許氏平鲉群體耳石形態(tài)學(xué)比較＊

徐勝勇，張 輝，潘曉哲，王燕平，徐思嘉，黃子敏，高天翔

（中國海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所，山東 青島266003）

許氏平鲉（Sebastes schlegelii Hilgendorf，1880）屬鲉形目（Scorpaeniformes）、鲉科（Scorpaenidae）、平鲉屬（Sebastes），俗稱黑鲪、黑頭等，系中國近海習(xí)見冷溫性底層魚類，分布于朝鮮東西兩岸、日本北海道以南及鄂霍次克海南部水域，中國主要分布于渤海、黃海和東海近海。許氏平鲉營半定居性生活，不做長距離洄游，常棲息于近海巖礁地帶及海藻叢生的海區(qū)、洞穴中［1］。

許氏平鲉是中國北方近海常見經(jīng)濟(jì)魚類。由于捕撈過度和漁場環(huán)境變化，許氏平鲉資源明顯衰退，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值逐年提高［2］。近年來，山東省開展了許氏平鲉資源增殖放流，并已取得較好成果［3］。

耳石是內(nèi)耳中碳酸鈣（CaCO3）的結(jié)晶體，存在于硬骨魚類內(nèi)耳的膜迷路內(nèi)。耳石有微耳石、矢耳石和星耳石之分，通常矢耳石最大［4］，在研究中應(yīng)用也為最多。魚類耳石形態(tài)是魚類種間分類特征之一，國外學(xué)者多利用圖形分析軟件，將耳石形態(tài)學(xué)分析廣泛應(yīng)用于魚類種內(nèi)、種間的群體鑒別、比較［5－6］。國內(nèi)在耳石形態(tài)方面的研究較少，鄭文蓮對鲹科等魚類的耳石形態(tài)進(jìn)行研究［7］，羅秉征等利用耳石形態(tài)分析以區(qū)分帶魚的不同群體［8］，葉振江等對天竺鯛屬魚類、2種鱸魚的耳石形態(tài)進(jìn)行過研究［9－10］。

文章采集了中國沿海8個(gè)許氏平鲉群體，通過對其耳石形態(tài)特征的多元統(tǒng)計(jì)分析，并與耳石形態(tài)傅里葉分析結(jié)果進(jìn)行比較，以確定耳石形態(tài)特征在許氏平鲉群體識別上的有效性，豐富魚類種群耳石形態(tài)學(xué)研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品材料

圖1 采樣地點(diǎn)Fig.1 Sampling sites

許氏平鲉群體樣品于2007年分別采自丹東、膠南、青島、連云港、乳山、榮成、煙臺和日照近海（見圖1、表1）。對樣品進(jìn)行常規(guī)生物學(xué)測定后，取左右矢耳石備用。

表1 許氏平鲉采樣信息Table 1 Sample information of the eight populations of Sebastes schlegelii

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1耳石測定前處理 用蒸餾水清洗左右矢耳石，將耳石置于已編號的離心管中，加蒸餾水浸泡1h后，用KQ3200型超聲波清洗儀清洗30min，放入50℃烘箱中烘干至恒重。

1.2.2 耳石形態(tài)學(xué)指標(biāo)的測定 對左右耳石進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示許氏平鲉左右耳石差異不顯著。故統(tǒng)一使用左耳石的測量指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

許氏平鲉為體內(nèi)受精、卵胎生。山東近海的許氏平鲉產(chǎn)卵期為4、5月份，在5月上、中旬最盛［1，11］。分別選擇許氏平鲉雌雄各30尾個(gè)體左耳石，對耳石質(zhì)量及原始測量指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)（見表2），結(jié)果顯示許氏平鲉雌雄個(gè)體的左耳石在8個(gè)指標(biāo)上均無顯著差異（P＞0.1）。其耳石屬曲面型耳石，故分析數(shù)據(jù)時(shí)統(tǒng)一采用左耳石凹面的測量指標(biāo)［7］。

表2 許氏平鲉雌雄個(gè)體耳石比較Table 2 The analysis of t－test for the male and female otolith of Sebastes schlegelii

將烘干的左矢耳石用電子天平稱重（精度為0.01 mg）。用連于 Nikon SMZ8000型解剖鏡的 Nikon DN100數(shù)碼相機(jī)按照編號順序?qū)ζ溥M(jìn)行拍照。采用圖像分析軟件Image－Pro Plus 6.0分析耳石圖像，得出以下8個(gè)耳石參數(shù)：耳石面積、耳石最大和最小半徑、耳石長、耳石寬、耳石周長、耳石最大和最小Feret徑長［12］（見表3）。利用耳石質(zhì)量和8個(gè)耳石參數(shù)得到耳石的形狀指標(biāo)（見表3）。

