阿根廷滑柔魚雄性個體的能量積累特點及與環(huán)境因子關系

劉 偉 臧 娜 林東明,

(1.上海海洋大學海洋科學學院, 上海 201306; 2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點實驗室, 上海 201306;3.國家遠洋漁業(yè)工程技術研究中心, 上海 201306; 4.農業(yè)農村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點實驗室, 上海 201306)

能量積累及其生殖投入分配是生物個體繁殖策略的重要組成部分, 有效地協(xié)調能量積累與投入分配是生物個體獲得最優(yōu)繁殖適合度的一種選擇適應性過程[1]。頭足類(除鸚鵡螺外)為“快節(jié)奏”生活表型的海生軟體動物, 壽命短, 多為1—2年生, 生長快, 體質量生長速率可達45 g/d, 終生一次繁殖產卵, 產卵結束后便死去[2]。為了達成這種“快節(jié)奏”生活表型, 這些種類的攝食行為活躍, 每天的攝食率為其體質量的1.3%至15.0%, 食物的轉化速率可達69%[3]。隨著生物個體生長發(fā)育, 它們較快速地積累組織能量, 其中胴體肌肉是最大能量積累器官、消化腺組織次之[4]。然而, 頭足類對海洋環(huán)境波動變化敏感, 在不同棲息海域表現(xiàn)出繁殖策略多樣、生殖能量投入類型不同的多種生長發(fā)育模式[2,5]。同時, 這些種類的能量積累容易受到棲息海域環(huán)境波動變化的影響, 海表溫、葉綠素a質量濃度等均可影響著組織的能量積累過程, 而且對生殖能量的投入分配也具有重要的影響效應[6,7], 進而影響個體的生長發(fā)育及隨后的繁殖適合度[8]。

阿根廷滑柔魚是典型的大洋性頭足類, 分布在22°S—54°S的西南大西洋大陸架和大陸坡海域, 且以35°S—52°S巴塔哥尼亞大陸架海域的資源最為豐富[9]。阿根廷滑柔魚因其資源量豐富, 不僅是大型魚類、海洋哺乳類的重要餌料來源, 也是甲殼類、小型魚類和頭足類的主要捕食者[9], 起著鏈接中下層營養(yǎng)生物與高營養(yǎng)級捕食者之間的營養(yǎng)“生物泵”作用[10]。同時, 阿根廷滑柔魚是世界頭足類漁業(yè)的重要經濟種, 2016—2020年的年均漁獲產量占世界頭足類總產量的10%左右, 在我國遠洋魷釣漁業(yè)總產量中也呈現(xiàn)遞增趨勢[11]。然而, 類似于其他頭足類資源, 阿根廷滑柔魚的種群資源量年間波動大[9]; 因其繁殖產卵結束后便死去, 種群資源量決定于補充群體大小, 而后者與親體的能量積累及其生殖投入分配密切相關[8,9]。已有研究發(fā)現(xiàn), 阿根廷滑柔魚雌性個體肌肉組織能量積累在生理性發(fā)育期達到最大值, 隨后能量積累占比呈下降趨勢[12],而且組織能量積累與棲息海域的環(huán)境波動變化關系緊密[13,14]。然而, 阿根廷滑柔魚雄性個體先于雌性個體性腺發(fā)育成熟, 并且生殖能量投入僅為雌性個體的1/2左右[9,15], 其組織能量積累是否存在特殊性仍未可知。因此, 本研究利用組織能量密度測定技術, 研究分析阿根廷滑柔魚雄性個體的肌肉、消化腺和精巢等組織能量積累及與棲息海域環(huán)境因子的相關性, 旨在深入了解該種類的能量積累特性,為掌握其種群資源量的波動變化提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 樣本來源

阿根廷滑柔魚樣本來自我國遠洋魷釣作業(yè)漁船漁獲物, 采集海域為56°15′—63°36′W、40°05′—45°48′S的西南大西洋公海海域, 采樣時間為2020年5—6月、2021年2—4月(圖1)。根據魷釣作業(yè)漁船流動作業(yè)的特點, 每個站點隨機取樣, 樣本經冷凍保存后運回實驗室進行生物學測定分析。

