比例參數(shù)，證實(shí)山東、安徽、江蘇、湖北4個(gè)地區(qū)由于地理不同野生克氏原螯蝦已經(jīng)產(chǎn)生了形態(tài)上的差異。BARKI等[8]用Von Beralanffy生長方程描述了克氏原螯蝦的生長情況。本研究對湖北省內(nèi)主要養(yǎng)殖地域的克氏原螯蝦形態(tài)學(xué)差異進(jìn)行分析，旨在探明湖北不同養(yǎng)殖群體形態(tài)特征差異，以期為克氏原螯蝦的群體鑒別以及種質(zhì)資源挖掘提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

7個(gè)養(yǎng)殖群體克氏原螯蝦于2022年4月收集自湖北省主要養(yǎng)殖區(qū)域監(jiān)利市、公安市、潛江市、洪湖市、江陵縣、石首市和鄂州市，具體樣本采集信息見(表1)。

表1 樣品采集信息表Tab. 1 Sample Collection Information

1.2 形態(tài)參數(shù)測量與數(shù)據(jù)處理

用游標(biāo)卡尺測量每尾蝦的全長、體長、頭胸甲長、腹長、尾扇長、頭胸甲寬、第一腹節(jié)寬，測量數(shù)據(jù)精確到0.01 mm，測量如圖 1，測量方法參照文獻(xiàn)[9]；用天平稱取全蝦體重，精確到0.01 g。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析用Origin和SPSS 22.0軟件處理，通過聚類分析、主成分分析、差異系數(shù)檢驗(yàn)、T檢驗(yàn)、判別分析對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為消除一些對參數(shù)值影響的條件，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)合理，因此在多元統(tǒng)計(jì)分析中采用各性狀參數(shù)與體長之比進(jìn)行校正，具體見(表2)。

圖 1 克氏原螯蝦各形態(tài)測量指標(biāo)Fig 1 The morphological measurement indexes of P.clarkiiW：體重 a：全長；b：體長；c：頭胸甲長；d：腹長； e：尾扇長；f：頭胸甲寬；g：第一腹節(jié)寬

表2 10項(xiàng)克氏原螯蝦形態(tài)特征比例參數(shù)Tab. 2 10 Morphological characteristics of P. clarkii

表3 雌性克氏原螯蝦特征因子負(fù)荷矩陣及累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab．3 Characteristic factor load matrix and cumulative contribution rate of female P. clarkii

1.3 分析方法

1.3.1 聚類分析

首先運(yùn)用EXCEL分別求出各個(gè)群體10項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)的平均值，然后采用歐式系統(tǒng)聚類法對這些平均值進(jìn)行聚類分析。

1.3.2 主成分分析

用SPSS 22.0對克氏原螯蝦進(jìn)行主成分分析，得到最后主成分的特征值和貢獻(xiàn)率，用以判斷最終影響克氏原鰲蝦形態(tài)的性狀。

1.3.3 差異系數(shù)檢驗(yàn)

差異系數(shù)用CV表示，通過SPSS 22.0求出各個(gè)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如果CV值低于1.28則表示某項(xiàng)指標(biāo)的差異未達(dá)到亞種水平。

差異系數(shù)(coefficient variance，CV)參考公式如下：

CV=(M1-M2)/(S1+S2)

式中：M1、M2表示2個(gè)群體某項(xiàng)指標(biāo)的平均值，S1、S2為標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.4 T檢驗(yàn)

首先將收集的各群體克氏原螯蝦分為雌、雄兩組，然后用SPPS 22.0對這兩個(gè)組進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。如果P<0.05則表示之間有顯著性差異，反之無顯著差異。

1.3.5 判別分析

根據(jù)各項(xiàng)已知的形態(tài)指標(biāo)用逐步判別法判斷各群體的性質(zhì)，建立判別函數(shù)，用SPSS分析判別出各群體的分類。判別準(zhǔn)確率公式參照李思發(fā)等[10]的方法，公式如下：

判別準(zhǔn)確率=(某克氏原螯蝦群體判別的正確尾數(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)果分析

