羅氏沼蝦第二步足的性二型研究

楊明，丁福江

(1. 上海市水產(chǎn)研究所； 2. 上海市水產(chǎn)技術(shù)推廣站：上海 200433； 3. 上海申漕特種水產(chǎn)開發(fā)公司，上海，201516)

性二型(sexual dimorphism)，即兩性異形，是指種內(nèi)雌、雄個體之間在諸如形態(tài)大小、身體結(jié)構(gòu)、體色或身體局部形態(tài)等特征上存在的顯著差異，在生物界中普遍存在[1-2]。甲殼動物的性二型現(xiàn)象也較為常見，如近方蟹(Hemigrapsustakanoi)，雄性頭胸甲寬顯著大于雌性[3]。此外，對于沼蝦屬(Macrobrachium)種類也有不少形態(tài)方面的性二型報道，如紅足沼蝦(Macrobrachiumdayanum)雄性的頭部、頭胸甲、額角、第一和第二步足均大于雌性[4]，海南沼蝦(Macrobrachiumhainanense)性成熟雄蝦個體大于雌蝦[5]。對于兩性身體局部特征的研究也較為常見，其中對甲殼動物的戰(zhàn)斗武器——螯足的性二型研究引起了進化生物學(xué)家的極大興趣[6-10]。許多甲殼綱中的十足目動物擁有一對(等螯型，isochelous)或一只(異螯型，heterochelous)強大的螯足，這些強大的螯足作為甲殼動物的戰(zhàn)斗武器，在社群等級序列的確定、奪取雌性的交配權(quán)、繁殖行為和領(lǐng)域占有等方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用[11-14]。甲殼動物在生長發(fā)育過程中，身體某個器官相對于整體生長常表現(xiàn)出不同的生長速率，因此在甲殼動物的性二型研究中，異速生長常被用于比較雌、雄兩性間形態(tài)的差異程度[15-17]。此外，對于甲殼動物螯足的異速生長，生物學(xué)家也開展了相關(guān)研究。如Gu等[18]研究了紅螯螯蝦(Cheraxquadricarinatus)步足的異速生長；Kobayashi[19]對日本絨螯蟹(Eriocheirjaponica)步足的異速生長式型也進行了相關(guān)報道；Mossolin等[20]對歐式沼蝦(Macrobrachiumolfersi)第二步足的異速生長進行了相關(guān)探討。

羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)原產(chǎn)于印度洋-西太平洋的熱帶、亞熱帶水域，隸屬于甲殼綱(Crustacea)、十足目(Decapoda)、腹胚亞目(Pleocyemata)、長臂蝦科(Palaemonidae)、沼蝦屬(Macrobrachium)，目前是中國重要的淡水蝦類養(yǎng)殖品種。性成熟的羅氏沼蝦種群結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中性成熟的雄性羅氏沼蝦個體顯著大于雌蝦。雄性依照第二步足的特征依次分為藍螯型(blue-clawed males, BC)、橙螯型(orange-clawed males, OC)和小型雄蝦(small males, SM)3種形態(tài)型[21-22]。其中BC雄蝦第二步足各部分均呈現(xiàn)深藍色，其長度大于身體，且其上有棘，棘長且堅硬，呈現(xiàn)深藍色；OC雄蝦第二步足長度與身體長度相當(dāng)，有時也小于身體長度，掌節(jié)和指節(jié)常呈現(xiàn)橙色，其上同樣有棘，但棘與BC相比小且易碎，呈現(xiàn)橙色，但棘的尖端末處呈現(xiàn)黑色；SM雄蝦第二步足長度小于身體長度，步足顏色變化較大，有時很難僅僅根據(jù)顏色將SM與OC進行有效區(qū)分，其指節(jié)上的固定指有時為藍色，腕節(jié)末端有紅帶，掌節(jié)大多時候呈現(xiàn)白色或淡藍色，其棘與OC類似。盡管已有學(xué)者注意到羅氏沼蝦的第二步足在繁殖行為、隱蔽物的占取、交配權(quán)的競爭等方面發(fā)揮著重要作用[23-25]，但對其第二步足的性二型基礎(chǔ)研究尚欠深入。鑒于此，本研究基于性成熟羅氏沼蝦第二步足相關(guān)性狀參數(shù)的測量資料，對羅氏沼蝦第二步足的性二型現(xiàn)象進行了研究，以期為深入探討羅氏沼蝦性二型的進化提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1實驗材料和性狀測量方法