1.2 生物學測定

阿根廷滑柔魚樣本室溫解凍后進行生物學測定, 測定內容包括胴長(Mantel length, ML)、體質量(Body weight, BW)、精巢質量(Testis weight, TW)和性腺成熟度(Maturity stage, MAT)。胴長測定精確到1 mm, 體質量的測定精確到1 g, 精巢的質量測定精確到0.01 g。性腺成熟度根據林東明等[16]的劃分標準, 將阿根廷滑柔魚雄性個體的性腺成熟度劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ共8個時期。其中, Ⅰ—Ⅲ期為性腺發(fā)育未成熟期, Ⅳ—Ⅵ期為性腺發(fā)育成熟期, Ⅶ期為繁殖期, Ⅷ期為繁殖后期。

已有研究表明, 阿根廷滑柔魚Ⅲ—Ⅵ期的生長發(fā)育能量積累需求大且顯著[12]。為此, 本研究選取性腺發(fā)育成熟度Ⅲ期至Ⅵ期的雄性個體樣本共130尾進行分析, 其中, 2020年59尾, 2021年71尾。

1.3 組織能量密度測定及能量積累計算

精巢、肌肉和消化腺等組織冷凍保存后, 置于冷凍干燥機中冷凍干燥至恒重, 稱取各組織干重,精確至0.01 g。隨后, 干燥組織置于研磨機中研磨粉碎, 稱取0.2—0.5 g組織粉末置入全自動氧彈熱量儀(Calorimeter Parr6400, Parr Instrument Company,Moline, IL, USA)中測定各組織的能量密度值, 單位為kJ/g。

根據測定的組織能量密度值, 計算精巢、肌肉和消化腺等組織能量積累和相對組織能量積累。其中, 組織能量積累計算公式[14]為:

式中,Ea為組織能量積累, kJ;Ed為精巢、肌肉、消化腺的組織能量密度, kJ/g;Wt為組織總濕重, g;Wd為冷凍干燥組織樣品的干重, g;Ww為冷凍干燥組織樣品的濕重, g;i表示精巢、肌肉和消化腺。

相對組織能量積累計算公式[17]為:

式中,Ra為某組織相對能量積累, %;TE為實驗樣本個體的總能量積累(Total energy), kJ;i表示精巢、肌肉和消化腺。

1.4 數據處理

數據分析處理在R統(tǒng)計平臺中實現(xiàn), 數據以平均值±標準差(mean±SD)表示。運用Kolmogorov-Smirnoff檢驗分析精巢、肌肉和消化腺的組織能量密度及能量積累等數據的正態(tài)性。若符合正態(tài)分布, 利用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗分析組織能量密度及能量積累的組織間差異性, 利用t檢驗分析組織能量密度及能量積累的年間差異性;若不符合正態(tài)分布, 則利用Kruskal-Wallis 檢驗分析組織能量密度及能量積累的組織間差異性和年間差異性。同時, 利用Pearson 相關性分析探究不同年份、不同組織(肌肉、消化腺、精巢)的相對能量積累與胴長之間以及不同組織能量密度與胴長之間的關系。統(tǒng)計分析顯著性水平為P＜0.05。

利用廣義線性混合效應模型 (Generalized linear mixed-effects models, GLMM), 擬合分析總能量積累和不同組織(肌肉、消化腺、精巢)相對能量積累與海表溫(Sea surface temperature, SST)、海底溫(Sea bottom temperature, bottomT)、海表鹽度(Salinity, Sal)、海平面高度(Sea surface height, SSH)和葉綠素a質量濃度(Chlorophyllaconcentration, Chl.a)等的關系, 模型中以采樣月份作為隨機效應因子。SST、bottomT、Sal、SSH、和Chl.a等環(huán)境因子下載自哥白尼海洋數據庫(Copernicus Marine Data Store, https://marine.copernicus.eu), 數據空間分辨率為0.083×0.083, 時間分辨率為天?？紤]阿根廷滑柔魚樣本采樣站點可能與環(huán)境因子空間位置的不一致, 為此選取距離采樣站點最近4個位點上的環(huán)境因子數據, 求取平均值作為采樣站點的環(huán)境因子數值。