2.1 聚類分析

利用7個(gè)克氏原螯蝦養(yǎng)殖群體的10個(gè)形態(tài)特征比例參數(shù)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明7個(gè)群體的克氏原螯蝦聚為兩支。雌性克氏原螯蝦鄂州群體與江陵群體歐式距離最短聚為一支；石首群體與監(jiān)利群體聚為一支后，與洪湖群體聚為一支，再與公安群體和潛江群體聚為一支(圖2)。雄性克氏原螯蝦群體中首先鄂州群體與江陵群體聚為一支；石首群體與潛江群體聚為一支，然后兩支聚為一大支；洪湖群體與公安群體和監(jiān)利群體聚為一支(圖3)。

圖2 7個(gè)群體雌性克氏原螯蝦聚類分析Fig.2 Cluster analysis of 7 groups of female P. clarkii

圖3 7個(gè)群體雄性克氏原螯蝦聚類分析Fig.3 Cluster analysis of 7 groups of male P. clarkii

2.2 主成分分析

對7個(gè)群體的克氏原螯蝦進(jìn)行主成分分析，選取前4個(gè)主成分的特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率。雌性克氏原螯蝦前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.10%，雄性克氏原螯蝦前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.31%。雌性群體第一主成分中X9的貢獻(xiàn)率最高，第二主成分中X10的貢獻(xiàn)率最高。雄性群體的第一主成分中X9的貢獻(xiàn)率最高，第二主成分中X10的貢獻(xiàn)率最高。影響7個(gè)群體克氏原螯蝦形態(tài)的主成分主要體現(xiàn)在頭胸甲長和腹長。雌性的第一主成分的貢獻(xiàn)率為30.47%，反映的是腹長/頭胸甲長的特征；第二主成分的貢獻(xiàn)率為25.29%，反映尾扇長/腹長的特征；第三主成分的貢獻(xiàn)率為22.26%，反映尾扇長/體長的特征；第四主成分的貢獻(xiàn)率為8.08%，反映全長/體長的特征。雄性的第一主成分的貢獻(xiàn)率為33.72%，反映腹長/頭胸甲長的特征；第二主成分的貢獻(xiàn)率是32.09%，反映的是尾扇長/腹長的特征；第三主成分的貢獻(xiàn)率為13.83%，反映的是第一腹節(jié)寬/體長的特征；第四主成分的貢獻(xiàn)率為7.67%，反映的是全長/體長的特征(表 3)。

2.3 差異系數(shù)(CV)檢驗(yàn)

差異系數(shù)檢驗(yàn)的結(jié)果顯示，雌性克氏原螯蝦僅有2個(gè)群體CV值大于1.28，其余均低于1.28，與全部7項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)相比占了很小的比例。雄性有4個(gè)群體達(dá)到了1.28。因此，總體來說7個(gè)群體的克氏原螯蝦群體間形態(tài)差異并未達(dá)到亞種以上分類水平(表4和表5)。

表4 雌性克氏原螯蝦群體間差異系數(shù)Tab.4 The coefficient of variation among female P. clarkii populations

2.4 T檢驗(yàn)

7個(gè)群體雌雄克氏原螯蝦X4和X7有顯著性差異,X1、X3和X9達(dá)到極顯著性差異。T檢驗(yàn)結(jié)果顯示(表6),克氏原螯蝦的7個(gè)參數(shù)的平均值中X7、X9雌性均大于雄性,而雄性的X1大于雄性。雌雄克氏原螯蝦在體重、頭胸甲長、腹長、尾扇長以及第一腹節(jié)寬上均存在顯著差異,且雌性尾扇長與第一腹節(jié)寬均值大于雄性,雄性的體重均值大于雌性。

表6 雌雄群體的 10 項(xiàng)形態(tài)特征比例參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Statistical of proportion parameters of 10 morphological characteristics of male and female populations