取池塘養(yǎng)殖185日齡達性成熟的羅氏沼蝦70尾:其中,雌蝦30尾，體長(90.84±8.47) mm、體重(20.35±5.89)g；雄蝦40尾，體長(100.44±9.11)mm、體重(29.88±8.59)g。分別對雌、雄羅氏沼蝦第二步足重(second cheliped weight，SCW)、第二步足長(second cheliped length，SCL)、頭胸甲長(carapace length，CL)以及第二步足之座節(jié)長(ischium length，IL)、長節(jié)長(merus length，ML)、腕節(jié)長(carpus length，CP)、掌節(jié)長(propodus length，PL)、指節(jié)長(dactylus length，DL)、掌節(jié)寬(propodus width，PW)、掌節(jié)高(propodus height，PH)等10個性狀參數(shù)進行測定，用以比較分析羅氏沼蝦雌、雄蝦第二步足的性二型。鑒于在采樣過程中SM數(shù)量過少，且其體型有時小于雌蝦，因此雄蝦僅選擇BC和OC。長度測量采用數(shù)顯游標卡尺(精度0.01 mm)，質(zhì)量測定采用靈敏度為0.01 g的電子天平，稱重前用紗布吸干樣本表面水分。鑒于羅氏沼蝦為等螯型沼蝦，因此僅選取第二步足右足進行測量。各性狀參數(shù)測量標準如下：

頭胸甲長：眼柄基部到頭胸甲中線的距離；第二步足長：平直狀態(tài)下座節(jié)基部至指節(jié)前端的距離；第二步足重：蝦體的第二步足右足質(zhì)量；掌節(jié)寬：掌節(jié)的最大寬度；掌節(jié)高：掌節(jié)的最大高度;第二步足之座節(jié)、長節(jié)、腕節(jié)、掌節(jié)和指節(jié)長測量標準為自關(guān)節(jié)基部中線到另一端(或尖端)中線的距離(圖1)。

圖1 羅氏沼蝦第二步足測量示意圖Fig.1 Schematic illustration of the second cheliped of Macrobrachium rosenbergii

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗數(shù)據(jù)在做進一步統(tǒng)計分析前，分別檢驗其正態(tài)性(Kolmogorov-Smirnov test)和方差齊性(Levene test)。對于符合正態(tài)分布，但方差不一致的數(shù)據(jù)，則對數(shù)據(jù)進行適當(dāng)轉(zhuǎn)換。經(jīng)檢測，雌、雄蝦所有性狀參數(shù)均符合正態(tài)分布(P>0.05)；對數(shù)據(jù)進行l(wèi)n轉(zhuǎn)換后符合方差齊性。采用獨立樣本t-檢驗比較雌、雄兩性的第二步足長和第二步足重。對于座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長及指節(jié)長等特征變量，則以第二步足長為協(xié)變量，性別為因子，做單因素協(xié)方差分析(One-way ANCOVA)，檢測兩性第二步足各變量特征的性別效應(yīng)。在進行單因素協(xié)方差分析前，檢驗各組總體斜率的一致性，經(jīng)檢測，座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長和指節(jié)長適合協(xié)方差分析，而掌節(jié)寬(P=0.030)、掌節(jié)高(P=0.002)主體間效應(yīng)(性別×第二步足長)顯著，不適合使用協(xié)方差分析。利用線性回歸進一步分析第二步足相關(guān)性狀參數(shù)與頭胸甲長的關(guān)系，檢驗有無明顯的線性關(guān)系來分析雌、雄個體間第二步足相關(guān)變量的異速生長；采用Gibbons等[26]所報道的性二型指數(shù)(sexual dimorphism index，SDI)表示雌、雄羅氏沼蝦個體間第二步足形態(tài)特征差異的不同程度，其計算公式如下：

采用冪函數(shù)方程W=aLb擬合第二步足長與第二步足重之間的關(guān)系，其中a代表第二步足生長的條件因子，b值可用來判定第二步足是否處于勻速生長。將W=aLb經(jīng)過自然對數(shù)轉(zhuǎn)換后化為線性方程lnW=lna+blnL，式中W代表第二步足重，L代表第二步足長。當(dāng)b=3時，為等速生長；當(dāng)b<3時，表示負異速生長模式，即第二步足長生長快于第二步足重生長；當(dāng)b>3時，表示正異速生長模式，即第二步足重生長快于第二步足長生長。