2 結果

阿根廷滑柔魚雄性個體的胴長為172—293 mm,平均胴長為(218.28±18.15) mm; 體質量為120—492 g, 平均體質量為(245.52±73.49) g。其中, 2020年樣本的平均胴長為(220.43±15.58) mm和平均體質量為(257.52±72.84) g, 均大于2021年樣本的平均胴長(216.02±17.62) mm和平均體質量(233.22±65.36) g。

2.1 組織能量密度

分析顯示, 阿根廷滑柔魚雄性個體的肌肉、消化腺和精巢等組織能量密度分別為18.34—22.10 kJ/g[平均值(20.15±0.64) kJ/g]和23.63—35.78 kJ/g [平均值(30.00±2.62) kJ/g], 18.32—20.36 kJ/g [平均值(19.66±0.33) kJ/g]。2020年和2021年之間, 消化腺的組織能量密度存在顯著的年間差異(t=3.39,P＜0.05), 而肌肉和精巢的組織能量密度則沒有顯著的年間差異(肌肉,t=0.81,P＞0.05; 精巢,t= -0.29,P＞0.05; 圖2)。同時, 來自兩個年度的阿根廷滑柔魚雄性個體均以消化腺組織能量密度最大(2020年,F=948.43,P＜0.05; 2021年,F=722.22,P＜0.05), 平均值分別為(30.96±2.63)和(29.32±2.59) kJ/g; 肌肉與精巢之間的組織能量密度則沒有顯著差異(Tukey HSD, 2020年,P＞0.05; 2021年,P＞0.05)。

圖2 阿根廷滑柔魚雄性個體消化腺、肌肉和精巢的組織能量密度Fig.2 The tissue energy density digestive gland, soma and testis of male Illex argentinus

2.2 組織能量積累

阿根廷滑柔魚雄性個體2020年和2021年的組織總能量積累分別為619.53—3056.15和411.17—1874.24 kJ, 平均值分別為(1485.15±559.61)和(1011.23±267.04) kJ。顯著性檢驗結果顯示, 2020年雄性個體的組織總能量積累顯著大于2021年個體(χ2=26.12,P＜0.05)。Pearson相關性分析顯示, 兩個年度雄性個體的組織總能量積累均與胴長呈顯著的正相關關系(2020年,r=0.82,P＜0.05; 2021年,r=0.61,P＜0.05; 圖3)。

圖3 阿根廷滑柔魚雄性個體組織總能量積累與胴長的關系Fig.3 The relationship between total energy accumulation and mantle length for male Illex argentinus

相對能量積累分析顯示, 2020年和2021年雄性個體組織能量積累均以肌肉組織的占比最大, 消化腺組織次之, 精巢組織的能量積累占比最小(2020年,F=890.58,P＜0.05; 2021年,F=3428.97,P＜0.05;圖4a)。同時, 消化腺和肌肉的相對能量積累均存在顯著的年間差異(消化腺,t=6.87,P＜0.05; 肌肉,t=-6.77,P＜0.05)。其中, 消化腺組織在2020年的相對能量積累大于2021年, 相對能量積累分別為(27.04±10.74)%和(15.99±7.38)%。肌肉組織在2020年的相對能量積累則低于2021年, 兩年份的肌肉組織相對能量積累分別為(70.56±10.63)%和(81.42±7.47)%。然而, 精巢組織的相對能量積累均較低且沒有顯著的年間差異(t= -1.74,P=0.08), 2020年和2021年的相對能量積累平均值分別為(2.40±0.68)%和(2.59±0.71)%。

圖4 阿根廷滑柔魚雄性個體組織相對能量積累分布及與胴長的關系Fig.4 The distribution of relative energy accumulation and relation to mantle length for male Illex argentinus

