長江口日本鰻鱺降海產卵洄游群體的銀化指標研究

郭弘藝 鄭 麗 葉亞蒙 唐文喬, 張 亞 張旭光

(1. 海洋動物系統分類與進化上海高校重點實驗室, 上海 201306; 2. 科技部海洋生物學國際聯合研究中心, 上海 201306;3. 上海海洋大學水產科學國家級實驗教學示范中心, 上海 201306)

日本鰻鱺(Anguilla japonica)為降海產卵洄游(Catadromous)魚類, 其產卵場位于西馬里亞納海脊南部[1,2]。新孵化的仔魚發育為柳葉型仔鰻, 被稱為柳葉鰻(Leptocephalus), 其側扁的體形隨著北赤道洋流(North Equatorial Current)和黑潮暖流(Kuroshio Current)向中國、日本、韓國等大陸架漂送。柳葉鰻經過數月漂流后, 抵達大陸架或沿岸水域, 即變態為流線型的玻璃鰻(Glass eel)。當玻璃鰻身上出現色素沉著后稱為線鰻(Elver)[3]。在溯河至河川或是滯留在河口水域中成長的期間稱為黃體鰻(Yellow eel)。經過數年的成長后, 變態成為銀色鰻(Silver eel), 并開始進行降海繁殖洄游, 最終完成生活史[4]。鰻魚由黃體鰻變態為銀色鰻的過程,稱為銀化(Silvering)[5]。

日本鰻鱺是亞洲重要養殖魚種之一, 但因人工繁殖尚未完全成功[6], 養殖所需鰻苗全靠天然捕撈,弄清產卵群體的生物學特征及銀化的生理條件被認為是人工育苗的重要前提之一[7—10]。在人工繁殖方面, Ijiri等[11]的研究表明銀色鰻時期的人工催產效果遠高于黃體鰻時期, Liao等[13]也得到類似的研究結果, 顯示銀色鰻的生理與內分泌狀態與黃體鰻有顯著差異[12]。長江口是我國鰻苗的主產區和目前僅存的成鰻漁業水域, 每年秋季有專業漁民捕撈降海洄游途中的成鰻。近年來, 我國學者對日本鰻鱺的研究主要集中在鰻苗的資源動態[14—16]、分子生物學[17—19]和生活史特征[20—24]等研究方面, 有關成鰻銀化過程中生物學及其特征的研究目前尚未見任何報道。本文以長江河口生殖洄游途中的日本鰻鱺為研究材料, 對繁殖群體銀化過程中體色、年齡、全長、體重及銀化指標等特征作了分析, 建立簡單可靠的識別標準, 為人工繁殖的種鰻選取和質量評估提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2017年10月14日, 在長江河口上端的江蘇靖江段(31°30′N, 120°42′E), 隨捕鰻船“蘇靖漁11451”采集降海洄游途中的日本鰻鱺成魚106尾。捕撈網具為當地典型的捕鰻張網, 網口寬10—11 m, 高4.5 m,整個網長25—30 m, 網目由網口的3 cm×3 cm逐漸縮小至網底的1 cm×1 cm。每船攜帶兩部張網固定在船身中部, 作業時同時下網。采集位置為長江靖江段北岸離岸約2 km、水深8 m以上的水域, 張網底綱放在水下4.5 m處, 上綱與水面持平。

1.2 實驗方法

標本活體帶回實驗室后, 用MS-222魚用麻醉劑麻醉, 仔細觀測并詳細記錄每尾樣本頭部、軀干部及胸鰭的顏色, 依據Han等[9]和Okamura等[7]對日本鰻鱺銀化過程中各發育期體色特征描述和評判標準(表 1), 鑒定每尾標本所處的發育期。

隨后, 用鋼卷尺測量全長(Total length,TL)(精確至1 mm), 用電子天平稱量體重(Body weight,BW)(精確至1 g)。由于同一尾鰻鱺眼徑和胸鰭長在左、右體側均無顯著差異[25], 因此用游標卡尺統一測量標本左胸鰭長(Pectral fin length,Lp)、左眼的垂直眼徑(Horizontal eye diameter,A)和水平眼徑(Vertical eye diameter,B), 均精確至0.1 mm。解剖并根據雌、雄個體性腺的解剖學特征: 卵巢呈皺縮狀長飄帶形、精巢以有“葉狀器官”為依據, 確定其性別[26]。采用分析天平稱量性腺(Gonad weight,GW)和消化道(Digestive tract weight,DW, 消化道包括胃和腸)重量, 均精確至0.01 g。基于上述測量參數, 依據公式計算下列5項銀化指標[25,27], 包括:(1)豐滿度(Condition factor,CF),CF=BW(g)/TL(cm)3×1000; (2)性腺指數(Gonad-somatic index,GSI),GSI=GW(g)/BW(g)×100; (3)消化道指數(Digestive tract index,DTI),DTI=DW(g)/BW(g)×100; (4)胸鰭指數(Pectoral fin index,PI),PI=Lp(mm)/TL(mm)×100;(5)眼徑指數(Eye index,EI),EI={[(A+B)/4]2×π/TL(mm)}×100