2.5 判別分析

對7個(gè)群體的10個(gè)比例性狀進(jìn)行逐步判別分析，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明雌雄判別結(jié)果均較好，雌性群體的X3、X4、X6、X7、X9、X10性狀差異不顯著，雄性群體的X3、X4、X6、X9性狀差異不顯著。鄂州、洪湖、江陵、監(jiān)利、石首、公安和潛江雌性群體判別準(zhǔn)確率P1分別是54.2%、70.0%、83.3%、52.4%、40.0%、80.0%和60.0%，判別準(zhǔn)確率P2(P2表示交叉驗(yàn)證的判別率)分別是54.2%、63.3%、76.7%、47.6%、36.7%、76.7%和56.7%，綜合判別率為63.6%(表7)；雄性群體判別準(zhǔn)確率P1分別為73.3%、90.0%、83.3%、90.9%、56.7%、63.3%和63.3%，判別準(zhǔn)確率P2分別是53.3%、83.3%、76.7%、86.4%、56.7%、60.0%和60.0%，綜合判別率為73.8%(表8)。雌性群體判別準(zhǔn)確率率最高的是江陵群體(83.3%)，最低是石首群體(40.0%)，雄性群體判別率最高的是監(jiān)利群體(90.9%)，最低的同樣是石首群體(56.7%)，總體判別效果較好(表7和表8)。

表7 7個(gè)雌性群體克氏原螯蝦的判別方程及判別率Tab.7 Discrimination equation and discrimination rate of 7 female populations of P. clarkii

表8 7個(gè)雄性群體克氏原螯蝦的判別方程及判別率Tab.8 Discriminant equation and discrimination rate of 7 male populations of P. clarkii

3 討論

多元統(tǒng)計(jì)分析在育種和進(jìn)化方面已有廣泛應(yīng)用，并且在很多生物中獲得了較好的效果，國內(nèi)也有相關(guān)學(xué)者用多元統(tǒng)計(jì)分析對水生生物進(jìn)行了分析[11-14]。郭慧[15]采用3種多元統(tǒng)計(jì)分析對8個(gè)羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)群體的形態(tài)比例參數(shù)進(jìn)行比較研究指出雜交種群之間形態(tài)差異較小。蔡曉鵬等[16]對我國沿海地區(qū)5個(gè)群體的日本囊對蝦(Marsupenaeusjaponicus)形態(tài)差異比較分析指出不同地理群體的日本囊對蝦有一定的差異。劉若暉等[17]等對長江口刀鱭(Coilianasus)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，長江口不同群體刀鱭的軀干橫向和頭長的差異可能由攝食和環(huán)境差異造成的。朱皓東等[18]通過對緬甸野生、泰國和越南養(yǎng)殖群體羅氏沼蝦的形態(tài)性狀進(jìn)行研究認(rèn)為，體重通徑達(dá)到顯著差異的形態(tài)性狀可作為選育指標(biāo)。李哲等[19]對廣西桂林不同性別禾花鯉(Cyprinuscarpiovar. Quanzhounensis)進(jìn)行形態(tài)分析得出可以把全長作為選育的主要參考指標(biāo)的結(jié)論。

聚類分析可以把不同群體的克氏原螯蝦進(jìn)行初步歸類，聚類的先后順序和距離可以反映不同群體間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近[13]。本研究7個(gè)群體的克氏原螯蝦中鄂州與江陵群體雌雄均最先聚為一支，2個(gè)群體親緣關(guān)系最近。雌雄群體差別在于監(jiān)利群體石首群體和潛江群體聚類結(jié)果不一致，可能是由于人為因素導(dǎo)致的各地區(qū)群體交流的結(jié)果。近年來，克氏原螯蝦在湖北各地已廣泛養(yǎng)殖，成蝦或蝦苗種頻繁進(jìn)行跨地區(qū)銷售和運(yùn)輸，可能會(huì)導(dǎo)致成蝦和苗種通過銷售等方式進(jìn)行地區(qū)間交流，導(dǎo)致形態(tài)發(fā)生變化，最終雌雄群體聚類結(jié)果不一致。

