湖北7個克氏原螯蝦群體形態(tài)差異分析

崔學(xué)海，沙 航，郜衛(wèi)華，梁宏偉，羅相忠

(1.長江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，湖北荊州434020；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所，武漢430223)

克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)俗稱小龍蝦，又稱克氏螯蝦、紅色沼澤螯蝦，隸屬節(jié)肢動物門甲殼綱十足目螯蝦亞目刺姑科原螯蝦屬[1]。克氏原螯蝦肉質(zhì)鮮美，營養(yǎng)價值豐富，是一種高蛋白、低熱量和低脂肪的優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品，深受人們的青睞[2]。近年來克氏原螯蝦養(yǎng)殖業(yè)得到迅猛發(fā)展，其中湖北、湖南、安徽、江蘇等省養(yǎng)殖最為集中。由于各地區(qū)生長環(huán)境不同，以及不規(guī)范的引種、繁養(yǎng)不分離、捕大留小、近親繁殖等，克氏原螯蝦種質(zhì)較為混雜，遺傳多樣性下降[3]。

采用多元統(tǒng)計分析克氏原螯蝦形態(tài)學(xué)差異可以克服其因地域、水質(zhì)、當(dāng)?shù)貧夂蛞约捌渌蛩氐淖兓瘜ξr體本身造成一些形態(tài)上的影響，能夠快速、直觀、準(zhǔn)確地反映出不同群體之間的差異。張龍等[4]對11個克氏原螯蝦群體形態(tài)特征分析發(fā)現(xiàn)不同地方的養(yǎng)殖群體之間存在一定的差異。魏青山[5]對武漢群體分析發(fā)現(xiàn)，隨著蝦齡的增長，長度生長速度逐漸變慢，體重生長速度逐年加快。鄭友等[6]對江蘇克氏原螯蝦群體進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，江蘇各地的克氏原螯蝦不同群體之間也存在形態(tài)差異。韓曉磊等[7]通過聚類分析和主成分分析方法分析了克氏原螯蝦肢體長度、頭胸甲部、腹部和尾部間比例參數(shù)，證實山東、安徽、江蘇、湖北4個地區(qū)由于地理不同野生克氏原螯蝦已經(jīng)產(chǎn)生了形態(tài)上的差異。BARKI等[8]用Von Beralanffy生長方程描述了克氏原螯蝦的生長情況。本研究對湖北省內(nèi)主要養(yǎng)殖地域的克氏原螯蝦形態(tài)學(xué)差異進(jìn)行分析，旨在探明湖北不同養(yǎng)殖群體形態(tài)特征差異，以期為克氏原螯蝦的群體鑒別以及種質(zhì)資源挖掘提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

7個養(yǎng)殖群體克氏原螯蝦于2022年4月收集自湖北省主要養(yǎng)殖區(qū)域監(jiān)利市、公安市、潛江市、洪湖市、江陵縣、石首市和鄂州市，具體樣本采集信息見(表1)。

表1 樣品采集信息表Tab. 1 Sample Collection Information

1.2 形態(tài)參數(shù)測量與數(shù)據(jù)處理

用游標(biāo)卡尺測量每尾蝦的全長、體長、頭胸甲長、腹長、尾扇長、頭胸甲寬、第一腹節(jié)寬，測量數(shù)據(jù)精確到0.01 mm，測量如圖 1，測量方法參照文獻(xiàn)[9]；用天平稱取全蝦體重，精確到0.01 g。實驗數(shù)據(jù)分析用Origin和SPSS 22.0軟件處理，通過聚類分析、主成分分析、差異系數(shù)檢驗、T檢驗、判別分析對實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為消除一些對參數(shù)值影響的條件，使實驗數(shù)據(jù)科學(xué)合理，因此在多元統(tǒng)計分析中采用各性狀參數(shù)與體長之比進(jìn)行校正，具體見(表2)。

圖 1 克氏原螯蝦各形態(tài)測量指標(biāo)Fig 1 The morphological measurement indexes of P.clarkiiW：體重 a：全長；b：體長；c：頭胸甲長；d：腹長； e：尾扇長；f：頭胸甲寬；g：第一腹節(jié)寬

表2 10項克氏原螯蝦形態(tài)特征比例參數(shù)Tab. 2 10 Morphological characteristics of P. clarkii

表3 雌性克氏原螯蝦特征因子負(fù)荷矩陣及累計貢獻(xiàn)率Tab．3 Characteristic factor load matrix and cumulative contribution rate of female P. clarkii