表 1 日本鰻鱺銀化過程中各期的體色特征Tab. 1 Characteristics in external appearance among three silvering stages of the Japanese eel collected in the Yangtze River estuary

最后, 挖取矢耳石作為年齡鑒定材料, 依據謝正麗等的日本鰻鱺耳石制備、年輪確認和計數方法[28], 制備耳石磨片并鑒定每尾樣本的年齡。

1.3 數據分析

采用Kruskal-Wallis分析樣本年齡、全長、體重和銀化指標(豐滿度、性腺指數、消化道指數、胸鰭指數和眼徑指數)在雌性、雄性間及各發育期的差異性。對雌性和雄性不同發育期的銀化指標(豐滿度、性腺指數、消化道指數、胸鰭指數和眼徑指數)分別進行主成分分析和判別分析。數據處理和分析、圖形繪制用EXCEL 2007、SPSS 16.0和R 3.33軟件進行。

2 結果

2.1 性別、發育期及體色特征

采集到的106尾日本鰻鱺樣本中, 有雌鰻74尾,雄鰻32尾。根據銀化過程的體色特征鑒定, 這些樣本包括銀化前期(Pre-silver stage, S0)和銀化期(Silver stage, S1)二個發育期, 分別占個體總數的58.5%和41.5%, 未見黃鰻期(Yellow stage, Y)個體。雌性個體中, S0期和S1期分別占52.7%和47.3%; 雄性個體中, S0期和S1期分別占全部個體數的71.9%和28.1%。同一銀化時期, 體色發育特征在雌、雄個體間并無明顯區別。具體表述如下:

銀化前期S0(n=62): 僅11.3%樣本背側皮膚仍呈深綠色或深灰色(n=7), 88.7%樣本背側皮膚已黑化為黑色(n=55); 100%樣本下頜前端黑化(n=62),93.5%樣本頭部側線孔清晰可見(n=58); 100%樣本腹部具有銀色金屬光澤, 同時體側皮膚逐步變黑,但黑色素沉著僅達胸鰭上緣(n=62) (圖 1); 全部個體的胸鰭基部均已出現金屬斑(圖 2a), 有46.8%個體金屬斑擴大至胸鰭中間(n=29) (圖 2b); 100%個體胸鰭部分黑化, 但胸鰭外緣仍呈半透明(n=62)(圖 2a、2b)。

銀化期S1 (n=44): 100%樣本背側皮膚已黑化為黑色或深黑色, 下頜前端黑化且頭部側線孔均清晰可(n=44); 同時, 腹部均具有明顯銀色金屬光澤,體側皮膚黑化加劇, 黑色素沉著蔓延至胸鰭下緣(n=44) (圖 1); 全部個體的胸鰭基部均已出現金屬斑, 其中84.1%樣本胸鰭金屬斑擴大到胸鰭中間(n=37); 但僅13.6%樣本胸鰭全部黑化, 即外緣亦完全黑化(n=6, 圖 2c), 86.4%樣本胸鰭外緣仍呈半透明(n=38)。

2.2 年齡

經鑒定, 雌鰻包括3—9齡7個年齡組, S0期群體(3—7齡)的平均年齡顯著小于S1期群體(3—9齡)(P＜0.05); 而雄鰻包括3—6齡4個年齡組, 平均年齡在S0期(3—6齡)和S1期(4—6齡)間無顯著性差異(P＞0.05) (圖 3)。

2.3 銀化指標比較

全長、體重和豐滿度Kruskal-Wallis分析顯示, 雌鰻的全長、體重和豐滿度(TL: 52.7—88.0 cm,BW: 240—1360 g和CF:1.44—2.54)均顯著大于雄鰻(TL: 44.6—64.1 cm,BW: 140—450 g和CF: 1.27—1.82) (P＜0.05)。在雌鰻群體中, 全長在S0期(TL:54.1—81.9 cm)和S1期(TL: 52.7—88.0 cm)無顯著差異(P＞0.05), 但體重和豐滿度在S0期(BW: 260—930 g,CF: 1.44—2.25)均顯著小于S1期群體(BW:240—1360 g,CF: 1.59—2.54) (P＜0.05); 而雄鰻群體中, 全長、體重和豐滿度在S0期(TL: 44.6—62.3 cm,BW: 140—360 g,CF:1.27—1.82)和S1期(TL: 53.0—64.1 cm,BW: 210—450 g,CF: 1.36—1.80)均無顯著差異(P＞0.05) (圖 4)。

