中日褐菖鲉群體耳石形態(tài)學(xué)比較分析

李 龍，徐勝勇*，張 輝，柳本卓，高天翔

(1．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;2．中國科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071;3．日本水產(chǎn)綜合研究中心中央水產(chǎn)研究所，神奈川 橫濱 236－8648)

0 引言

耳石是魚類內(nèi)耳中碳酸鈣的結(jié)晶體，其形態(tài)具有種類和群系的特異性[1－2]．由于受溫度、鹽度、光照等環(huán)境因素影響，不同地理群體魚類耳石形態(tài)可能存在差異[3－5]．隨著圖像處理技術(shù)及圖形分析軟件 (如Image－Pro plus、SPSS等)的發(fā)展，耳石形態(tài)學(xué)分析已被廣泛應(yīng)用于種內(nèi)和種間的群體比較研究．國外學(xué)者[6－8]對魚類不同地理群體間耳石形態(tài)進(jìn)行了比較研究，20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)學(xué)者也開展了許多不同群體耳石形態(tài)學(xué)的研究工作[2，9－14]．

褐菖鲉 (Sebastiscus marmoratus Cuvier，1829)屬鲉形目 (Scorpaeniformes)、鲉科 (Scorpaenidae)、菖鲉屬，俗名石頭鱸、虎頭魚等，廣泛分布于中國、日本、朝鮮及菲律賓沿海[15]．褐菖鲉為卵胎生魚類，常棲息于近岸巖礁海區(qū)，隨季節(jié)變化進(jìn)行有規(guī)律地短距離遷移[15－16]．褐菖鲉為肉食性魚類，主要捕食小型魚類，其肉質(zhì)細(xì)嫩，味道鮮美．由于近海漁業(yè)資源不斷衰退，褐菖鲉的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有所提升．到目前為止，已有一些關(guān)于褐菖鲉的生物學(xué)及增養(yǎng)殖技術(shù)研究報(bào)道[14，17]，但尚未見關(guān)于褐菖鲉群體耳石形態(tài)學(xué)的相關(guān)研究．本研究采集了中國和日本近海4個(gè)褐菖鲉群體，對101尾個(gè)體的8個(gè)耳石形狀指標(biāo)和77個(gè)橢圓傅里葉參數(shù)進(jìn)行了多元統(tǒng)計(jì)分析，探討褐菖鲉中國、日本群體耳石形態(tài)差異，以期為褐菖鲉資源利用與管理提供基礎(chǔ)資料，研究結(jié)果也將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)材料

實(shí)驗(yàn)所用褐菖鲉樣品于2010年至2012年采自日本伯方島、橫須賀和中國惠州、?？冢魅后w樣品信息參見表1．文獻(xiàn) [16]研究表明褐菖鲉2—5月繁殖，完全性成熟體長在120 mm左右，雌魚性成熟最小體長為90 mm．從采樣時(shí)間和樣品體長范圍分析，其實(shí)驗(yàn)所用褐菖鲉樣品應(yīng)為性成熟個(gè)體．因而本實(shí)驗(yàn)剔除未達(dá)性成熟個(gè)體后再進(jìn)行常規(guī)生物學(xué)測定，并取左右矢耳石備用．

表1 褐菖鲉樣品信息Tab.1 Sample information of S．marmoratus

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 耳石形狀指標(biāo)的測定

將褐菖鲉耳石按編號順序放入離心管中保存，加蒸餾水浸泡1 h后，使用KQ3200型超聲波清洗儀清洗30 min，再放入50℃烘箱中烘干至恒重．將烘干的左、右矢耳石用電子天平稱重 (精度為0.01 mg)．用連于解剖鏡 (型號Nikon SMZ1000)的數(shù)碼相機(jī) (型號Nikon DN100)按照編號順序?qū)ΧM(jìn)行拍照．用圖像分析軟件Image－Pro Plus 6.0(Media Cybernetics，2006)對獲得的二維耳石照片進(jìn)行分析，得出以下8個(gè)耳石尺寸參數(shù):耳石周長(P)、耳石長(FL)、耳石寬(FW)、耳石面積(A)、耳石最大半徑(Rmax)和最小半徑(Rmin)、耳石最大Feret徑長(Fmax)和最小Feret徑長(Fmin)．利用8個(gè)耳石尺寸參數(shù)得到耳石的形狀指標(biāo)[11，18－19]:環(huán)率(circularity)C=P2/A;形態(tài)因子(format-factor)FF=4πA/P2;幅形比(aspect ratio)AR=FL/FW;圓度(roundness)RO=4A/πF2L;Feret比(Feret ratio)FR=Fmax/Fmin;橢圓率(ellipticity)E=(FL-FW)/(FL+FW);矩形趨近率(rectangularity)RE=A/(FL*FW);半徑比(radius ratio)RR=Rmax/Rmin．