表3 許氏平鲉耳石形狀指標(biāo)與尺寸參數(shù)Table 3 Shape indices and size parameter of otolith for Sebastes schlegelii

在形狀指標(biāo)中，圓度表征耳石外部輪廓的差異，環(huán)率表征耳石等面積圓間的差異程度，圓度值越大或環(huán)率值越小，表明耳石輪廓越趨近于圓；橢圓率表示外緣點(diǎn)到長短軸間的距離是否成比例；形態(tài)因子表示耳石輪廓的規(guī)則程度，其值越小，耳石輪廓越不規(guī)則；半徑比、Feret比與幅形比刻畫的是耳石間的長短軸間的差異程度；矩形趨近率描述了耳石輪廓與耳石最小外接矩形的關(guān)系；面密度描述耳石的厚薄程度，值越大，耳石越厚，在某種意義上反映耳石的三維特征［12］。以上指標(biāo)均為比值，在一定程度上可以消除因擺放位置、耳石大小不同等客觀因素對耳石形態(tài)分析結(jié)果產(chǎn)生的影響。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 對9個(gè)耳石形狀指標(biāo)分別進(jìn)行單因子方差分析、判別分析、主成分分析以及傅里葉分析［6，12－16］。

（1）單因子方差分析 采用Tamhane’s T2法和LSD法進(jìn)行單因子方差分析（one－way ANOVA），對8個(gè)群體進(jìn)行多重比較分析各指標(biāo)差異。

（2）判別分析 采用逐步判別法（Fisher’s準(zhǔn)則），建立8個(gè)種群的線性判別函數(shù)，對各樣本的歸屬進(jìn)行判別。（3）主成分分析 計(jì)算9個(gè)耳石形狀指標(biāo)的特征值并從中選出特征值大于1的成分因子，作為主成分，并利用第一、第二主成分得分繪制主成分載荷圖。

（4）傅里葉分析 傅里葉分析法是通過比較分析耳石輪廓曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式系數(shù)，對耳石外部輪廓形態(tài)進(jìn)行研究。耳石的外部輪廓形態(tài)特征主要是前20個(gè)諧值描述的，取前20個(gè)諧值進(jìn)行傅里葉分析［10，12］，每個(gè)諧值由4個(gè)形態(tài)變量an、bn、cn和dn表示。對20個(gè)諧值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，前3個(gè)系數(shù)a1＝1，b1＝c1＝0為常數(shù)，實(shí)際用以計(jì)算的變量為77個(gè)。對77個(gè)變量進(jìn)行傅里葉分析。

上述所有分析及繪圖均用SPSS 15.0處理。

表4 許氏平鲉群體9個(gè)耳石形狀指單因子方差分析結(jié)果Table 4 Result of one－way ANOVA for 9shape indices of otolith of Sebastes schlegelii populations（Mean±S.D.）

2 分析結(jié)果

2.1 單因子方差分析結(jié)果

表4顯示8個(gè)許氏平鲉群體的9個(gè)指標(biāo)的單因子方差分析結(jié)果。結(jié)果顯示丹東和榮成群體與其他7個(gè)群體存在較多的顯著性差異：例如丹東和膠南群體有7個(gè)指標(biāo)（X2、X3、X4、X5、X6、X7、X9）存在顯著差異；榮成群體和煙臺群體有7個(gè)指標(biāo)（X1、X4、X5、X6、X7、X8、X9）存在顯著差異。同時(shí)乳山群體和膠南群體之間有9個(gè)指標(biāo)的差異不顯著。

2.2 判別分析結(jié)果

對8個(gè)群體的9個(gè)耳石形狀指標(biāo)進(jìn)行逐步判別分析，得出以6個(gè)耳石形狀指標(biāo)（X1、X2、X3、X4、X7、X9）為自變量的判別方程：

丹東：Y丹東＝53.467X1＋19 471.52X2＋623.196X3＋4 962.223X4＋604.280X7＋101 812.9X9－14 825.1

膠南：Y膠南＝53.736X1＋19 690.26X2＋627.716X3＋4 912.891X4＋608.971X7＋101 813.5X9－15 032.1

連云港：Y連云港＝51.657X1＋19 495.05X2＋623.737X3＋4 922.389X4＋594.241X7＋106 759.1X9－14 809.8

