西白令海夏季狹鱈性腺組織能量密度的影響因素分析

黃開，韋貝貝，朱國平、3、4*

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 2.上海海洋大學(xué) 極地研究中心，上海 201306； 3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點實驗室極地海洋生態(tài)系統(tǒng)研究室，上海 201306；4.國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 210306)

狹鱈Gaduschalcogrammus(Pallas, 1814)，曾被稱為Theragrachalcogrammus，隸屬于硬骨魚綱鱈形目鱈科，是目前世界上最為重要、最有商業(yè)價值的魚類資源之一[1]，狹鱈廣泛分布于北太平洋，白令海水域其資源密度最為集中[2]，棲息水層為50～360 m[3]。狹鱈占據(jù)著北太平洋海洋食物鏈的中心位置，其主要捕食對象為橈足類[4]，同時狹鱈也是許多大型魚類、海鳥及海洋哺乳動物的重要捕食對象，是該海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量分配的關(guān)鍵物種。

魚體的能量密度是衡量魚類身體能量儲備水平的重要生物學(xué)指標(biāo)，反映了魚類不同生活史階段中的生理狀態(tài)及營養(yǎng)水平[5]。通常魚類的能量密度會隨著性腺發(fā)育程度表現(xiàn)出相應(yīng)的動態(tài)特征，因此，針對性腺組織能量密度變化的研究，有助于更好地了解該魚種的生殖投入方式及繁殖產(chǎn)卵策略[4]。目前，針對狹鱈的生長[4]、年齡[6-7]及資源量[8]等已有較多報道，但關(guān)于該魚種的繁殖及能量密度方面則鮮有研究。國內(nèi)關(guān)于狹鱈的研究較少，且多集中在20世紀(jì)90年代以前。本研究中，分析了西白令海狹鱈性腺組織的能量密度，探究了狹鱈性腺組織的能量密度變化與環(huán)境因子間的關(guān)系，旨在了解狹鱈隨個體生長性腺組織的能量密度變化規(guī)律及主要影響因素，為進一步了解該魚種在北太平洋生態(tài)系統(tǒng)能量傳遞過程中發(fā)揮的作用及產(chǎn)卵機制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

狹鱈樣本由大型拖網(wǎng)船“開利”輪采集于西白令海，采樣時間分別為2017年6—9月和2018年8—10月。調(diào)查海域及站位見圖1，共收集94尾狹鱈樣本，其中2017年50尾，2018年44尾。所有海上采集的樣本均置于-20 ℃下冷凍保存。

圖1 調(diào)查區(qū)域與采樣站位Fig.1 Surveryed area showing the sampling locations

1.2 方法

1.2.1 樣品的采集與處理 樣品在實驗室解凍后，首先進行生物學(xué)測定，測定內(nèi)容包括體長(L)、體質(zhì)量(W)和性腺成熟度等，其中，體長測量使用精度為1 mm 的鋼尺，體質(zhì)量測定使用精度為1 g的電子秤。測定并記錄生物學(xué)指標(biāo)后，取樣本性腺保存于有標(biāo)記號的塑料管中，用于后續(xù)能量密度的測定。以Zhukova[9]的性腺成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合狹鱈生殖系統(tǒng)發(fā)育情況，對樣本進行性成熟度等級鑒別。

采集狹鱈性腺組織樣本約2 g，置于冷凍干燥機(Christ Alpha 1-4/L Dplus)于-80 ℃下冷凍干燥；組織樣本干燥后，置于研磨機(Retsch MM 400)中研磨粉碎；然后在Parr 6100型氧彈熱量儀(Parr Instrument Company, Moline, IL,USA)中測定組織能量密度(energy density, ED)(kJ/g)。

1.2.2 性腺組織能量密度與各因素的相關(guān)性分析利用冪函數(shù)擬合狹鱈個體的體質(zhì)量與體長關(guān)系，并利用單因子方差分析法進行檢驗。利用Shaipro-Wilk檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)性。如數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，利用t檢驗分析性腺組織能量密度的體長差異性；如數(shù)據(jù)呈非正態(tài)性，則利用非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗。利用Pearson相關(guān)分析對能量密度的動態(tài)變化與各影響因子的相關(guān)性進行分析。

