西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種的形態差異分析

西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)的形態差異分析

苗 懿1* 陳雨薇1* 趙仲孟1 瞿鍊石2 劉 博2 劉 釗1武佳韻3 黃小麗1 楊世勇1

(1. 四川農業大學動物科技學院, 成都 611130; 2. 雅安市農業農村局, 雅安 625000;3. 四川農業大學生命科學學院, 雅安 625014)

摘要： 採用形態學和多變量形態度量方法, 對西伯利亞鱘(Acipenser baerii)、施氏鱘(Acipenser schrenckii)及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)的形態異同進行了分析, 以鑑別區分三者的形態特徵。結果發現, 西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種的可數性狀中鰓耙數和背鰭數均具有顯著差異; 可量性狀的多重比較分析顯示雜交種的眼間距/全長顯著小於西伯利亞鱘和施氏鱘, 三者的吻長/全長均具有顯著差異; 主成分分析提取的前三個主成分對變異的累積貢獻率為65.68%; 判別分析構建了西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種的判別公式, 判別公式預測分類總體準確率為85.6%。分析結果表明, 西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種間的形態差異主要體現在頭部及尾柄。

關鍵詞： 西伯利亞鱘; 施氏鱘; 雜交; 形態差異; 判別分析

鱘是鱘形目(Acipenseriformes)魚類的總稱, 是世界上最古老的魚類之一[1, 2], 具有較高的經濟價值[3, 4]。20世紀90年代以前, 製作魚子醬的鱘主要來源於野外捕撈。然而, 由於環境變化及過度捕撈等因素[5, 6], 致使全球野生鱘資源量大幅下降, 難以滿足市場需求。因此20世紀90年代初, 鱘的人工養殖開始興起, 彌補了野生鱘資源下降給市場帶來的影響。我國的鱘養殖始於1990年, 雖起步較晚但發展迅速, 2013年產量已佔世界養殖總產量的85.3%,成為了世界第一鱘養殖大國[7], 且近年產量一直保持著穩中有升。

近年來, 隨著鱘養殖產業的快速形成和發展,鱘的種業問題日益突顯, 純種鱘養殖存在生長速度減緩、疾病頻發、魚子醬品質下降等許多問題[6],因此良種選育工作迫在眉睫。雜交是育種廣泛採用的手段之一, 主要是採用具有不同生物學特性的親本進行種間或屬間的雜交, 使不同類型親本的優良性狀得以結合, 從而獲得雜種優勢的新品種[8]。中國目前養殖的鱘種類有西伯利亞鱘(Acipenser baerii)、施氏鱘(Acipenser schrenckii)、達氏鰉(Huso dauricus)、俄羅斯鱘(Acipenser gueldenstaedtii)、小體鱘(Acipenser ruthenus)、閃光鱘(Acipenser stellatus)、匙吻鱘(Polyodon spathula)等[9]。其中施氏鱘和西伯利亞鱘為我國人工養殖的主要鱘種類, 施氏鱘僅分布於黑龍江水系, 是黑龍江的特有種和重要經濟魚類[9], 其個體大, 生長速度較快, 但抗病力較差, 不耐運輸[10]。而西伯利亞鱘主要分布於中亞和東歐[5]及我國額爾齊斯河水系[9],其抗病力強, 耐運輸, 但生長速度較慢[10]。結合以上兩種鱘的特點, 我國於2007年前後成功培育出西伯利亞鱘(♀)×施氏鱘(♂)雜交F1(下簡稱「雜交種」),該雜交種在繁殖性能、生長速度、存活率、抗病性等方面, 較雙親有明顯的優勢[11], 自培育成功迅速在全國範圍內推廣養殖, 現已成為我國商品鱘養殖規模與產量較大的種類之一[10]。

由於鱘形目魚類均為多倍體, 易進行種間雜交, 且雜交產生的後代種類繁多[12], 商品名稱混雜,西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)的形態較為相似, 因此在生產中易造成混淆, 給養殖戶帶來一定的經濟損失[12]。目前國際上對魚類種質鑑定的方法主要包括形態學、生物化學和分子遺傳學等[13, 14], 但生化及分子標記等方法操作相對複雜, 不太適用於養殖戶。因此, 需要一種操作方便、快速簡單的鑑定方法以滿足生產中對西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)進行鑑定的需求。形態學特徵是雜交育種研究的重要指標之一, 也是育種的直接選擇參數, 具有快速、簡便、直觀的優點,因此形態學鑑定是最基本最適合實際生產中的鑑定方法。同時, 通過形態鑑定對比親本及其雜交子代的性狀, 還可為性狀遺傳規律提供參考[15]。目前, 關於西伯利亞鱘(♀)×施氏鱘(♂)雜交F1的研究主要集中在生長性能[11]、肌肉品質[16]及生化遺傳特性[17]等方面, 而有關該雜交種與其親本之間的形態異同還未見報導。因此, 本文擬通過傳統形態學方法、多變量形態度量學方法和統計學方法對西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)進行研究, 探討其形態差異特點與規律, 為人工養殖條件下西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)的識別鑑定及優良性狀選育等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗魚

本研究中西伯利亞鱘、施氏鱘及西伯利亞鱘(♀)×施氏鱘(♂)雜交F1均來自四川潤兆漁業有限公司彭州軍樂基地, 西伯利亞鱘、施氏鱘及雜交種為同時間段產卵受精, 經孵化、馴化後同池飼養。研究樣本均為隨機取樣的相同養殖條件下的5月齡個體, 觀測樣本的數量和規格見表 1。

1.2 實驗方法

外部形態特徵的觀察 對3種鱘的形態、大小、顏色等進行觀察, 並進行比較。

可量性狀的測量 實驗魚使用MS-222麻醉後進行稱重、測量。框架示意圖參考張世義等[9],框架參數(精確到0.01 cm)共15項, 框架定位點如圖 1所示, 將兩坐標點之間的直線距離分別用C1、

表示, 得到15個框架結構性狀數據。採用直尺和遊標卡尺等分別測量吻長（A—B, C1）、眼徑（B—C, C2）、頭長（A—D,C3）、眼後頭長（C—D, C4）、胸鰭長（D—L,C5）、體長（A—E, C6）、全長（A—F, C7）、尾鰭上葉長（E—F, C8）、鰭下葉長（E—G,C9）、尾柄長（H—E, C10）、體高（M—N,C11）、頭高（O—N, C12）、尾柄高(C13)、眼間距(C14)、口裂(C15)、體重(C16)。

可數性狀 對每組樣本進行計數, 計數項目有: 背鰭鰭條、胸鰭鰭條、腹鰭鰭條、臀鰭鰭條、背骨板、側骨板、腹部骨板、鰓耙數。

1.3 數據處理

採用EXCEL 2016軟體對西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)的體長和體重範圍進行數據處理與分析。使用統計分析軟體SPSS 20對西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)的可數性狀差異進行單因素方差分析, 使用Games Howell檢驗對三者的可量性狀進行多重比較分析。採用聚類分析、主成分分析、逐步判別分析和參數判別分析等多種多元分析方法對西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)的形態差異進行比較分析, 為消除樣品規格大小對形態特徵的影響, 將所有參數分別除以自身體長值予以校正, 得到7個形態特徵比例性狀, 分別對應設為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7, 再分別求出各組參數校正值的平均值使用SPSS 20軟體進行分析。

表1 樣本的數量和規格
Tab. 1 The quantity and specification of the samples

參考曹棟正[18]的方法計算雜種指數。對可數性狀計算雜種指數HI=100× (Hi-Mi1)/(Mi2-Mi1)。Hi:雜種平均值; Mi1:母本(西伯利亞鱘)平均值;Mi2:父本(施氏鱘)平均值。HI介於45與55之間屬中間性狀, HI＜45為偏母本性狀, HI＞55為偏父本性狀,HI＞100或HI＜0為超親偏離性狀。

2 結果

2.1 可數性狀分析

西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種的可數性狀統計見表 2。其中, 雜交種可數性狀中的背鰭條數、胸鰭條數、臀鰭條數、腹鰭條數、背骨板數、側骨板數、腹骨板數處於西伯利亞鱘與施氏鱘的中間範圍, 且與兩者都有重疊, 而鰓耙數和背鰭數三者均差異顯著。對雜交種各可數性狀雜種指數(HI)的計算顯示, 雜交種胸鰭條數、側骨板數、腹骨板數明顯屬於偏母本性狀(HI＜45); 腹鰭條數明顯屬於偏父本性狀(HI＞55); 背鰭條數、臀鰭條數偏離雙親性狀(HI＞100或HI＜0); 背骨板數、鰓耙數為中間性狀或接近於中間性狀。因背鰭條數(HI=214.51)、臀鰭條數(HI=-46)偏離太遠, 在除去背鰭條數、臀鰭條數HI後計算的雜交種可數性狀HI平均值為41.22, 表明雜交種可數性狀總體上偏向於母本。

圖1 試驗魚框架示意圖[9]
Fig. 1 Frame schematic of samples[9]

2.2 可量性狀分析

如表 3所示, 在七項可量性狀中, 西伯利亞鱘與施氏鱘的體高/全長、尾柄長/全長、尾柄高/全長、吻長/全長呈顯著差異(P＞0.05); 雜交種的尾柄長/全長、尾柄高/全長、吻長/全長、眼間距/全長與西伯利亞鱘差異顯著(P＞0.05); 雜交種在體高/全長、吻長/全長、眼間距/全長與施氏鱘差異顯著(P＞0.05)。其中, 雜交種的吻長/全長、眼間距/全長與雙親差異顯著(P＞0.05, 表 4、圖 2)。在雜種指數方面, 雜交種體高/全長(HI=-18.06)、眼間距/全長(HI=-200.35)頭長/全長(HI=234.45)、尾柄長/全長(HI=111.82)、尾柄高/全長(HI=122.41)屬超雙親偏離性狀。除體高/全長、尾柄長/全長、眼間距/全長、頭長/全長、尾柄高/全長外, 雜交種可量性狀HI平均值為48.02, 顯示雜交種部分可量性狀屬中間性狀。