1.2.2 橢圓傅里葉參數(shù)

橢圓傅里葉分析方法是通過將耳石外部輪廓數(shù)字化，比較分析耳石輪廓曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式系數(shù)，從而對耳石外部輪廓形態(tài)進(jìn)行研究．耳石的外部輪廓曲線主要由前20個(gè)傅里葉諧值描述，每個(gè)諧值由4個(gè)形態(tài)變量 an、bn、cn和 dn表示[2，20－21]．應(yīng)用 Shape軟件包[22]對耳石二維影像進(jìn)行灰階轉(zhuǎn)換、二值化處理、噪音消除等操作后得到傅里葉諧函數(shù) (Elliptic Fourier descriptors，EFDs)，依次使用Chaincoder.exe、CHC2NEF.exe和PrinComp.exe軟件包將傅里葉諧函數(shù)轉(zhuǎn)換為傅里葉諧值，進(jìn)而得到77個(gè)橢圓傅里葉參數(shù)．

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

對8個(gè)耳石形狀指標(biāo)和77個(gè)橢圓傅里葉參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析:

1)判別分析 應(yīng)用Fisher判別法對85個(gè)指標(biāo)進(jìn)行逐步判別分析 (Discriminant analysis)，構(gòu)建判別函數(shù)和判別散點(diǎn)圖并計(jì)算各群體判別準(zhǔn)確率及綜合判別準(zhǔn)確率．

2)聚類分析 應(yīng)用組間聯(lián)接的聚類方法，對85個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析 (Cluster analysis)，使用平方Euclidean距離系數(shù)，構(gòu)建聚類關(guān)系樹．

3)主成分分析 對85個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析 (Principal component analysis)，得到各主成分載荷值和貢獻(xiàn)率，構(gòu)建主成分散點(diǎn)圖．

2 結(jié)果

2.1 褐菖鲉雌雄個(gè)體耳石差異

從4個(gè)群體101尾褐菖鲉樣品中選取體長相近的雌雄個(gè)體各30尾，使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對其耳石原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，結(jié)果顯示褐菖鲉雌雄耳石差異不顯著(P〉0.05)(見表2)．對褐菖鲉耳石統(tǒng)一采用左耳石凹面的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

表2 褐菖鲉雌雄個(gè)體耳石差異分析Tab.2 The analysis of variation for the male and female otolith of S．marmoratus

2.2 判別分析結(jié)果

對4個(gè)群體101尾褐菖鲉樣品的85個(gè)耳石形態(tài)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行逐步判別分析，結(jié)果顯示4個(gè)群體判別正確率為79.2% ～100%，其中惠州群體判別正確率為100%，綜合判別正確率為89.1%(見表3)．

根據(jù)判別分析結(jié)果構(gòu)建的各群體判別函數(shù)如下:

Y海口=927．6D5-384．5C7+1176．2C9+198．9D9+228．0FF+228．3FR+131 243AR-426．8，

Y惠州=752．2D5-350．9C7+2159．6C9+582．3D9+226．6FF+233．1FR+125 553AR-429．7，

Y伯方島=825．4D5-686．8C7+1926．6C9+378．7D9+198．2FF+242．2FR+147 400AR-463．9，

Y橫須賀=654．5D5-572．9C7+1688．4C9+310．6D9+182．3FF+224．6FR+130 544AR-388．7，其中D5、C7、C9、D9表示橢圓傅里葉變量，D5即為第5個(gè)傅里葉諧值的D形態(tài)變量．