Pearson相關性分析顯示, 2020年和2021年雄性個體肌肉組織相對能量積累均與胴長呈顯著的負相關關系(2020年,r= -0.70,P＜0.05; 2021年,r= -0.25,P＜0.05; 圖4b), 消化腺組織相對能量積累則與胴長呈顯著的正相關關系(2020年,r= -0.69,P＜0.05;2021年,r= -0.26,P＜0.05; 圖4c)。兩年份的精巢相對能量積累則均與胴長的相關性不顯著(2020年,r= -0.04,P=0.77; 2021年,r= -0.03,P=0.82)。

2.3 能量積累與環(huán)境因子關系

GLMM模型結果顯示, 阿根廷滑柔魚雄性個體的總能量積累與海底溫度呈顯著效應關系(t= -2.60,P=0.01), 而與海表溫、海表鹽度、海平面高度及葉綠素a質量濃度等沒有顯著的相關性, 模型的合計方差解析率為50%(r2=0.50; 表1)。GLMM效應關系圖顯示, 海底溫越高、總能量積累越小(圖5a)。

表1 阿根廷滑柔魚雄性個體組織能量積累與環(huán)境因子的廣義線性混合效應模型的固定效應結果Tab.1 Results of generalized linear mixed-effects models fixed effects of tissue energy accumulation performed on environmental factor for male Illex argentinus

同時, 阿根廷滑柔魚雄性個體的肌肉相對能量積累與海表溫和海底溫度均呈顯著效應關系(海表溫,t=2.74,P=0.04; 海底溫,t=3.85,P=0.00), 而與海表鹽度、海平面高度及葉綠素a質量濃度等沒有顯著的相關性, 模型的合計方差解析率為57%(r2=0.57; 表1)。消化腺相對能量積累也與海底溫成顯著效應關系(t= -3.70,P=0.00), 與海表溫、海表鹽度、海平面高度及葉綠素a質量濃度等沒有顯著的相關性, 模型的合計方差解析率為50% (r2=0.50; 表1)。然而, 精巢相對能量積累則與棲息海域環(huán)境因子沒有顯著相關性(表1), 模型合計方差解析率僅為8%(r2=0.08)。GLMM效應關系圖顯示, 海表溫、海底溫度越高、肌肉相對能量積累越大(圖5b—c)。而消化腺相對能量積累與海底溫呈負相關關系, 溫度越高、相對能量積累越小(圖5d)。

3 討論

3.1 組織間的能量密度

組織能量密度是生物個體每單位干質量的焦耳能, 綜合體現(xiàn)了生物體組織中蛋白質、脂肪、碳水化合物等營養(yǎng)物質的組成變化[18], 以及生物個體在不同生長發(fā)育階段對這些營養(yǎng)物質的積累需求[19]。頭足類為海生軟體動物, 蛋白質是主要的有機化合物, 次之為脂肪, 而碳水化物和糖原等含量極少[20]。其中, 肌肉組織以蛋白質為基礎, 蛋白質含量是脂肪含量的10倍左右[21]。消化腺是脂肪積累的主要器官, 每克干質量的脂肪含量可達663 mg[22]。性腺組織的脂肪含量則隨著配子發(fā)生增加顯著, 但成熟配子具有相對穩(wěn)定的營養(yǎng)物質組成[23,24]。在本研究中, 阿根廷滑柔魚雄性個體的組織能量密度以消化腺組織的最高, 為肌肉組織的1.49倍、精巢組織的1.53倍, 而肌肉和精巢兩者的組織能量密度相近。最近研究也發(fā)現(xiàn), 阿根廷滑柔魚雌性個體消化腺組織的每克干組織的脂肪含量在320—834 mg,而肌肉組織的脂肪含量最大為235 mg[25]。通常, 生物個體的蛋白質和脂肪的能量密度平均值分別為12.6和39.3 kJ/g[26]?？梢? 阿根廷滑柔魚消化腺具有較高的組織能量密度應該是其脂肪含量高所致,而肌肉和精巢兩組織中的蛋白質、脂肪和碳水化合物等生化組成則較為相近。