廣義加性模型(Generalized additive model，GAM)為廣義線性模型的非參數(shù)化擴展，適用于處理響應(yīng)變量與多個解釋變量間的非線性或非單調(diào)關(guān)系[10]。本研究中，以狹鱈性腺組織的能量密度作為響應(yīng)變量，以體長、經(jīng)度、緯度和性成熟度作為解釋變量，建立GAM模型，分析西白令海的狹鱈性腺組織的能量密度與各影響因子間的關(guān)系。GAM模型表達式為

ln(ED)=s(Lati)+s(Long)+s(SM)+s(L)+ε。

其中：ED為能量密度；s為自然立方樣條平滑；Lati為緯度；Long為經(jīng)度；SM為性成熟度；L為體長；ε為殘差。利用赤池信息準(zhǔn)則(Akaike information criterion，AIC)檢驗逐步加入因子后模型的擬合程度，其值越小表明模型的擬合效果越佳[11]。利用F檢驗評估各因子的顯著性。GAM模型的運算通過R 3.5.2程序?qū)崿F(xiàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 體長與體質(zhì)量

經(jīng)檢驗，2017年和2018年狹鱈的體長均符合正態(tài)分布，且兩年樣本的體長間存在顯著性差異(t=10.626，P<0.05)，故將兩個年份的狹鱈樣本分開進行分析。2017、2018年的體長范圍分別為23.8～39.6、30.5～51.7 cm，平均體長分別為(30.58±2.84)、(39.97±5.14)cm，體質(zhì)量范圍分別為141.5～668.3 g、278.1～1215.3 g，平均體質(zhì)量分別為(319.17±93.47)、(660.45±244.51)g。2017、2018年狹鱈體長與體質(zhì)量的關(guān)系如圖2所示，關(guān)系方程分別為

圖2 2017年和2018年夏季狹鱈體長與體質(zhì)量的關(guān)系Fig.2 Relationship between body length and body weight of Alaska pollock Gadus chalcogrammus during summer in 2017 and 2018

W2017=1.357×10-2L2.9354，R2=0.8463，

n=50，P<0.001；

W2018=3.257×10-2L2.6794，R2=0.8899，

n=44，P<0.001。

2.2 性腺組織能量密度與各因素的相關(guān)性

經(jīng)檢驗，2017年和2018年狹鱈的性腺組織能量密度均符合正態(tài)分布，且兩年樣本性腺組織的能量密度間存在顯著性差異(t=3.481，P<0.05)，故將兩年的能量密度分開分析。2017年和2018年夏季西白令海狹鱈的性腺組織能量密度實測值分別為20.00～26.38 kJ/g(平均為22.28 kJ/g±1.37 kJ/g)和22.09～26.69 kJ/g(平均為24.27 kJ/g±1.09 kJ/g)。隨著個體生長發(fā)育，性腺組織不斷積累能量，并均在性腺成熟度Ⅳ期達到最大值(表1)。

表1 2017年和2018年夏季狹鱈性腺成熟度與性腺組織能量密度的關(guān)系

對2017年和2018年狹鱈性腺組織的能量密度與各因子進行相關(guān)分析(表2)，結(jié)果表明，能量密度僅與性成熟度呈顯著或極顯著性相關(guān)(P<0.05或P<0.01)，與其他因子均無顯著性相關(guān)(P>0.05)。

表2 能量密度與各因素的相關(guān)系數(shù)

2.3 影響能量密度的因素

GAM模型分析結(jié)果(表3)顯示：該模型對2017年和2018年西白令海狹鱈的性腺組織能量密度的總解釋率為25.2%和8.82%；貢獻最大的因子均為性成熟度，其貢獻率分別為15.28%(2017年)和4.93%(2018年)，而其他因子對模型的貢獻較小。

經(jīng)檢驗表明，緯度和性成熟度對2017年狹鱈樣本的性腺組織能量密度有顯著影響(P<0.05)，而2018年樣本的性腺組織能量密度與各因子間均無顯著性關(guān)系(P>0.05)(表3)。同時也發(fā)現(xiàn)，隨著影響因子的逐步加入，GAM模型的AIC值隨之變小，表明模型的擬合程度也有所提高，因此，模型保留了所有影響因子。

表3 GAM模型統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Statistical results of GAM