表3 褐菖鲉群體判別分析結(jié)果Tab.3 Discriminant result of S．marmoratus

圖1顯示，中國?？诤突葜萑后w主要分布于左上部，日本伯方島和橫須賀群體主要分布于右下部．

2.3 聚類分析結(jié)果

構(gòu)建聚類關(guān)系樹能夠直觀地顯示各群體間差異．對4個(gè)褐菖鲉群體的85個(gè)耳石分析指標(biāo)的平均值進(jìn)行聚類分析，結(jié)果顯示，伯方島群體和橫須賀群體的平方Euclidean距離系數(shù)為0.001，?？谌后w與惠州群體的平方Euclidean距離系數(shù)為0.001，中國、日本群體聚類的平方Euclidean距離系數(shù)為0.003．根據(jù)距離系數(shù)構(gòu)建聚類關(guān)系樹更直觀地顯示日本伯方島群體和橫須賀群體聚為一支，中國?？谌后w和惠州群體聚為另一支 (見圖2)．圖3顯示褐菖鲉4個(gè)群體個(gè)體間相互混雜，呈隨機(jī)分布狀態(tài)．

圖1 基于前兩個(gè)判別函數(shù)值的散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter plot based on the first two discriminant functions

圖2 基于平方歐式距離的褐菖鲉群體聚類關(guān)系樹Fig.2 Dendrogram showing the relationship of S.marmoratus based on Euclidean square distance

圖3 褐菖鲉群體第一第二主成分散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plots of scores based on the first two principal components of S.marmoratus populations

2.4 主成分分析結(jié)果

對4個(gè)褐菖鲉群體的85個(gè)耳石分析指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示特征值大于1的主成分為17個(gè)，前17個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為96.25%，其中第1主成分貢獻(xiàn)率為14.02%，第2主成分貢獻(xiàn)率為11.54%，第3主成分貢獻(xiàn)率為10.47%(見表4)．

表4 前17個(gè)主成分的特征值及貢獻(xiàn)率Tab.4 Eigenvalues and contributions of the first seventeen principle components

3 討論

3.1 多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

對中國、日本4個(gè)群體101尾褐菖鲉個(gè)體的85個(gè)耳石形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，判別分析結(jié)果顯示4個(gè)群體判別正確率在79.2%～100.0%之間，其中惠州群體判別正確率為100.0%，綜合判別正確率為89.1%(見表3);散點(diǎn)圖顯示中國海口和惠州群體聚為一團(tuán)，分布于散點(diǎn)圖左上部，日本伯方島和橫須賀群體分布于右下部 (見圖1);聚類分析結(jié)果與判別分析結(jié)果一致，顯示日本伯方島群體和橫須賀群體聚為一支，中國?？谌后w和惠州群體聚為一支 (見圖2);主成分分析結(jié)果顯示前17個(gè)主成分解釋了96.25%的耳石形態(tài)差異 (見表4)．多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明中國、日本褐菖鲉群體在耳石形態(tài)上存在較大差異，這與徐勝勇等[23]對中國、日本褐菖鲉群體形態(tài)學(xué)研究的結(jié)果相一致．魚類的生存環(huán)境如不同溫度、鹽度或營養(yǎng)條件等因素在一定程度上對魚類耳石有影響[3－5]．褐菖鲉為近岸巖礁性魚類[15－16]，生存環(huán)境對其形態(tài)特征影響較大．中國?？诤突葜萑后w位于25°N以南，日本橫須賀和伯方島群體位于30°N以北，水溫、營養(yǎng)條件等環(huán)境因素差異較大，可能導(dǎo)致中國、日本褐菖鲉群體在耳石形態(tài)上的差異．

對中國、日本4個(gè)褐菖鲉群體進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析、判別分析和聚類分析結(jié)果顯示，中國、日本褐菖鲉在耳石形態(tài)上存在顯著差異 (見表3，圖1、圖2)，但主成分分析散點(diǎn)圖顯示4個(gè)褐菖鲉群體差異不顯著 (見圖3)．學(xué)者研究[24－25]發(fā)現(xiàn)，雖然主成分分析方法在“降維”過程中較其他方法 (例如通過改變統(tǒng)計(jì)假設(shè)人工篩選參數(shù))效果好，但同樣會造成耳石信息的缺失．這可能是造成主成分分析散點(diǎn)圖結(jié)果與判別分析和聚類分析結(jié)果不一致的原因．