同時, 本研究發(fā)現(xiàn)阿根廷滑柔魚雄性個體的消化腺和肌肉兩者的組織能量密度與雌性個體的相近, 前者為30 kJ/g左右、后者約為20 kJ/g[12,25]。然而, 雄性個體的精巢組織能量密度約為雌性卵巢組織能量密度的84%, 后者平均能量密度為24 kJ/g[12,25]。已有研究表明, 雄性個體性腺組織每克干質量的蛋白質、脂肪和碳水化合物的平均含量分別為15%、1.7%和1.4%, 而雌性個體性腺組織每克干質量的蛋白質、脂肪和碳水化合物的平均含量則分別為40%、7%和1.2%[19]?？梢? 阿根廷滑柔魚性腺組織能量密度的差異應該是其生化組成的雌雄性差異所致。

在本研究中, 阿根廷滑柔魚消化腺組織能量密度也存在顯著的年間差異。已有研究表明, 頭足類的消化腺是代謝速率較快的器官單元, 可快速地轉化食物脂肪, 反映最近14d之內的攝食情況[27]。在西南大西洋巴塔哥尼亞大陸架及大陸坡, 海域環(huán)境主要受到馬爾維納斯海流和巴西海流影響, 而且年間波動變化明顯, 進而影響?zhàn)D料生物資源的豐富度及種類多樣性[28,29]。阿根廷滑柔魚為機會主義型海生軟體動物, 食性貪婪、餌料生物種類多樣[9], 性腺發(fā)育開始之后具有較大的食譜寬度[8]。因此, 消化腺組織能量密度的年間差異性, 可能是所攝食的餌料生物種類存在不同所致。

3.2 組織間的能量積累

頭足類的胴體、頭腕和尾鰭等是最大的肌肉組織器官, 也是最大的能量積累單元, 消化腺因脂肪含量高而成為第二大能量積累單元[12,25]。本研究結果顯示, 阿根廷滑柔魚雄性個體的肌肉組織能量積累占比高達個體能量積累的81%, 消化腺和精巢兩者的能量積累占比較低, 分別為個體能量積累的16%和3%。該結果與阿根廷滑柔魚雌性個體的對應組織的能量積累占比相近[14,25], 表明組織間的能量積累占比沒有雌雄差異性。同時, 阿根廷滑柔魚肌肉組織為最大的能量積累單元與莖柔魚(Dosidicus gigas)[7,30]、鳶烏賊(Sthenoteuthis oualanien-sis)[31]、科氏滑柔魚(Illex coindetii)和埃布短柔魚(Todaropsis eblanae)[32]、瑪雅蛸(Octopus maya)[33]等種類的研究結果一致, 可見肌肉組織作為頭足類能量積累的最大器官單元沒有種類特殊性。

然而, 頭足類肌肉、消化腺和性腺的組織能量積累隨著性腺發(fā)育存在一定的組織差異性, 且與個體生長發(fā)育密切相關[25]。比如, 這些種類的性腺發(fā)育滯后于個體生長, 性腺發(fā)育前期以肌肉組織能量積累為主, 在性腺發(fā)育開始之后生殖能量積累增加迅速[12]。在本研究中, 阿根廷滑柔魚雄性個體的組織總能量積累與胴長呈正相關關系, 說明其能量積累隨著個體生長發(fā)育不斷增加。這可能與阿根廷滑柔魚終生一次繁殖的生活史策略相關, 以實現(xiàn)后代繁衍最大化[5]。然而, 肌肉和消化腺的相對能量積累與胴長的相關性存在差異, 前者與胴長呈負相關關系, 后者則與胴長呈正相關關系。通常, 阿根廷滑柔魚肌肉組織能量隨著個體生長顯著增加, 但是能量占比在生理性發(fā)育期(Ⅲ期)達到最大值之后逐漸降低[4], 而體型則仍保持一定的生長[34]。相反,消化腺組織在生長發(fā)育過程中保持生長, 尤其在性腺發(fā)育開始之后組織內的脂肪含量增加顯著[25]。因此, 肌肉和消化腺的相對能量積累隨胴長生長而存在積累差異, 應該是生長發(fā)育過程中組織能量積累占比及能量物質組成的變化所致。

