柔魚科近緣種莖柔魚與鳶烏賊營養(yǎng)生態(tài)位及相互關(guān)系

李云凱,汪惠瓊,陳新軍,貢 藝,5,*

1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201306 3 國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心, 上海 201306 4 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201306 5 同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院, 上海 200092

大洋性頭足類是人類目前開發(fā)的重要海洋生物資源,也是大型鯊魚、金槍魚類和鯨魚等海洋頂級捕食者的重要食物來源,在海洋生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中占有重要地位。大洋性頭足類近緣種莖柔魚(Dosidicusgigas)和鳶烏賊(Sthenoteuthisoualaniensis)同屬頭足綱槍形目(Teuthoidea)柔魚科(Ommastrephidae),二者外部形態(tài)相似,且都具有運(yùn)動性強(qiáng)、攝食量大、生長迅速和晝夜垂直洄游等特性[1]。依據(jù)穩(wěn)定進(jìn)化對策,棲息在同一海域的近緣種會調(diào)節(jié)各自的攝食策略來緩和食物競爭,進(jìn)而可能形成平衡而共存。而攝食策略的差異包括不同的攝食時(shí)間、水層和食物分化[2]。在熱帶東太平洋,莖柔魚和鳶烏賊的分布海域存在重疊,因此二者可能存在食物競爭關(guān)系。然而目前,對二者攝食策略差異的研究仍十分有限,已成為掌握其種群動態(tài)變化的瓶頸。

生物地球化學(xué)示蹤物在海洋生物攝食生態(tài)學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用[3]。學(xué)者們通過解析生物機(jī)體攜帶的碳、氮穩(wěn)定同位素比值(δ13C和δ15N值)或脂肪酸組成來了解其攝食策略,而基于δ13C和δ15N值或特征脂肪酸繪制的二維圖形則可以指示其營養(yǎng)生態(tài)位,其重疊和分離程度可以反映種間關(guān)系[4-5]。據(jù)此,本研究以棲息在熱帶東太平洋海域相同個(gè)體大小的莖柔魚與鳶烏賊為研究對象,對其胴體肌肉的穩(wěn)定同位素和脂肪酸組成進(jìn)行測定和比較,并構(gòu)建營養(yǎng)生態(tài)位,進(jìn)而分析兩種柔魚類的營養(yǎng)生態(tài)位差異及相互關(guān)系,并推測可能造成種間差異的原因。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2017年6—7月在東太平洋赤道海域(96°W—103°W、2°N—6°S)進(jìn)行了莖柔魚和鳶烏賊樣品采集(圖1)。樣品經(jīng)冷凍保存(-20 ℃)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,在實(shí)驗(yàn)室解凍后進(jìn)行基礎(chǔ)生物學(xué)參數(shù)測量。選取個(gè)體大小相近的105尾莖柔魚和46尾鳶烏賊進(jìn)行穩(wěn)定同位素和脂肪酸組成分析。取莖柔魚和鳶烏賊胴體肌肉組織約4 cm2,去除表皮,并用超純水清洗后,冷凍(-20 ℃)2h再置于冷凍干燥機(jī)(Christ Alpha 1-4,Martin Christ)內(nèi)-55 ℃干燥24 h,取出后用混合型球磨儀(Mixer mill MM440,Retsch)研磨至呈均勻的細(xì)粉末狀。

圖1 莖柔魚與鳶烏賊采樣點(diǎn)

1.2 研究方法

1.2.1穩(wěn)定同位素分析

稱取樣品粉末1.0 mg并用鋁箔包樣后送入ISOPRIME 100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(IsoPrime Corporation,Cheadle,UK)和VARIO ISOTOPE cube元素分析儀(Elementar Analysensysteme GmbH,Hanau,Germany)中進(jìn)行穩(wěn)定同位素測定,結(jié)果以δ13C和δ15N值形式來表示。為保證試驗(yàn)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度,每10個(gè)樣品中放入3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品(蛋白質(zhì)(δ13C=-26.98‰和δ15N=5.96‰))校準(zhǔn)碳、氮穩(wěn)定同位素,分析精度為0.05‰(δ13C)、0.06‰(δ15N)。穩(wěn)定同位素測定在上海海洋大學(xué)穩(wěn)定同位素分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2.2脂肪酸組成分析

稱取樣品粉末200 mg,采用Gong等[6]的方法提取脂肪酸。脂肪酸樣品采用氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(7890B/5977A,Agilent)進(jìn)行分析。脂肪酸組成采用內(nèi)標(biāo)法(GLC 37,Nu-Chek Prep Inc,Elysian)進(jìn)行定量分析。每種脂肪酸以占各脂肪酸總含量的百分比表示。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析(ANVOA)對莖柔魚和鳶烏賊的穩(wěn)定同位素比值和脂肪酸組成進(jìn)行差異分析。所有數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