眼徑指數和胸鰭指數比較可見(圖 5), 雌鰻(EI: 3.2—6.8)的眼徑指數顯著大于雄鰻的(EI:2.7—6.3) (P＜0.05), 而胸鰭指數在雌、雄群體間無顯著差異(P＞0.05)。在雌鰻群體中, S0期(PI: 3.1—5.9,EI: 3.2—5.4)的胸鰭指數和眼徑指數均顯著小于S1期(PI: 4.1—6.3,EI: 5.0—6.8) (P＜0.05); 而雄鰻群體中, S0期(EI: 2.7—5.0)的眼徑指數亦顯著小于S1期(EI: 5.0—6.3) (P＞0.05), 但胸鰭指數在S0期(PI:3.9—6.2)和S1期(PI: 4.6—6.2)間無顯著差異(P＞0.05)。值得注意的是, 無論雌、雄群體, S1期樣本的眼徑指數均≥5, 而除5尾S0期的雌鰻外,91.8%的S0期樣本眼徑指數均小于5 (圖 5)。

圖 2 日本鰻鱺銀化過程中胸鰭顏色的變化特征Fig. 2 Characteristics of the pectoral fin colorations in the silvering process of the Japanese eel Anguilla japonica collected in the Yangtze River estuary

性腺指數和消化道指數Kruskal-Wallis分析顯示, 雌鰻群體(GSI: 0.11—2.11)的性腺指數顯著大于雄鰻(GSI: 0.11—0.48) (P＜0.05), 但消化道指數在雌、雄群體間無顯著差異(P＞0.05)。在雌鰻群體中, S0期(GSI: 0.11—1.86)的性腺指數顯著小于S1期(GSI: 1.00—2.11) (P＜0.05), 但消化道指數變化則相反, 為S0期(DTI: 0.47—2.31)顯著大于S1期(PI:0.41—1.74) (P＜0.05)。同樣在雄鰻群體中, S0期(GSI: 0.11—0.37)的性腺指數顯著小于S1期(GSI:0.21—0.48) (P＜0.05), S0期(DTI: 0.50—2.76)的消化道指數略大于S1期(DTI: 0.40—1.82), 但差異未達顯著水平(P＞0.05) (圖 6)。

2.4 主成分分析和判別分析

圖 3 日本鰻鱺銀化前期和銀化期的年齡組成Fig. 3 Frequency distributions of the age in the two stages of the Japanese eel collected in the Yangtze River estuary

雌鰻銀化指標的主成分及判別分析 對74尾雌鰻中的5個銀化指標(PI、EI、GSI、CF和DTI)作主成分分析, 結果顯示前3個主成分的累計貢獻率達76.0%。由主成分雙序圖可見, 97.4%的S1期個體位于左側區域, 表現為較高的豐滿度、較大的眼徑和較長的胸鰭、以及較高的性腺指數和較低的消化道指數。94.3%的S0期個體位于右側區域, 表現恰好相反, 即較低的豐滿度、較小的眼徑和較短的胸鰭, 以及較低的性腺指數和較高的消化道指數(圖 7a)。

利用逐步判別分析法, 根據變量對模型的貢獻大小, 逐步剔除不相關變量, 最終篩選出4個變量,即胸鰭指數值PI、性腺指數GSI、眼徑指數EI和豐滿度CF。所建立的判別方程為:

S0期:F1=19.71×PI+45.15×GSI+25.30×EI+59.14×CF-184.14

S1期:F2=21.80×PI+51.37×GSI+30.82×EI+65.40×CF-242.00

將每尾雌性個體的4個變量代入上述2個判別方程, 分別計算F1和F2, 若F1＞F2, 則該個體為S0期,否則為S1期。判別發現, 74尾個體僅2尾被錯判, 初始判別正確率高達97.3%。其中, 39尾S0期個體中有2尾誤判為S1期, 正確率為94.9%; 35尾S1期群體全部判別為S1期, 正確率為100%。交互驗證結果與初始判別結果類似, S0期84.6%, S1期為100%, 總正確率為91.7% (表 2)。

