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個樣品中放入3個標(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新棲息地時,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,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。