1.3 分析方法

1.3.1 聚類分析

首先運用EXCEL分別求出各個群體10項形態(tài)指標(biāo)的平均值，然后采用歐式系統(tǒng)聚類法對這些平均值進(jìn)行聚類分析。

1.3.2 主成分分析

用SPSS 22.0對克氏原螯蝦進(jìn)行主成分分析，得到最后主成分的特征值和貢獻(xiàn)率，用以判斷最終影響克氏原鰲蝦形態(tài)的性狀。

1.3.3 差異系數(shù)檢驗

差異系數(shù)用CV表示，通過SPSS 22.0求出各個參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如果CV值低于1.28則表示某項指標(biāo)的差異未達(dá)到亞種水平。

差異系數(shù)(coefficient variance，CV)參考公式如下：

CV=(M1-M2)/(S1+S2)

式中：M1、M2表示2個群體某項指標(biāo)的平均值，S1、S2為標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.4 T檢驗

首先將收集的各群體克氏原螯蝦分為雌、雄兩組，然后用SPPS 22.0對這兩個組進(jìn)行獨立樣本T檢驗。如果P<0.05則表示之間有顯著性差異，反之無顯著差異。

1.3.5 判別分析

根據(jù)各項已知的形態(tài)指標(biāo)用逐步判別法判斷各群體的性質(zhì)，建立判別函數(shù)，用SPSS分析判別出各群體的分類。判別準(zhǔn)確率公式參照李思發(fā)等[10]的方法，公式如下：

判別準(zhǔn)確率=(某克氏原螯蝦群體判別的正確尾數(shù)/該群體實際尾數(shù))×100%

式中，Ai為第i個群體中判別正確的尾數(shù)，Bi為第i個群體中的實際尾數(shù)，k為群體數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 聚類分析

利用7個克氏原螯蝦養(yǎng)殖群體的10個形態(tài)特征比例參數(shù)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明7個群體的克氏原螯蝦聚為兩支。雌性克氏原螯蝦鄂州群體與江陵群體歐式距離最短聚為一支；石首群體與監(jiān)利群體聚為一支后，與洪湖群體聚為一支，再與公安群體和潛江群體聚為一支(圖2)。雄性克氏原螯蝦群體中首先鄂州群體與江陵群體聚為一支；石首群體與潛江群體聚為一支，然后兩支聚為一大支；洪湖群體與公安群體和監(jiān)利群體聚為一支(圖3)。

圖2 7個群體雌性克氏原螯蝦聚類分析Fig.2 Cluster analysis of 7 groups of female P. clarkii

圖3 7個群體雄性克氏原螯蝦聚類分析Fig.3 Cluster analysis of 7 groups of male P. clarkii

2.2 主成分分析

對7個群體的克氏原螯蝦進(jìn)行主成分分析，選取前4個主成分的特征值和累計貢獻(xiàn)率。雌性克氏原螯蝦前4個主成分累計貢獻(xiàn)率為86.10%，雄性克氏原螯蝦前4個主成分累計貢獻(xiàn)率為87.31%。雌性群體第一主成分中X9的貢獻(xiàn)率最高，第二主成分中X10的貢獻(xiàn)率最高。雄性群體的第一主成分中X9的貢獻(xiàn)率最高，第二主成分中X10的貢獻(xiàn)率最高。影響7個群體克氏原螯蝦形態(tài)的主成分主要體現(xiàn)在頭胸甲長和腹長。雌性的第一主成分的貢獻(xiàn)率為30.47%，反映的是腹長/頭胸甲長的特征；第二主成分的貢獻(xiàn)率為25.29%，反映尾扇長/腹長的特征；第三主成分的貢獻(xiàn)率為22.26%，反映尾扇長/體長的特征；第四主成分的貢獻(xiàn)率為8.08%，反映全長/體長的特征。雄性的第一主成分的貢獻(xiàn)率為33.72%，反映腹長/頭胸甲長的特征；第二主成分的貢獻(xiàn)率是32.09%，反映的是尾扇長/腹長的特征；第三主成分的貢獻(xiàn)率為13.83%，反映的是第一腹節(jié)寬/體長的特征；第四主成分的貢獻(xiàn)率為7.67%，反映的是全長/體長的特征(表 3)。

2.3 差異系數(shù)(CV)檢驗

差異系數(shù)檢驗的結(jié)果顯示，雌性克氏原螯蝦僅有2個群體CV值大于1.28，其余均低于1.28，與全部7項指標(biāo)參數(shù)相比占了很小的比例。雄性有4個群體達(dá)到了1.28。因此，總體來說7個群體的克氏原螯蝦群體間形態(tài)差異并未達(dá)到亞種以上分類水平(表4和表5)。

表4 雌性克氏原螯蝦群體間差異系數(shù)Tab.4 The coefficient of variation among female P. clarkii populations