青島：Y青島＝51.042X1＋19 719.84X2＋628.782X3－4 987.827X4＋603.737X7＋110 127.4X9－15 126.1

日照：Y日照＝39.818X1＋19 549.73X2＋623.918X3＋4 940.514X4＋591.372X7＋106 898.1X9－14 851.6

榮成：Y榮成＝53.383X1＋19 485.04X2＋621.626X3＋4 834.266X4＋619.480X7＋103 259.9X9－14 745.5

乳山：Y乳山＝54.398X1＋19 668.88X2＋627.513X3＋4 936.637X4＋602.588X7＋99 874.88X9－15 016.0

煙臺：Y煙臺＝55.316X1＋19 458.81X2＋622.271X3＋4 993.856X4＋597.480X7＋95 901.31X9－14 801.5

將各個(gè)體的耳石形狀指標(biāo)依次代入以上8個(gè)判別方程，每個(gè)個(gè)體得到8個(gè)函數(shù)值，最大的函數(shù)值對應(yīng)的判別函數(shù)表示的群體即為該個(gè)體所屬的群體。表5顯示8

個(gè)群體的判別分析結(jié)果。從表5可以看出判別正確率 在48.4%～86.2%之間，綜合判別正確率為64.9%。

表5 許氏平鲉群體判別分析結(jié)果Table 5 Discriminant result of Sebastes schlegelii populations

圖2 基于前2個(gè)判別函數(shù)值的散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot based on the first two discriminant functions

從基于前2個(gè)判別函數(shù)值的散點(diǎn)圖可以看出，8個(gè)許氏平鲉群體相互混合，呈隨機(jī)分布狀態(tài)，各群體間個(gè)體不易分開（見圖2）。

2.3 主成分分析結(jié)果

結(jié)果顯示存在2個(gè)形狀指標(biāo)的特征值大于1，將它們分別作為第一、第二主成分（見表6）。2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率約為72%。在第一主成分中，形狀指標(biāo)幅形比、半徑比、Feret比和橢圓率的載荷量較大，主要反映耳石的長短軸的差異程度；在第二、第三主成分中，面密度、形態(tài)因子的載荷量較大，面密度在某種程度上反映耳石形態(tài)的三維特征，形態(tài)因子反映了耳石輪廓的不規(guī)則程度［12］。從前2個(gè)主成分的散點(diǎn)圖中可以看出8個(gè)群體的個(gè)體隨機(jī)分散于4個(gè)象限中，各群體之間存在明顯的交叉現(xiàn)象（見圖3）。圖2和3均顯示8個(gè)許氏平鲉群體之間耳石形態(tài)指標(biāo)差異不顯著。

表6 許氏平鲉群體耳石形狀指標(biāo)主成分分析結(jié)果Table 6 Result of principal component analysis for otolith shape indices of Sebastes schlegelii populations

圖3 耳石形狀指標(biāo)的第一、第二主成分散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of scores based on the first two principal components for otolith shape indices of Sebastes schlegelii populations

2.4 傅里葉分析結(jié)果

對得到的77個(gè)變量進(jìn)行判別分析和主成分分析，結(jié)果如下：

判別分析結(jié)果（見表7）顯示判別正確率在16.0%～79.3%之間，綜合判別正確率為43.8%。

基于前2個(gè)判別函數(shù)值做的散點(diǎn)圖顯示8個(gè)許氏平鲉群體的個(gè)體混合在一起，也呈隨機(jī)分布狀態(tài)（見圖4）。

通過對77個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果（見表8）顯示存在9個(gè)成分的特征值大于1，將他們分別作為第一到第九主成分。9個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為89.2%。根據(jù)第一、第二主成分得分構(gòu)建的散點(diǎn)圖（見圖5）顯示8個(gè)群體個(gè)體雜亂無序的分布于4個(gè)象限中。

圖4 基于前2個(gè)判別函數(shù)值的散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plot based on the first two discriminant functions

圖5 傅里葉數(shù)據(jù)的第一、第二主成分散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of principal component analysis for Fourier's data

表8 傅里葉數(shù)據(jù)的主成分分析結(jié)果Table 8 Principal component analysis's result of Fourier's data

應(yīng)用傅里葉分析判別正確率比形狀指數(shù)法低21.1%，主成分分析結(jié)果顯示8個(gè)許氏平鲉群體間交流頻繁，散點(diǎn)圖直觀地說明8個(gè)群體間差異不顯著。傅里葉分析結(jié)果也表明中國近海8個(gè)許氏平鲉群體間耳石差異不顯著，這與多元統(tǒng)計(jì)分析方法結(jié)果相一致。

3 討論

3.1 魚體體長對耳石形態(tài)的影響

許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，魚體大小影響耳石的形狀指標(biāo)。在魚類早期發(fā)育階段耳石的外部形態(tài)是不穩(wěn)定的，同魚體一樣，耳石也需要經(jīng)歷形成、成長和穩(wěn)定等階段［18］。許氏平鲉耳石生長和魚體生長之間呈線性關(guān)系［1］，目前魚體生長率和耳石生長率的關(guān)系是國內(nèi)外學(xué)者探討的熱點(diǎn)。耳石生長同魚體生長一樣受到各種生理因子和環(huán)境要素等內(nèi)外因素的影響，二者關(guān)系較為復(fù)雜［15］。有關(guān)不同生長階段的許氏平鲉耳石與魚體生長的關(guān)系尚待進(jìn)一步研究。