此外, 本研究發(fā)現(xiàn)阿根廷滑柔魚精巢的相對能量積累與個體胴長的相關性不顯著, 說明雄性個體的相對生殖能量投入水平穩(wěn)定。朱凱等[31,35]也曾報道在性腺發(fā)育成熟至繁殖交配前, 南海鳶烏賊雄性個體的相對生殖能量積累保持不變。頭足類(除鸚鵡螺外)的性腺組織一次發(fā)育[2], 因而保持相對穩(wěn)定的生殖投入有助于實現(xiàn)繁殖價值最大化。同時,相對于雌性個體而言, 阿根廷滑柔魚雄性個體的生殖投入較低[36], 也可能是其相對能量積累不因體型變化而改變的原因。然而, 具體原因則需要后續(xù)深入分析其生殖能量投入的來源途徑加以確證。

3.3 組織能量積累的環(huán)境響應

頭足類對棲息海域的環(huán)境波動變化敏感性高,生長發(fā)育容易受到棲息海域水溫、鹽度及海域生產力等的影響[2,37]。通常, 生物個體的代謝速率因外界溫度變化而變化, 當外界溫度較低時, 機體的酶活性和代謝速率會降低, 從而促進營養(yǎng)物質的積累和利用[14,38]。已有研究表明, 阿根廷滑柔魚隨著生長發(fā)育逐漸向水溫較低且較深的水層移動, 最適生長的海底溫度為4—10℃的海域[39]。在本研究中,阿根廷滑柔魚雄性個體的總能量積累、肌肉相對能量積累和消化腺相對能量積累均與海底溫度存在顯著的相關關系, 且總能量積累隨海底溫度升高而減少, 結果與雌性個體的相一致[14]。韓飛等[7]也曾報道, 當棲息海域水溫超過一定閾值時, 莖柔魚的組織能量積累呈下降趨勢。因此, 阿根廷滑柔魚總能量積累與海底溫度的負相關性, 可能是機體代謝隨著生長發(fā)育對棲息海域水溫的適應過程, 以增加個體的組織能量積累。

同時有研究表明, 適宜的海平面高度可以促進上下水層的混合, 形成營養(yǎng)鹽和餌料等的富集帶[40],進而提高捕食者的進食率, 促進組織能量的積累。Lin等[14]研究顯示, 阿根廷滑柔魚雌性個體的組織能量積累隨海平面高度降低而呈先上升后下降的趨勢, 在海平面高度-47.5 cm時能量積累達到最大值。然而, 本研究中阿根廷滑柔魚雄性個體的能量積累與海平面高度不存在顯著相關性, 且與葉綠素a質量濃度也沒有顯著關系。這說明阿根廷滑柔魚能量積累對海平面高度及葉綠素a質量濃度的響應關系可能存在一定的雌雄性差異。通常, 阿根廷滑柔魚雄性個體投入性腺組織生長發(fā)育的能量較低[36],且先行性腺發(fā)育的雄性個體會提前離開索餌場[9]。因而, 以葉綠素a質量濃度為表征的海域餌料食物豐度[41]對雄性個體生殖投入的作用影響較為不明顯, 而且雄性個體性腺成熟后較活躍的繁殖行為[9]也可能是其生殖投入與海域初級生產力關系不顯著的原因之一。

4 結論

綜上所述, 本研究通過組織能量密度測定技術,初步闡明了阿根廷滑柔魚雄性個體生長發(fā)育過程中的肌肉、消化腺、精巢等組織的能量密度變化及其組織能量積累過程。此外, 棲息海域溫度對總能量積累、肌肉和消化腺組織相對能量積累具有顯著的影響作用, 說明海域溫度是影響阿根廷滑柔魚組織能量積累的重要環(huán)境因子。在全球氣候變化背景下, 該種類如何在能量積累及其投入分配上獲得最優(yōu)繁殖適合度, 將是后續(xù)研究面臨的一個重要研究課題。本研究結果將為下一步開展阿根廷滑柔魚繁殖適合度及其環(huán)境選擇適應性研究提供理論基礎。