圖 4 日本鰻鱺銀化前期和銀化期的全長、體重和豐滿度分布Fig. 4 Frequency distributions of the TL, BW and condition factor in the two stages of the Japanese eel collected in the Yangtze River estuary

雄鰻銀化指標的主成分及判別分析同樣,對32尾雄鰻中的5個銀化指標(PI、EI、GSI、CF和DTI)進行主成分分析和判別分析。主成分分析結果顯示, 前3個主成分累計貢獻率為74.6%。由主成分雙序圖可見, 100%S1期個體位于左側區域, 表現為較大的眼徑和較高的性腺指數, 以及較低的消化道指數; 82.6%的S0期個體位于右側區域, 表現為較小的眼徑和較小性腺指數, 以及較高的消化道指數。但S1和S0期在胸鰭指數和豐滿度值分布上區分不明顯(圖 7b)。

圖 5 日本鰻鱺銀化前期和銀化期的眼經指數和胸鰭指數分布Fig. 5 Frequency distributions of the eye index and pectoral index in the two stages of the Japanese eel collected in the Yangtze River estuary

利用逐步判別分析法, 最終篩選出2個變量, 即性腺指數GSI和眼徑指數EI。雄鰻所建立的判別方程為:

S0期:M1=52.32×GSI+13.25×EI-33.71

S1期:M2=73.26×GSI+17.79×EI-61.09

從判別結果可知, 在32尾個體中僅有1尾被錯判, 初始判別正確率高達96.9%。其中, 23尾S0期個體中有1尾誤判為S1期, 正確率為95.7%; 9尾S1期群體全部判別為S1期, 正確率為100%。交互驗證結果與初始判別結果類似, S0期95.7%, S1期為88.9%,總正確率為93.8% (表 2)。

圖 6 日本鰻鱺銀化前期和銀化期的性腺指數和消化道指數分布Fig. 6 Frequency distributions of the GSI and digestive tract index in the two stages of the Japanese eel collected in the Yangtze River estuary

圖 7 基于銀化指標的日本鰻鱺主成分分析雙序圖Fig. 7 PCA biplots of females (a) and males (b) the Japanese eel collected in the Yangtze River estuary carried out on the silvering index

表 2 基于銀化指標的日本鰻鱺銀化時期判別分析和交互檢驗結果Tab. 2 The membership of the two stages predicted by the canonical discriminant analysis for the two stages classified by the silvering index

3 討論

3.1 日本鰻鱺銀化過程的分期及體色判別特征

黃體鰻變態為銀色鰻(即銀化過程)是一個緩慢的漸變過程[3,29]。背部與胸鰭隨著黑色素(Melanosomes)的增多而變為深黑色, 腹部因嘌呤(Purines)的沉積而銀化為銀白色[30], 這一“反蔭蔽色(Countershading coloration)”的出現被認為是黃體鰻變態成為銀色鰻的體色判別標準, 從而將銀化過程分為黃鰻期和銀化期2個階段[3]。近年來, Han等[9]和Okamura等[7]分別依據中國臺灣和日本的標本, 發現除黃鰻期和銀化期外, 還存在一個中間階段, 表現為“形態上已初步具有部分銀化特征, 如背部和胸鰭開始黑化、胸鰭基部出現金屬斑、腹部逐漸出現銀色等, 但性腺指數等銀化指標仍處于低值”。但對中間階段的歸屬存在分歧: Okamura等[7]認為中間階段的銀化指標(特別是GSI和DTI)較銀化期差異較大, 仍隸屬黃鰻階段, 歸為黃鰻晚期(Late-yellow stage); 而Han等[9]認為中間階段已開始了銀化過程, 且GSI顯著高于黃鰻期, 應隸屬銀色鰻階段, 歸為銀化前期。本研究的樣本均采自長江口降海生殖洄游途中, 普遍認為, 啟動降海洄游即意味著銀化過程起始[3]。因此我們將中間類型的樣本均歸屬于銀化前期, 這同樣也是本研究未見黃鰻期樣本的原因。

體色觀測結果顯示, 長江口日本鰻鱺銀化過程(從S0期至S1期)的體色變化為“反蔭蔽色”形成并逐步完善的過程, 具體表現為背側皮膚由深綠色或者深灰色逐漸變為深黑色、胸鰭由部分黑化逐步變為完全黑化、胸鰭基部的金屬斑由基本向上擴大至中間、體側黑色素沉積從胸鰭上緣蔓延至胸鰭下緣的過程。Pankhurst等[30]認為, 反蔭蔽色的形成有利于降海生殖洄游途中的偽裝, 是鰻鱺生殖過程所必須的。