主成分分析是一種從多個(gè)變量中通過線性變換得出幾個(gè)比較重要變量的一種基礎(chǔ)的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[14]。通過對各形態(tài)比例參數(shù)在主成分中的特征值和各主成分的貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率，來判斷最終影響克氏原鰲蝦形態(tài)的性狀。韓曉磊等[20]用主成分分析對克氏原螯蝦和東北鰲蝦(Cambaroidesdauricus)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，克氏原螯蝦與東北鰲蝦的形態(tài)差異是由蝦體各個(gè)部位的寬度造成的。平洪領(lǐng)等[12]等對斑鰶(Konosiruspunctatus)的形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行分析表明，斑鰶的第一主成分是與體重、全長和體長有關(guān)，并且是以增重、增長為主的生長發(fā)育特性。本研究采用主成分分析將10項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)簡化為4個(gè)主成分，雌雄主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率分別是86.10%和87.31%，其中第一主成分都是與頭胸甲長和腹長有關(guān)，主成分分析結(jié)果表明頭胸甲長、腹長和尾扇長對7個(gè)群體的形態(tài)影響較大。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雌雄克氏原螯蝦的形態(tài)差異主要體現(xiàn)在全長、尾扇長、頭胸甲寬以及第一腹節(jié)寬上，且雄性蝦的平均值在體重全長、頭胸甲長、頭胸甲寬和第一腹節(jié)寬均大于雌性，腹長和尾扇長的平均值雌性大于雄性。在雌雄全長相等的情況下雄性的體重明顯大于雌性，原因可能是雄性的螯普遍比雌性的螯大。在全長相等的情況下雌蝦的腹長比雄蝦的長，原因可能與雌蝦的抱卵以及孵化幼苗的特性有關(guān)。

判別分析是多元統(tǒng)計(jì)的一種方法，可以通過建立判別函數(shù)，對未知樣品進(jìn)行分類[21]。馮藝等[22]對羅氏沼蝦3個(gè)養(yǎng)殖群體進(jìn)行判別分析得到9個(gè)性狀的判別函數(shù)系數(shù)，3個(gè)養(yǎng)殖群體存在一定差異，綜合判別率為75.9%。玄文丹等[23]對日本方頭魚(Branchiostegus)和白方頭魚(Branchiostegusalbus)的耳石和魚體形態(tài)進(jìn)行逐步判別分析，耳石和魚體形態(tài)的判別正確率為85.1%和94.0%，綜合判別率達(dá)到98.0%。王海山等[24]研究饑餓對眼斑雙鋸魚(Amphiprionocellaris)幼魚形態(tài)的影響，分析證實(shí)經(jīng)形態(tài)比值處理過的數(shù)據(jù)比未經(jīng)比值處理過的數(shù)據(jù)更具可信度。本研究建立了7個(gè)群體的判別函數(shù)，分別對雌、雄群體進(jìn)行逐步判別分析，其中雌性群體準(zhǔn)確判別率為40.0%～83.3%，判別準(zhǔn)確率率最高的是江陵群體(83.3%)，最低的是石首群體(40.0%)，綜合判別率為63.6%(表7)。雄性群體準(zhǔn)確判別率為56.7%～90.9%，判別準(zhǔn)確率率最高的是監(jiān)利群體(90.9%)，最低的是石首群體(56.7%)，綜合判別率為73.8%(表8)。此結(jié)果與張龍等[4]、鄭友等[6]、韓曉磊等[13]、徐濱等[25]的研究結(jié)果相似，均為雌性群體判別率低，雄性群體判別率高，可能是采樣群體來自不同區(qū)域，在形態(tài)上雖有差異，但未達(dá)到亞種水平導(dǎo)致的。分類學(xué)上一般把亞種作為最小的分類單位，但有些學(xué)者認(rèn)為還可以繼續(xù)分類并因此提出差異系數(shù)的概念[26]，并把亞種分類的臨界值定為1.28[27]。本研究中的7個(gè)克氏原螯蝦群體大部分差異系數(shù)值低于1.28，因此可以判斷這7個(gè)群體的克氏原螯蝦形態(tài)差異并未達(dá)到亞種水平。國外學(xué)者AVISE等[28]在Mayr的原理基礎(chǔ)上提出亞種間的形態(tài)差異要與分子差異一致。

4 結(jié)論

本研究通過多元統(tǒng)計(jì)分析研究了區(qū)分克氏原螯蝦種群和性別的主要形態(tài)學(xué)特征，克氏原螯蝦雌、雄群體除體重外，其差異主要體現(xiàn)在頭胸甲和腹部相關(guān)變量上，雄性頭胸甲大，雌性腹部較長。區(qū)分性別的主要特征是頭胸甲和腹部。研究的7個(gè)養(yǎng)殖群體克氏原螯蝦形態(tài)上具有一定程度的差異。