根據(jù)Cucherousset和Villéger[4]的方法,莖柔魚和鳶烏賊的穩(wěn)定同位素營養(yǎng)生態(tài)位(Stable isotopic niche,SIN)的相互關(guān)系采用嵌套指數(shù)(Index of nestedness,INes)表示,該指數(shù)為兩個(gè)多邊形重疊面積與其中較小多邊形面積的比值,范圍為0—1,數(shù)值“0”表示二者營養(yǎng)生態(tài)位間沒有重疊,數(shù)值“1”表示營養(yǎng)生態(tài)位完全重疊。對于脂肪酸數(shù)據(jù),先采用非度量多維標(biāo)度(Non-metric multidimensional scaling,NMDS)對脂肪酸數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理。計(jì)算后獲得的二維數(shù)據(jù)用于分析脂肪酸營養(yǎng)生態(tài)位(Fatty acid niche,FAN),其相互關(guān)系也采用INes表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定同位素

本研究選取的莖柔魚胴長范圍為20.1—34.6 cm(27.76±3.61)；鳶烏賊胴長范圍為21.0—33.4 cm(27.64±3.70)。兩種柔魚類的個(gè)體大小無顯著差異(P>0.05)。莖柔魚與鳶烏賊肌肉的δ13C和δ15N值的測定結(jié)果如表1所示。比較發(fā)現(xiàn),莖柔魚和鳶烏賊的δ13C(F<0.001,P=0.985)和δ15N(F=1.076,P=0.301)值均未呈顯著差異,且相同胴長組間亦未見顯著差異(表1)。

表1 莖柔魚與鳶烏賊肌肉中碳、氮穩(wěn)定同位素比值

2.2 脂肪酸組成

本研究共測定42尾莖柔魚和19尾鳶烏賊肌肉的脂肪酸組成。二者所含脂肪酸種類一致,共28種,包括10種飽和脂肪酸(Saturated fatty acid,SFA),8種單不飽和脂肪酸(Monounsaturated fatty acid,MUFA)和10種多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid,PUFA)(表2)。比較發(fā)現(xiàn),有9種脂肪酸存在種間差異,包括SFA中的C14∶0、C15∶0和C18∶0,MUFA中的C20∶1n9以及PUFA中的C18∶2n6、C20∶2n6、C20∶3n3、C20∶4n6和C20∶5n3。兩種柔魚類含量均高于1%的脂肪酸有10種,即C16∶0、C17∶0、C18∶0、C18∶1n9、C20∶1n9、C20∶3n3、C20∶4n6、C20∶5n3、C22∶2n6和C22∶6n3,占脂肪酸含量的91.53%(莖柔魚)和91.86%(鳶烏賊)以上(表2)。這些脂肪酸將用于后續(xù)NMDS分析[4]。

表2 莖柔魚與鳶烏賊肌肉的脂肪酸組成(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.3 營養(yǎng)生態(tài)位

以莖柔魚和鳶烏賊胴體δ13C和δ15N值和脂肪酸組成分析結(jié)果分別繪制出SIN和FAN(圖2)。莖柔魚和鳶烏賊SIN面積分別為0.192‰2和0.337‰2,其INes為0.89。其FAN面積分別為0.499‰2和0.501‰2,二者INes為0.54。

圖2 莖柔魚和鳶烏賊胴體穩(wěn)定同位素營養(yǎng)生態(tài)位和脂肪酸營養(yǎng)生態(tài)位

3 討論

頭足類會捕食甲殼類動物、魚類和頭足類動物,也為大型魚類和海洋哺乳類所捕食,在海洋物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞中具有重要作用[7]。在熱帶東太平洋,大洋性柔魚類近緣種莖柔魚與鳶烏賊呈同域分布的狀態(tài),說明二者已形成穩(wěn)定的種間共存關(guān)系,這必然涉及對食物資源的有效利用[2]。因此,對莖柔魚與鳶烏賊營養(yǎng)生態(tài)位以及相互關(guān)系的研究將有助于深入了解二者的種群動態(tài)。