2.4 T檢驗

7個群體雌雄克氏原螯蝦X4和X7有顯著性差異,X1、X3和X9達(dá)到極顯著性差異。T檢驗結(jié)果顯示(表6),克氏原螯蝦的7個參數(shù)的平均值中X7、X9雌性均大于雄性,而雄性的X1大于雄性。雌雄克氏原螯蝦在體重、頭胸甲長、腹長、尾扇長以及第一腹節(jié)寬上均存在顯著差異,且雌性尾扇長與第一腹節(jié)寬均值大于雄性,雄性的體重均值大于雌性。

表6 雌雄群體的 10 項形態(tài)特征比例參數(shù)統(tǒng)計表Tab.6 Statistical of proportion parameters of 10 morphological characteristics of male and female populations

2.5 判別分析

對7個群體的10個比例性狀進(jìn)行逐步判別分析，F(xiàn)檢驗結(jié)果表明雌雄判別結(jié)果均較好，雌性群體的X3、X4、X6、X7、X9、X10性狀差異不顯著，雄性群體的X3、X4、X6、X9性狀差異不顯著。鄂州、洪湖、江陵、監(jiān)利、石首、公安和潛江雌性群體判別準(zhǔn)確率P1分別是54.2%、70.0%、83.3%、52.4%、40.0%、80.0%和60.0%，判別準(zhǔn)確率P2(P2表示交叉驗證的判別率)分別是54.2%、63.3%、76.7%、47.6%、36.7%、76.7%和56.7%，綜合判別率為63.6%(表7)；雄性群體判別準(zhǔn)確率P1分別為73.3%、90.0%、83.3%、90.9%、56.7%、63.3%和63.3%，判別準(zhǔn)確率P2分別是53.3%、83.3%、76.7%、86.4%、56.7%、60.0%和60.0%，綜合判別率為73.8%(表8)。雌性群體判別準(zhǔn)確率率最高的是江陵群體(83.3%)，最低是石首群體(40.0%)，雄性群體判別率最高的是監(jiān)利群體(90.9%)，最低的同樣是石首群體(56.7%)，總體判別效果較好(表7和表8)。

表7 7個雌性群體克氏原螯蝦的判別方程及判別率Tab.7 Discrimination equation and discrimination rate of 7 female populations of P. clarkii

表8 7個雄性群體克氏原螯蝦的判別方程及判別率Tab.8 Discriminant equation and discrimination rate of 7 male populations of P. clarkii

3 討論

多元統(tǒng)計分析在育種和進(jìn)化方面已有廣泛應(yīng)用，并且在很多生物中獲得了較好的效果，國內(nèi)也有相關(guān)學(xué)者用多元統(tǒng)計分析對水生生物進(jìn)行了分析[11-14]。郭慧[15]采用3種多元統(tǒng)計分析對8個羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)群體的形態(tài)比例參數(shù)進(jìn)行比較研究指出雜交種群之間形態(tài)差異較小。蔡曉鵬等[16]對我國沿海地區(qū)5個群體的日本囊對蝦(Marsupenaeusjaponicus)形態(tài)差異比較分析指出不同地理群體的日本囊對蝦有一定的差異。劉若暉等[17]等對長江口刀鱭(Coilianasus)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，長江口不同群體刀鱭的軀干橫向和頭長的差異可能由攝食和環(huán)境差異造成的。朱皓東等[18]通過對緬甸野生、泰國和越南養(yǎng)殖群體羅氏沼蝦的形態(tài)性狀進(jìn)行研究認(rèn)為，體重通徑達(dá)到顯著差異的形態(tài)性狀可作為選育指標(biāo)。李哲等[19]對廣西桂林不同性別禾花鯉(Cyprinuscarpiovar. Quanzhounensis)進(jìn)行形態(tài)分析得出可以把全長作為選育的主要參考指標(biāo)的結(jié)論。

聚類分析可以把不同群體的克氏原螯蝦進(jìn)行初步歸類，聚類的先后順序和距離可以反映不同群體間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近[13]。本研究7個群體的克氏原螯蝦中鄂州與江陵群體雌雄均最先聚為一支，2個群體親緣關(guān)系最近。雌雄群體差別在于監(jiān)利群體石首群體和潛江群體聚類結(jié)果不一致，可能是由于人為因素導(dǎo)致的各地區(qū)群體交流的結(jié)果。近年來，克氏原螯蝦在湖北各地已廣泛養(yǎng)殖，成蝦或蝦苗種頻繁進(jìn)行跨地區(qū)銷售和運輸，可能會導(dǎo)致成蝦和苗種通過銷售等方式進(jìn)行地區(qū)間交流，導(dǎo)致形態(tài)發(fā)生變化，最終雌雄群體聚類結(jié)果不一致。