異速生長模型以冪函數(shù)方程y=axb構(gòu)建，其中x為頭胸甲長，y為第二步足各性狀之長度、寬度或高度，將y=axb進行以e為底的自然對數(shù)轉(zhuǎn)換，化為線性方程lny=lna+blnx，a為y軸截距，b為異速生長指數(shù)。當(dāng)b=1時，為等速生長，此時羅氏沼蝦第二步足各部分性狀參數(shù)的生長與頭胸甲等比例增長；b>1時，為快速生長，此時第二步足各部分性狀參數(shù)的生長比頭胸甲生長快；b<1時為慢速生長，此時第二步足各部分性狀參數(shù)的生長比頭胸甲生長慢。

本研究中所有試驗數(shù)據(jù)通過IBM SPSS Statistics 23統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著。描述統(tǒng)計值用平均值±標準差(Mean±SD)表示。采用Origin 2018進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 第二步足的性二型

表1為雌、雄羅氏沼蝦第二步足相關(guān)變量形態(tài)特征值和性二型的比較結(jié)果。經(jīng)Kolmogorov-Smirnov檢驗，羅氏沼蝦兩性第二步足重、第二步足長以及第二步足之座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長、指節(jié)長及掌節(jié)寬、掌節(jié)高等9項性狀參數(shù)均符合正態(tài)分布(P>0.05)。其中第二步足長、第二步足重的正態(tài)分布見圖2。所有性狀參數(shù)經(jīng)loge(自然對數(shù))轉(zhuǎn)化后方差齊性，符合參數(shù)統(tǒng)計要求。從表1可以看出，在所測定的70尾樣品中，雌蝦第二步足長均值為(76.12±10.11)mm，第二步足長度范圍56.15～94.00 mm，變異系數(shù)為13.28%；雄蝦第二步足長均值為(105.74±16.54) mm，第二步足長度范圍71.90～138.11 mm，變異系數(shù)為15.64%；雌蝦第二步足重均值為(0.86±0.37)g，第二步足重范圍0.27～1.59 g，變異系數(shù)為43.02%；雄蝦第二步足重均值為(2.49±1.15)g，第二步足重范圍0.61～5.85 g，變異系數(shù)為46.18%；對兩性第二步足長、第二步足重進行的獨立t-檢驗分析結(jié)果顯示：雄蝦第二步足長和第二步足重均極顯著大于雌蝦(P<0.001)。協(xié)方差分析結(jié)果表明：座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長和指節(jié)長在兩性間的差異均達到了極顯著水平(♂>♀，P<0.01)。

圖2 雌、雄羅氏沼蝦的第二步足長、第二步足重正態(tài)分布圖(A、B)Fig.2 Normal distribution of the second cheliped length and second cheliped weight of female and male Macrobrachium rosenbergii，respectively (A, B)

表1 羅氏沼蝦兩性第二步足變量統(tǒng)計值和性二型的比較結(jié)果

2.2 異速生長

對與性別有高度統(tǒng)計學(xué)意義的第二步足重、第二步足長以及第二步足之座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長和指節(jié)長等7項性狀參數(shù)分別進行第二步足長-第二步足重、頭胸甲長-座節(jié)長、頭胸甲長-長節(jié)長、頭胸甲長-腕節(jié)長、頭胸甲長-掌節(jié)長及頭胸甲長-指節(jié)長的一元線性回歸分析(圖3、圖4)。圖3為雌、雄蝦第二步足長-第二步足重的自然對數(shù)回歸關(guān)系。依圖3可知，雌、雄蝦第二步足長-第二步足重的自然對數(shù)回歸呈顯著的線性關(guān)系，決定系數(shù)均在0.91以上，說明第二步足長生長與第二步足重生長的相關(guān)程度較高。雌、雄蝦b值均大于3，且雄蝦的b值小于雌蝦b值，表明雌、雄蝦第二步足重的生長為正異速生長型，即第二步足質(zhì)量生長快于第二步足長度生長，雄蝦的第二步足-體重異速生長水平大于雌蝦。