從圖3可見：2017年，隨著經(jīng)度和緯度的增加，二者對狹鱈性腺組織能量密度的影響逐漸減?。欢?018年，隨著經(jīng)度的增加，其對性腺組織能量密度的影響逐漸增大，相反，隨著緯度的增加，其對性腺組織能量密度的影響逐漸減小；2017年，體長為24～40 cm的狹鱈個體隨著體長的增加，其對性腺組織能量密度的影響逐漸減小，而2018年，體長為30～50 cm的狹鱈個體隨著體長的增加，其對性腺組織能量密度的影響略有增大，但基本平穩(wěn)；性成熟度對能量密度的影響是所有因子中影響最為顯著的因子，2018年的狹鱈樣本中，能量密度在產(chǎn)卵前(Ⅳ期前)基本保持穩(wěn)定，但總體來說，兩個年份的狹鱈個體隨著性成熟度增大，其對能量密度的影響也逐漸增大。

圖3 2017和2018年夏季各因素對狹鱈組織能量密度的影響Fig.3 Effects of various factors on energy density in gonad of Alaska pollock Gadus chalcogrammus during summer in 2017 and 2018

3 討論

3.1 個體生物學(xué)特性

體長和體質(zhì)量的關(guān)系一般可用于了解魚類生長的季節(jié)性變化，評估魚類生長環(huán)境的優(yōu)劣和魚類的營養(yǎng)狀況，比較不同種或種群間生活史和體型特征的差異[12]。通常情況下，狹鱈在第一年可生長到15 cm，在兩年后生長至32 cm，但季節(jié)性差異對體長也有一定影響[11]。本研究中樣本采集時間均為6—10月，2017年和2018年樣本體長范圍分別為23.8～39.6 cm和30.5～51.7 cm。而西白令海狹鱈產(chǎn)卵期為4—6月，雌性和雄性分別在體長為34.8 cm和32.2 cm時達到性成熟[13]。因此，可以推測本研究中2017年所采集的狹鱈樣本多處于未成熟狀態(tài)，而2018年所采集的狹鱈樣本多為產(chǎn)卵過后的個體。

通常不同海區(qū)相同體長的狹鱈間體質(zhì)量存在著差異[14]，而體長-體質(zhì)量冪函數(shù)關(guān)系式的b值，可以作為表征魚類生長率、身體形態(tài)發(fā)育等差異性的指標(biāo)之一[15]，并用于評估狹鱈的身體狀況。據(jù)Hinckley[2]的研究，白令海狹鱈往往表現(xiàn)為異速生長，此時b值可以解釋為兩種情況(表4)：(1)b<3的為負(fù)異速生長，即體長生長比體質(zhì)量增長快，如東南陸架、阿留申海盆的群體；(2)b>3的為正異速生長，即體質(zhì)量增長比體長生長快，如西北陸坡、東南陸坡的群體[15]。本研究中，西白令海狹鱈個體表現(xiàn)為負(fù)異速生長(b=2.68)，這表明經(jīng)歷產(chǎn)卵期后的狹鱈身體狀況受到一定影響，而這可能是狹鱈產(chǎn)卵時停止攝食所導(dǎo)致的[16]。

表4 白令海各海區(qū)狹鱈的體長-體質(zhì)量關(guān)系

3.2 組織能量密度

組織能量密度是衡量能量儲備的重要指標(biāo)之一，是生物同化和異化作用的共同結(jié)果[17]。本研究顯示，大個體狹鱈的性腺組織能量密度值顯著高于小個體(P<0.05)。在個體生長發(fā)育成熟的過程中，性腺組織的能量密度值隨著性腺發(fā)育成熟均呈現(xiàn)增長的趨勢，但成熟度等級間均無顯著性差異(P>0.05)。其中產(chǎn)卵前后能量密度發(fā)生較大變化的原因可能與性腺成熟度為Ⅱ期和Ⅴ期的樣本較少有關(guān)，也可能與狹鱈性腺組織發(fā)育相對滯后有關(guān)[18]，因為狹鱈通常直到發(fā)育至產(chǎn)卵期時性腺組織才開始迅速積累能量用于產(chǎn)卵。這也說明產(chǎn)卵時的狹鱈性腺組織能量密度達到最大值可能因發(fā)育成熟個體的生長、繁殖和儲存能量的分配方式發(fā)生變化所致，產(chǎn)卵期個體的能量由大部分用于魚體生長發(fā)育轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟卮鎯δ芰颗c脂質(zhì)以用于繁殖。