已有研究表明, 由于環境條件和個體的生理差異, 不同水體日本鰻鱺銀化體色變化進程會有所差異, 因而體色判別標準也可能會有所調整[3,7,8]。Okamura等[7]發現, 日本三灣河的日本鰻鱺各發育期之間在頭部和軀干部體色性狀有所重疊, 但可依據“胸鰭外緣是否黑化”這個標準來區分個體是處于銀化前期, 還是銀化期。本研究發現, 銀化期樣本中僅有13.6%的個體胸鰭外緣完全黑化, 但100%個體的體側黑色素沉著已蔓延至胸鰭下緣,而銀化前期樣本的體側黑色素沉著僅達胸鰭上緣。因此, 本文建議采用“體側黑色素是否蔓延至胸鰭下緣”作為判別長江口日本鰻鱺銀化前期和銀化期的體色標準。

3.2 長江口日本鰻鱺的銀化指標及度量判別特征

由于內分泌機制的驅使, 在體色銀化的同時亦伴隨著形態和生理的變化[8]。度量指標研究顯示,銀化過程中, 體型、胸鰭長、眼徑、性腺指數總體呈遞增趨勢, 消化道指數呈遞減趨勢。基于銀化指標的主成分分析亦表明, 雖有少量交叉或重疊, 但總體上銀化前期和銀化期的區分特征明顯: 銀化前期豐滿度較低、眼睛小、胸鰭較短, 具有相對較低的性腺指數和較高的消化道指數; 銀化期豐滿度較高、眼睛大、胸鰭較長, 具有較高的性腺指數和較低的消化道指數。由于日本鰻鱺的產卵場位于3000 km之遙的馬里亞納海溝[1], 胸鰭的增大可能是為增進游泳能力。眼徑的增大及視網膜中視錐細胞逐漸被視桿細胞取代[10,27], 可能有助于適應深海弱光環境。由于日本鰻鱺在繁殖洄游過程中并不攝食, 消化道的萎縮有助于減輕體重, 減少能量消耗, 這些形態的修正均可能是為了適應即將起始的長距離遷徙。

已有研究發現, “眼徑指數”可作為鰻鱺銀化期野外快速識別的依據。歐洲鰻鱺(A. anguilla)這一判別值為EI＞6.5[27]; 澳洲鰻鱺(A. australis)和大鰻鱺(A. dieffenbachii)的判別值分別為EI＞4.5和＞6.6[31];Okamura等[7]依據日本三灣河的樣本, 建議日本鰻鱺的判別值為EI＞5。本研究顯示, 100%的銀化期樣本EI≥5, 91.8%的銀化前期樣本EI＜5(圖 5), 因此長江口日本鰻鱺群體亦可采用EI＞5作為銀化期的判別值。近年來, 基于銀化指標的多元判別分析被應用于歐洲鰻鱺[5]、美洲鰻鱺(A. rostrata)[32]和日本鰻鱺[7]的發育期識別, 并取得較好地識別效果。本研究篩選出的銀化指標所建立的判別方程, 對日本鰻鱺雌、雄群體的銀化前期和銀化期的判別分析,均取得了95%以上的成功率, 具有一定的應用價值。

3.3 長江口日本鰻鱺雌雄群體的銀化年齡和全長

本研究還顯示, 銀化期雌鰻群體的平均全長和年齡分別為(68.4±6.5) cm和5.4a, 而雄鰻則僅為(55.9±3.7) cm和4.8a, 雄鰻明顯小于雌鰻(圖 3、圖 4)。這一現象在珠江[雌鰻: (61.4±4.1) cm和8.3a, 雄鰻:(48.3±4.5) cm和6.4a]和臺灣[雌鰻: (63.1±1.5) cm和6.7a; 雄鰻:(54.8±1.8) cm和5.9a]水體的日本鰻鱺研究中也有報道[4,8]。日本鰻鱺為一次產卵類型,即屬于非重復產卵類型(Semelparous)魚類[33], 為了增加子代的產出量, 雌型采用了體型最大化(Size maximum)策略以保證更多的懷卵量, 而雄性則采用了小體型的時間最小化策略(Time-minizing)[34],雌、雄生長策略的不同可能是造成雌、雄群體銀化期全長和年齡差異的原因。比較亦可見, 長江口日本鰻鱺群體的銀化年齡略低于臺灣和珠江群體,但平均全長卻相對較高, 可能的推測是長江的環境可能更適合于日本鰻鱺的肥育和性腺成熟。