3.2 兩種鲉科魚類耳石形態(tài)學(xué)研究

對中國、日本4個(gè)褐菖鲉群體耳石形態(tài)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果顯示，中國、日本褐菖鲉耳石形態(tài)存在顯著差異．徐勝勇等[26]對中國近海許氏平鲉不同地理群體間耳石形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示8個(gè)許氏平鲉群體間耳石形態(tài)差異不顯著．許氏平鲉群體耳石形態(tài)學(xué)研究中，8個(gè)地理群體均位于黃海海域，由于海流的運(yùn)輸作用，各地理群體附近海水溫度、鹽度等環(huán)境因素差異不大，可能是造成許氏平鲉群體間耳石形態(tài)差異不顯著的原因．褐菖鲉與許氏平鲉同為近岸巖礁性魚類，補(bǔ)充黃渤海和東海褐菖鲉群體樣品進(jìn)一步分析，可能會發(fā)現(xiàn)褐菖鲉耳石形態(tài)隨緯度升高而變化的規(guī)律．對褐菖鲉群體耳石形態(tài)學(xué)研究還需增加群體數(shù)量，進(jìn)行更深入的研究．

3.3 耳石形態(tài)學(xué)在褐菖鲉群體分析中的有效性

近年來，學(xué)者多將橢圓傅里葉分析方法與形狀指標(biāo)法結(jié)合使用以增加種內(nèi)與種間鑒別的準(zhǔn)確性，例如Burke等[27]利用兩種分析方法，對大西洋鯡魚進(jìn)行群體鑒別，正確率高達(dá)95%;王英俊等[28]對細(xì)條天竺鯛和黑鰓天竺鯛進(jìn)行了分析，正確率分別為82%和88%．本研究對褐菖鲉耳石的8個(gè)形狀指標(biāo)和77個(gè)橢圓傅里葉參數(shù)進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，綜合判別正確率高達(dá)89.1%，表明橢圓傅里葉分析方法與形狀指標(biāo)法的結(jié)合應(yīng)用能夠有效地進(jìn)行褐菖鲉群體耳石形態(tài)學(xué)分析．魚類耳石形態(tài)分析方法在物種鑒別和群體分析研究方面有重要的應(yīng)用價(jià)值，該研究豐富了耳石形態(tài)分析方法在種內(nèi)群體分析方面的應(yīng)用，同時(shí)也為褐菖鲉的群體遺傳學(xué)研究提供了輔助資料．

[1]L'ABEE －LUND J H．Otolith shape discriminates between juvenile Atlantic salmon，Salmo salar L.，and brown trout，Salmo trutta L. [J]．Journal of Fish Biology，1988，33:899-903．

[2]王英俊，葉振江，張弛，等．中國海域習(xí)見石斑魚屬魚類矢耳石形態(tài)特征 [J]．中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41(1/2):55-60．

[3]CAMPANA S E，CASSELMAN J M．Stock discrimination using otolith shape analysis[J]．Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，1993，50:1062-1083．

[4]FEY D P．Differences in temperature conditions and somatic growth rate of larval and early juvenile spring-spawned herring from the Vistula Lagoon，Baltic Sea manifested in the otolith to fish size relationship[J]．Journal of Fish Biology，2001，58:1257-1273．

[5]STRANSKY C．Geographic variation of golden redfish(Sebastes marinus)and deep-sea redfish(S．mentella)in the North Atlantic based on otolith shape analysis[J]．ICES Journal of Marine Science，2005，62:1691-1698．

[6]STRANSKY C，MURTA A G，SCHLICKEISEN J，et al．Otolith shape analysis as a tool for stock separation of horse mackerel(Trachurus trachurus)in the Northeast Atlantic and Mediterranean[J]．Fisheries Research，2008，89:159-166．

[7]BURKE N，BROPHY D，KING P A．Otolith shape analysis:its application for discriminating between stocks of Irish Sea and Celtic Sea herring(Clupea harengus)in the Irish Sea[J]．ICES Journal of Marine Science，2008，65:1670-1675．