主成分分析是一種從多個變量中通過線性變換得出幾個比較重要變量的一種基礎(chǔ)的多元統(tǒng)計分析方法[14]。通過對各形態(tài)比例參數(shù)在主成分中的特征值和各主成分的貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率，來判斷最終影響克氏原鰲蝦形態(tài)的性狀。韓曉磊等[20]用主成分分析對克氏原螯蝦和東北鰲蝦(Cambaroidesdauricus)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，克氏原螯蝦與東北鰲蝦的形態(tài)差異是由蝦體各個部位的寬度造成的。平洪領(lǐng)等[12]等對斑鰶(Konosiruspunctatus)的形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行分析表明，斑鰶的第一主成分是與體重、全長和體長有關(guān)，并且是以增重、增長為主的生長發(fā)育特性。本研究采用主成分分析將10項形態(tài)指標(biāo)簡化為4個主成分，雌雄主成分累計貢獻(xiàn)率分別是86.10%和87.31%，其中第一主成分都是與頭胸甲長和腹長有關(guān)，主成分分析結(jié)果表明頭胸甲長、腹長和尾扇長對7個群體的形態(tài)影響較大。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雌雄克氏原螯蝦的形態(tài)差異主要體現(xiàn)在全長、尾扇長、頭胸甲寬以及第一腹節(jié)寬上，且雄性蝦的平均值在體重全長、頭胸甲長、頭胸甲寬和第一腹節(jié)寬均大于雌性，腹長和尾扇長的平均值雌性大于雄性。在雌雄全長相等的情況下雄性的體重明顯大于雌性，原因可能是雄性的螯普遍比雌性的螯大。在全長相等的情況下雌蝦的腹長比雄蝦的長，原因可能與雌蝦的抱卵以及孵化幼苗的特性有關(guān)。

判別分析是多元統(tǒng)計的一種方法，可以通過建立判別函數(shù)，對未知樣品進(jìn)行分類[21]。馮藝等[22]對羅氏沼蝦3個養(yǎng)殖群體進(jìn)行判別分析得到9個性狀的判別函數(shù)系數(shù)，3個養(yǎng)殖群體存在一定差異，綜合判別率為75.9%。玄文丹等[23]對日本方頭魚(Branchiostegus)和白方頭魚(Branchiostegusalbus)的耳石和魚體形態(tài)進(jìn)行逐步判別分析，耳石和魚體形態(tài)的判別正確率為85.1%和94.0%，綜合判別率達(dá)到98.0%。王海山等[24]研究饑餓對眼斑雙鋸魚(Amphiprionocellaris)幼魚形態(tài)的影響，分析證實經(jīng)形態(tài)比值處理過的數(shù)據(jù)比未經(jīng)比值處理過的數(shù)據(jù)更具可信度。本研究建立了7個群體的判別函數(shù)，分別對雌、雄群體進(jìn)行逐步判別分析，其中雌性群體準(zhǔn)確判別率為40.0%～83.3%，判別準(zhǔn)確率率最高的是江陵群體(83.3%)，最低的是石首群體(40.0%)，綜合判別率為63.6%(表7)。雄性群體準(zhǔn)確判別率為56.7%～90.9%，判別準(zhǔn)確率率最高的是監(jiān)利群體(90.9%)，最低的是石首群體(56.7%)，綜合判別率為73.8%(表8)。此結(jié)果與張龍等[4]、鄭友等[6]、韓曉磊等[13]、徐濱等[25]的研究結(jié)果相似，均為雌性群體判別率低，雄性群體判別率高，可能是采樣群體來自不同區(qū)域，在形態(tài)上雖有差異，但未達(dá)到亞種水平導(dǎo)致的。分類學(xué)上一般把亞種作為最小的分類單位，但有些學(xué)者認(rèn)為還可以繼續(xù)分類并因此提出差異系數(shù)的概念[26]，并把亞種分類的臨界值定為1.28[27]。本研究中的7個克氏原螯蝦群體大部分差異系數(shù)值低于1.28，因此可以判斷這7個群體的克氏原螯蝦形態(tài)差異并未達(dá)到亞種水平。國外學(xué)者AVISE等[28]在Mayr的原理基礎(chǔ)上提出亞種間的形態(tài)差異要與分子差異一致。

4 結(jié)論

本研究通過多元統(tǒng)計分析研究了區(qū)分克氏原螯蝦種群和性別的主要形態(tài)學(xué)特征，克氏原螯蝦雌、雄群體除體重外，其差異主要體現(xiàn)在頭胸甲和腹部相關(guān)變量上，雄性頭胸甲大，雌性腹部較長。區(qū)分性別的主要特征是頭胸甲和腹部。研究的7個養(yǎng)殖群體克氏原螯蝦形態(tài)上具有一定程度的差異。