3.2 多元統(tǒng)計(jì)分析與傅里葉分析方法比較

對8個(gè)許氏平鲉群體的耳石形態(tài)進(jìn)行單因子方差分析（見表4），結(jié)果表明，只有丹東和日照、青島、煙臺、乳山存在較大的顯著差異，其他各群體間差異不明顯。這可能是由于丹東位于中國與朝鮮交界海域，煙臺、乳山、青島等采樣地點(diǎn)位于渤海南部或者黃海海域，地域上形成一定的差異；海域洋流是否造成丹東群體與其他許氏平鲉群體進(jìn)行交流受限尚有待進(jìn)一步研究。

對9個(gè)性狀指標(biāo)的逐步判別分析（見表5）顯示，共有80個(gè)耳石判別分析結(jié)果錯(cuò)誤，而且相對較分散，說明8個(gè)群體間耳石形狀存在近似或相似的特征，散點(diǎn)圖（圖2）結(jié)合主成分分析結(jié)果（見圖3）也說明8個(gè)群體間個(gè)體差異不明顯。結(jié)合單因子方差分析的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在中國近海8個(gè)許氏平鲉群體之間并不存在非常顯著的差異，只是丹東群體與煙臺、乳山群體之間的差異要比其他兩兩群體之間的差異明顯。判別分析綜合判別正確率較低說明各群體耳石形態(tài)差異不明顯。遺傳學(xué)研究結(jié)果表明中國近海這8個(gè)許氏平鲉群體間遺傳分化小，群體間存在廣泛交流，這與文章研究結(jié)論相一致。

傅里葉形態(tài)分析法針對耳石的輪廓進(jìn)行研究，消除了耳石圖形的位置、大小、測量基點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)角度對耳石形態(tài)分析的影響，這樣更好的減小分析誤差［5，14－16］。該研究結(jié)果顯示傅里葉分析方法與第一種分析方法結(jié)果一致，同時(shí)傅里葉分析方法的結(jié)果與第一種分析方法相比有更高的說服力（見圖4、5、表7），說明傅里葉分析方法較簡單耳石形態(tài)測量方法在許氏平鲉群體耳石分析中有更高的準(zhǔn)確性。

3.3 耳石形態(tài)分析方法的探討

耳石形態(tài)分析方法與傳統(tǒng)魚類群體形態(tài)學(xué)研究方法相比，具有操作可重復(fù)性，樣品保存方便，受外界環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)［6，18］，在種內(nèi)、種間鑒別方面具有明顯優(yōu)勢，日益受到學(xué)者的重視。

利用耳石形態(tài)進(jìn)行種內(nèi)、種間鑒別主要有5種研究方法，即可量性狀比較法、文字描述法、地標(biāo)法、形狀指標(biāo)法和傅里葉分析比較法［15］，上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。近年來，傅里葉分析方法與形狀指標(biāo)法結(jié)合使用，增加了準(zhǔn)確性。例如Burke等結(jié)合傅里葉分析法（Fourier’s analysis）和形狀指標(biāo)法（shape indices）對大西洋鯡進(jìn)行群體鑒別，正確率高達(dá)95%［19］；王英俊等運(yùn)用傅里葉分析法和形狀指標(biāo)法對細(xì)條天竺鯛和黑鰓天竺鯛進(jìn)行種間鑒別，正確率分別為82%和88%［20］。

本文在分析變量中引入耳石質(zhì)量信息，一定程度上增加了耳石的三維特征對耳石形態(tài)的描述，同時(shí)將普通耳石形狀指標(biāo)分析方法與傅里葉分析方法相比較，結(jié)果顯示傅里葉分析結(jié)合形狀指標(biāo)分析法較單一使用一種耳石形態(tài)分析方法能夠更好地說明群體差異性（圖4、5、表7）。本文通過耳石形態(tài)研究對中國近海許氏平鲉的8個(gè)群體進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果同遺傳學(xué)方法研究結(jié)果一致，表明耳石形態(tài)分析能夠較好的應(yīng)用于許氏平鲉的群體鑒別。魚類耳石形態(tài)分析方法在種內(nèi)鑒別方面有重要的應(yīng)用價(jià)值，該研究豐富了耳石形態(tài)分析方法在種內(nèi)鑒別方面的應(yīng)用，對國內(nèi)漁業(yè)生態(tài)學(xué)研究有借鑒意義。

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