圖4(A～H)分別為頭胸甲長與第二步足長、座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長、指節(jié)長、掌節(jié)寬及掌節(jié)高的線性回歸方程。從圖4可以看出，羅氏沼蝦兩性成體的第二步足長、座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長、指節(jié)長與頭胸甲長有明顯的線性關(guān)系。雄性的第二步足長、座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長和指節(jié)長隨頭胸甲長的生長速率大于雌性，且雄性均呈現(xiàn)正異速生長(b>1)；雌性第二步足長、座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長隨頭胸甲長的生長速率小于雄性，呈現(xiàn)負異速生長(b<1)；掌節(jié)長和指節(jié)長隨頭胸甲呈現(xiàn)正異速生長(b>1)，且異速生長水平小于雄性。盡管掌節(jié)寬和掌節(jié)高在兩性間均表現(xiàn)為正異速生長，但兩者異速生長水平相當(dāng)，即雌、雄掌節(jié)寬和掌節(jié)高生長速率一致。

圖3 羅氏沼蝦雌、雄蝦第二步足長與第二步足重的回歸關(guān)系(數(shù)據(jù)經(jīng)過自然對數(shù)轉(zhuǎn)換)Fig.3 Regression relationship between the second cheliped length and second cheliped weight in female and male Macrobrachium rosenbergii(data was processed with ln-transformation)

圖4 羅氏沼蝦第二步足長、座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長、指節(jié)長、掌節(jié)寬、掌節(jié)高與頭胸甲長的線性回歸(A-H)Fig.4 Linear regression of SCL, IL, ML, CP, PL, DL, PW, PH via CL of Macrobrachium rosenbergii with ln-transformed data from Figure A to Figure H(SCL: second cheliped length; IL: ischium length; ML: merus length; CP: carpus length; PL: propodus length; DL: dactylus length; PW: propodus width; PH: propodus height; CL: carapace length)

2.3 性二型指數(shù)

根據(jù)羅氏沼蝦第二步足兩性變量特征值，計算出羅氏沼蝦第二步足性二型指數(shù)(表2)。從表2可以看出，兩性間第二步足長和第二步足重的SDI分別為1.39和2.90，其余變量間的SDI均大于1，表明羅氏沼蝦第二步足相關(guān)變量均是雄性大于雌性(P<0.05)。

表2 羅氏沼蝦第二步足的性二型指數(shù)Tab.2 Sexual dimorphism index of the second cheliped characters of Macrobrachium rosenbergii

3 討論

3.1 羅氏沼蝦第二步足的性二型

甲殼動物的性二型可以表現(xiàn)為體形[4-5]或者身體局部特征—如斑點[3]、螯足[6-9,27]等兩性間的差異。性選擇假說認為一種生物如果某個特征在與同性的配偶競爭中具有優(yōu)勢，并有利于提高交配成功率，這個優(yōu)勢特征將會被選擇，從而產(chǎn)生性二型。性選擇一般作用于雄性，使具備優(yōu)勢特征的雄性適合度更高，進而使這種身體特征在不斷的同性競爭中得到強化。對于雄性羅氏沼蝦而言，雄蝦擁有較大的第二步足有助于維持其在社群中的優(yōu)勢地位，從而在領(lǐng)域維持、同性間的生殖競爭、繁殖期間實現(xiàn)同更多雌蝦的交配等行為中發(fā)揮重要作用[13-14]。許多甲殼綱中的十足目動物螯足發(fā)育強大，且與身體明顯不成比例，而與體形大小相比，武器，即螯足的大小更能體現(xiàn)雄性優(yōu)先權(quán)的獲取能力。如BC雄蝦體重比OC雄蝦少45%或25%，但第二步足長度比OC雄蝦多10%、20%，則BC雄蝦總能在與OC雄蝦的戰(zhàn)斗中取得勝利；既使BC雄蝦的體重比OC少93%，但只要BC與OC的第二步足長度接近，那么BC在與OC的戰(zhàn)斗中也有50%的勝率[28]。身體規(guī)格對雄性岸蟹(Carcinusmaenas)之間的爭斗結(jié)果影響較小，與體形相比，武器大小是搏斗結(jié)果更可靠的預(yù)測指標，擁有更重、更長螯足的雄性更有可能贏得戰(zhàn)斗[29]。對閃光活額寄居蟹(Diogenesnitidimanus)的研究表明，雄性之間在對雌性配偶的爭奪斗爭中，相對于體形來說，武器大小是決定戰(zhàn)斗勝負的更重要因素[30]。