捕食者δ13C值在食物鏈傳遞過程中變化較小,可指示其食物來源,而δ15N值在捕食者體內(nèi)富集,可用于確定研究對象的營養(yǎng)級[8]。本研究中,相同個(gè)體大小的莖柔魚與鳶烏賊胴體肌肉的δ13C和δ15N值無顯著差異(表1),表明棲息在熱帶東太平洋的兩種柔魚類處于相近的營養(yǎng)級,且食物來源相似。這種現(xiàn)象在其他近緣海洋物種間也有發(fā)現(xiàn)。例如,棲息在中東太平洋的真鯊科大青鯊(Prionaceglauca)和鐮狀真鯊(Carcharhinusfalciformis),旗魚科平鰭旗魚(Istiophorusplatypterus)與大西洋藍(lán)槍魚(Makairanigricans)[9]。這種現(xiàn)象也顯示出莖柔魚與鳶烏賊可能存在較強(qiáng)的種間食物競爭,這在營養(yǎng)生態(tài)位的分析結(jié)果中也得到了驗(yàn)證(圖2)。本研究中,莖柔魚與鳶烏賊的SIN高度重疊,INes達(dá)到0.89。然而,莖柔魚與鳶烏賊都是具有高度洄游性的大洋性頭足類,在棲息環(huán)境發(fā)生變化或洄游到一個(gè)新棲息地時(shí),其機(jī)體的δ13C和δ15N值會受到食物來源和穩(wěn)定同位素基線變化的共同影響[10]。已有研究發(fā)現(xiàn),大洋性柔魚類肌肉δ13C和δ15N值與緯度和離岸距離高度相關(guān)[11-12]。換言之,SIN的重疊可能是因?yàn)楸狙芯恐星o柔魚與鳶烏賊均采集自相同海域。有學(xué)者對棲息在同一海域的幼年低鰭真鯊(Carcharhinusleucas)和高鰭真鯊(C.amboinensis)的胃含物和肌肉δ13C和δ15N值比較發(fā)現(xiàn),其胃含物組成存在顯著差異,但二者的δ13C和δ15N值無顯著差異,營養(yǎng)生態(tài)位呈現(xiàn)高度重疊的狀況[13]。可見,莖柔魚與鳶烏賊的SIN會受食物來源和穩(wěn)定同位素基線的共同影響,即SIN的重疊關(guān)系可以反映同域近緣種攝食空間和食物來源的競爭程度,為了區(qū)分這兩種因素,本研究利用脂肪酸組成分析進(jìn)一步探討兩種頭足類的食物來源的差異。

肌肉的同位素周轉(zhuǎn)速率較慢,這在一定程度上會掩蓋頭足類攝食洄游活動在時(shí)間上的變化。相對而言,肌肉脂肪酸的周轉(zhuǎn)速率較快,且某些特征脂肪酸可以間接指示食物來源,因此被廣泛用于分析頭足類食性變化及其種間差異[14-15]。隨著研究的深入,脂肪酸組成分析也逐步成為量化海洋生物營養(yǎng)生態(tài)位的有力工具[5,16]。本研究中,莖柔魚與鳶烏賊均含有28種脂肪酸,以PUFA為主,其次是SFA和MUFA(表2)。比較發(fā)現(xiàn),有5種PUFA存在種間差異(C18∶2n6、C20∶2n6、C20∶3n3、C20∶4n6和C20∶5n3)。雖然對莖柔魚與鳶烏賊必需脂肪酸種類的研究還未見報(bào)道,但已有研究發(fā)現(xiàn)高營養(yǎng)級生物無法自身合成n-3和n-6系列的高度不飽和脂肪酸,只能從食物中獲取,因此這5種PUFA可能與兩種柔魚類食性特化關(guān)系密切。此外,Stowasser等[17]對大西洋短鰭魷魚(Lolligunculabrevis)的室內(nèi)投喂實(shí)驗(yàn)和貢藝等[18]對莖柔魚脂肪酸組成的空間差異比較研究都發(fā)現(xiàn)C18∶2n6對頭足類食物來源有較好的指示作用,這也驗(yàn)證了莖柔魚與鳶烏賊存在食性上的特化。對比SIN和FAN可以發(fā)現(xiàn),莖柔魚與鳶烏賊FAN的重疊程度較小(INes為0.54,圖2),說明兩種柔魚類食物來源的差異,同時(shí)說明食性分化降低了二者的資源競爭。

綜上所述,在進(jìn)化過程中,莖柔魚與鳶烏賊會借助攝食空間和食物分化來降低競爭的緊張度,這在二者的共存中發(fā)揮著重要作用。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn)通過結(jié)合穩(wěn)定同位素技術(shù)和脂肪酸組成分析各自的特點(diǎn)可以有效評估同域近緣種的營養(yǎng)生態(tài)位關(guān)系。但是,本研究尚未考慮近緣種同位素分餾效應(yīng)以及脂肪酸的吸收和利用效率差異對結(jié)果的潛在影響。