Smith等[19]研究表明，狹鱈成熟個體產(chǎn)卵時基本會停止攝食，這期間的能量損失約占魚體總能量的46%，而性腺組織的能量消耗在其中占據(jù)了較大一部分，其卵巢和精巢本身損失相當(dāng)于初始能量的98%和94%。相比之下，大西洋鱈Gadusmorhua產(chǎn)卵所消耗的能量約占魚體總能量的30%[20]。這一差異可能來源于狹鱈在中上層聚集產(chǎn)卵，這與鱈類的底棲產(chǎn)卵方式相反[21]。

3.3 能量密度的影響因素

魚類的能量密度會隨著性腺發(fā)育程度的逐步推進而表現(xiàn)出相應(yīng)的動態(tài)特征[22]，而體型、性別、月份、繁殖狀況、地理位置、年份等因素對能量密度皆有影響[16]。

本研究中，狹鱈性腺組織的能量密度與性成熟度相關(guān)性較為明顯，而與體長、體質(zhì)量、季節(jié)等因素?zé)o顯著性相關(guān)。這可能源于發(fā)育過程中能量分配方式的轉(zhuǎn)變：未成熟個體分配更高比例的同化能量用于生長，而對于已發(fā)育成熟的個體，其生長逐漸停緩，并存儲更多的能量用于繁殖產(chǎn)卵，這種轉(zhuǎn)變往往與性腺發(fā)育及魚體營養(yǎng)狀況密切相關(guān)[23]。狹鱈自性腺發(fā)育開始，發(fā)育前期魚體生長迅速，性腺發(fā)育成熟后魚體逐漸停止生長。而自產(chǎn)卵期(Ⅲ～Ⅳ期)開始，性腺組織迅速發(fā)育，能量密度值顯著增長并在產(chǎn)卵時達到最大值。因此，狹鱈性腺組織的能量變化過程是發(fā)育前期魚體生長逐漸向性腺組織快速生長轉(zhuǎn)變的過程，也是產(chǎn)卵期間組織能量再分配的結(jié)果。

GAM模型結(jié)果顯示，2017年所采集的狹鱈樣本，體長和經(jīng)度對性腺組織能量密度無顯著性影響，而緯度和性成熟度對能量密度有顯著性影響，這表明未成熟個體的能量水平不僅與自身發(fā)育情況有關(guān)，而且受到外界環(huán)境因素的影響，其原因在于魚類不同發(fā)育階段能量分配(用于生長的能量消耗和用于繁殖的能量儲存)上的差異[24]，未成熟個體會分配更高比例的同化能量用于魚體生長。因此，體長的變化與能量密度差異無關(guān)。而2018年所采集狹鱈樣本，性腺組織能量密度與各因子間均無顯著性關(guān)系(P>0.05)，這表明成熟個體的能量始終保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，其原因可能是，一方面狹鱈在進入產(chǎn)卵期并停止攝食之前，魚體會主動代謝并進行能量攝入使能量儲備水平達到峰值[19]；另一方面產(chǎn)卵過后的雄性和雌性體質(zhì)量均減少38%左右[16]，即通過消耗脂肪等儲能物質(zhì)維持產(chǎn)卵過程中所需的能量。

4 結(jié)論

針對白令海水域最為重要的商業(yè)性魚種，研究狹鱈性腺組織密度可以更好地了解該魚種在能量分配上的機制。本文通過研究西白令海夏季狹鱈性腺組織能量密度的變化及主要影響因素，得到以下主要結(jié)論：

(1)狹鱈性腺組織的能量密度存在著年際差異，而個體大小可能是其致因之一。

(2)狹鱈的個體生長發(fā)育狀況對能量密度有著顯著的影響，其中性成熟度是影響能量密度變化的主要因素。

(3)狹鱈性腺組織能量密度的變化過程為發(fā)育前期，能量主要用于魚體生長，而發(fā)育成熟后，性腺組織存儲大量能量用于產(chǎn)卵。

致謝：感謝本次調(diào)查中“開利”輪船長及全體船員協(xié)助收集并提供樣品！