[8]CARDINALE M，DOERING-ARJES P，KASTOWSKY M，et al．Effects of sex，stock，and environment on the shape of known-age Atlantic cod(Gadus morhua)otoliths[J]．Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，2004，61(2):158-167．

[9]鄭文蓮．中國鲹科等魚類耳石形態(tài)的比較研究[C]//中國魚類學(xué)會．魚類學(xué)論文集:第二輯．北京:科學(xué)出版社，1981:39-54．

[10]羅秉征，盧繼武，黃頌芳．中國近海帶魚耳石生長的地理變異與地理種群的初步探討[C]//中國海洋湖沼學(xué)會．海洋與湖沼論文集．北京:科學(xué)出版社，1981:181-194．

[11]潘曉哲，高天翔．基于耳石形態(tài)的鱚屬魚類鑒別[J]．動(dòng)物分類學(xué)報(bào)，2010，35(4):799-805．

[12]葉振江，孟曉夢，高天翔，等．兩種花鱸(Lateolabrax sp．)耳石形態(tài)的地理變異 [J]．海洋與湖沼，2007，38(4):356-360．

[13]葉振江，張弛，王英俊，等．中國天竺鯛屬魚類的矢耳石形態(tài)特征 [J]．海洋學(xué)報(bào)，2010，32(5):87-92．

[14]WANG Y J，YE Z J，LIU Q，et al．Stock discrimination of spottedtail goby(Synechogobius ommaturus)in the Yellow Sea by analysis of otolith shape[J]．Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2011，29(1):192-198．

[15]許明海．褐菖鲉漁業(yè)生物學(xué)初步研究[J]．漁業(yè)科學(xué)，1999(4):159-162．

[16]吳常文．浙江舟山近海褐菖鲉S．marmoratus生物學(xué)研究 [J]．浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，18(3):185-191．

[17]王志錚，吳常文，侯偉芬，等．褐菖鲉仔稚魚生長特性及其關(guān)鍵變態(tài)期的研究[J]．海洋科學(xué)，2002，26(5):1-4．

[18]TUSET V M，LOZANO I J，GONZALEZ J A，et al．Shape indices to identify regional differences in otolith morphology of comber，Serranus cabrilla(L．，1758)[J]．Journal of Applied Ichthyology，2003，19(2):88-93．

[19]TUSET V M，ROSIN P L，ANTONIO L．Sagittal otolith shape used in the identification of fishes of the genus Serranus[J]．Fisheries Research，2006，81(2/3):316-325．

[20]侯剛，馮波，顏云榕，等．北部灣金線魚、深水金線魚與日本金線魚矢耳石形態(tài)識別的初步研究 [J]．中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，42(3):27-35．

[21]KUHL F，GIARDINA C．Elliptic Fourier features of a closed contour[J]．Computer Graphics and Image Processing，1982，18:236-258．

[22]IWATA H Y，UKAI．A computer program package for quantitative evaluation of biological shapes based on elliptic Fourier descriptors[J]．Journal of Heredity，2002，93:384-385．

[23]徐勝勇，張輝，柳本卓，等．中日褐菖鲉群體形態(tài)學(xué)比較研究 [J]．水生生物學(xué)報(bào)，2013，37(5):960-966．

[24]竇碩增，于鑫，曹亮．魚類矢耳石形態(tài)分析及其在群體識別中的應(yīng)用實(shí)例研究[J]．海洋與湖沼，2012，43(4):702-712．

[25]DEVRIES D A，GRIMES C B，PRAGER M H．Using otolith shape analysis to distinguish eastern Gulf of Mexico and Atlantic Ocean stocks of king mackerel[J]．Fisheries Research，2002，57:51-62．

[26]徐勝勇，張輝，潘曉哲，等．許氏平鲉群體耳石形態(tài)學(xué)比較[J]．中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，42(11):54-61．

[27]BURKE N D，BROPHY P A．Shape analysis of otolith annuli in Atlantic herring(Clupea harengus):a new method for tracking fish populations[J]．Fisheries Research，2008，91(2/3):133-143．

[28]王英俊，葉振江，劉群，等．細(xì)條天竺魚與黑鰓天竺魚耳石形態(tài)識別的初步研究 [J]．海洋與湖沼，2010，41(2):282-285．