雄性通常以戰(zhàn)斗的方式來確定個體在種群中的等級序列，以便有效奪取雌性交配權(quán)或維持領(lǐng)域地位。個體戰(zhàn)勝種內(nèi)競爭者的可能性同其相對于對手的絕對戰(zhàn)斗能力或資源占有潛力(resource holding potential, RHP)密切相關(guān)，而RHP常常決定于個體的武器大小[30]。因此，在長期的自然進化過程中為競爭配偶而擊敗種內(nèi)競爭者的特征會顯著增強并得以更好進化。由于性選擇是依據(jù)個體獲得配偶的能力進行的，對于雄性個體來講，作為武器部分的性征會進化的更加顯著，因此性選擇被認為是促使雄性動物比同性其他個體更具競爭力的某些身體器官(如作為武器的螯足)進化發(fā)展的主要動力。

3.2 羅氏沼蝦兩性第二步足的異速生長

在個體生長發(fā)育過程中，雌、雄個體的各形態(tài)特征會隨著個體大小的增大而呈現(xiàn)出不同的生長速率。關(guān)于十足目甲殼動物螯足結(jié)構(gòu)演變的研究常集中于種內(nèi)的異速生長領(lǐng)域，因為甲殼動物的步足在種間和種內(nèi)對資源的競爭以及爭奪領(lǐng)域方面起著重要的作用，常被用作研究異速生長的最好實例[31]。Mossolin和Bueno[32]曾對歐式沼蝦的第二步足異速生長進行了報道，研究結(jié)果表明雌、雄群體的掌節(jié)長-頭胸甲長及掌節(jié)高-頭胸甲長均表現(xiàn)為顯著的正異速生長。對巴西沼蝦(Macrobrachiumbrasiliense)構(gòu)建的掌節(jié)長-頭胸甲長及掌節(jié)高-頭胸甲長的異速生長方程研究結(jié)果表明[33]，掌節(jié)長無論是在雌性還是雄性群體中均表現(xiàn)為正異速生長，而掌節(jié)高在雄性群體表現(xiàn)為正異速生長，在雌性群體中則表現(xiàn)為等速生長。對日本沼蝦(Macrobrachiumnipponense)第二步足長-體長的異速生長研究表明，無論是體長小于40 mm的性未成熟雄蝦，還是體長大于40 mm的性成熟雄蝦，第二步足相對于體長的異速生長速度都比雌蝦快[34]。Gu等[35]曾對紅螯螯蝦螯足的異速生長進行了研究，建立的螯足寬-頭胸甲長和螯足長-頭胸甲長的兩性異速生長方程揭示出，雄性的螯足寬和螯足長相對于體長的生長速率要快于雌性。對南太平洋寄居蟹的性二型研究表明[36]，雄性的左掌節(jié)長-頭胸甲長呈現(xiàn)高度正異速生長，而雌性的左掌節(jié)長-頭胸甲長呈現(xiàn)等速或負異速生長。

本研究建立了性成熟羅氏沼蝦第二步足長-第二步足重的兩性生長方程，結(jié)果表明雌、雄蝦第二步足重呈現(xiàn)正異速生長，即第二步足質(zhì)量生長快于第二步足長度生長，且雄蝦的第二步足質(zhì)量的異速生長水平大于雌蝦。此外還構(gòu)建了第二步足長-頭胸甲長、座節(jié)長-頭胸甲長、長節(jié)長-頭胸甲長、腕節(jié)長-頭胸甲長、掌節(jié)長-頭胸甲長、指節(jié)長-頭胸甲長、掌節(jié)寬-頭胸甲長及掌節(jié)高-頭胸甲長的異速生長方程，結(jié)果顯示雄性的第二步足長、座節(jié)長、長節(jié)長、腕節(jié)長、掌節(jié)長和指節(jié)長隨頭胸甲長的生長速率快于雌性，且雄性均呈現(xiàn)正異速生長，而雌性第二步足長、座節(jié)長、長節(jié)長和腕節(jié)長隨頭胸甲長的生長速率小于雄性，呈現(xiàn)負異速生長；掌節(jié)長和指節(jié)長隨頭胸甲呈現(xiàn)正異速生長，且異速生長水平小于雄性。此外，掌節(jié)寬和掌節(jié)高在兩性間均表現(xiàn)為正異速生長，且兩者異速生長水平相當(dāng)，即雌、雄掌節(jié)寬和掌節(jié)高生長速率一致。與雌性相比，雄性第二步足更快的生長可保證身體的戰(zhàn)斗器官優(yōu)先發(fā)育，更好地在社群中建立優(yōu)勢地位，進而提高自身的繁殖適合度。