2.3 聚類分析

對西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種樣本進行形態比例參數聚類分析, 基於平方歐氏距離的聚類分析顯示(圖 3), 西伯利亞鱘先與雜交種聚為一類,再與施氏鱘相聚。

2.4 主成分分析

經主成分分析共提取了3個主成分, 對變異的累積貢獻率為65.68%。其中, 主成分1的貢獻率為25.09%, 主成分2的貢獻率為20.87%, 主成分3的貢獻率為19.73% (表 4)。在主成分1上載荷較大的性狀有眼間距/全長、尾柄高/全長、口裂寬/全長、吻長/全長, 主成分2上載荷較大的性狀有體高/全長、尾柄長/全長, 主成分3上載荷較大的性狀有頭長/全長、吻長/全長。

2.5 判別分析

經逐步判別分析得到貢獻最大的5個參數, 分別為體高/全長、尾柄長/全長、尾柄高/全長、吻長/全長、眼間距/全長, 分別為A1、A3、A4、A5、A6。採用這5個比例性狀構建的判別公式如下:

表2 西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種F1的可數性狀
Tab. 2 Meristic data of A. baerii, A. schrenckii and their hybrid

注: HI為雜種指數; 同行的不同字母表示差異顯著(P＜0.05); 下同
Note: HI is the average of the hybrid index, and different letters of the same trade show significant difference (P＜0.05). The same applies below

(1)西伯利亞鱘: Y=730.806A1+362.207A3+2484.778A4+1832.327A5+473.854A6-227.471

(2)雜交種: Y=761.107A1+287.676A3+1909.958A4+1708.664A5+453.932A6-193.642

(3)施氏鱘: Y=986.354A1+284.827A3+1580.425A4+1495.226A5+686.930A6-200.078

上列判別公式對分類總體預測準確率為85.6%, 其中對西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種判斷的準確率分別為83.3%、93.3%、和80% (表 5)。判斷3種魚所屬種類時, 將所測數據經校正後代入公式, 函數值最大的即為其所屬。

表3 西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種形態特徵的多重比較分析
Tab. 3 Multiple comparative analysis of morphological features of seven traits on A. baerii, A. schrenckii and their hybrid

圖2 西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種(西伯利亞鱘♀×施氏鱘♂)對比圖
Fig. 2 Contrast charts of Acipenser baerii, Acipenser schrenckii and their hybrids (A. baerii♀× A. schrenckii♂)

a. 西伯利亞鱘(♀)×施氏鱘(♂)雜交F1; b. 施氏鱘; c. 西伯利亞鱘; A-B 吻長; A-F 全長; A-D 頭長; H-E 尾柄長
a. The hybrid; b. A. schrenckii; c. A. baerii; A-B Snout length; A-F Total length; A-D Head length; H-E Caudal peduncle length

3 討論

鱘為多倍體易進行雜交, 所以導致了大量雜交鱘的存在, 這些雜交鱘較難區分, 目前國內外也尚未形成比較完善可行的鱘種質鑑定體系。魚類的種質鑑定方法既有傳統的形態學方法也有最新的分子生物學手段, 胡佳等[19]採用微衛星分子標記結合線粒體控制區同源序列比對的方法鑑別出了施氏鱘、達氏鰉及其正反雜交子代。雖然分子生物學方法可以對鱘進行鑑定, 但其操作及分析較為複雜, 不適合用於實際生產。形態學方法是通過不同的種群具有不同的形態學特徵, 主要包括可數性狀和可量性狀來進行種質鑑定的, 與分子方法相比更加簡便快速。張穎等[20]就採用了形態學和多變量形態度量方法, 對施氏鱘、達氏鰉及其雜交種(達氏鰉(♀)×施氏鱘(♂))進行了形態差異及判別分析,發現可通過頭長、吻長及口裂寬等頭部性狀鑑別區分達氏鰉、施氏鱘及達氏鰉(♀)×施氏鱘(♂)雜交子代。本實驗採用了傳統的形態學方法、多變量形態度量學方法和統計方法對西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種進行鑑定。通過對比西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種的可數性狀發現, 雜交種的背鰭條數、胸鰭條數、臀鰭條數等均與西伯利亞鱘、施氏鱘兩者有重疊, 難以區分出雜交種, 而鰓耙數和背鰭數在西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種三者間均具有顯著差異。但對活體進行鰓耙數的觀察及計數時操作極為不便, 因此生產中難以將鰓耙數目作為用來區分3種鱘的可行性指標。所以將背鰭數作為區分西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種的指標之一更為可行。然而相對於達氏鰉而言, 施氏鱘與西伯利亞鱘同屬鱘屬, 其物種間形態差異相對較小, 因此在對施氏鱘、西伯利亞鱘及其雜交種進行形態鑑別時不能只以少數指標鑑別, 而要用多項參數進行綜合判別。

圖3 西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種聚類分析圖
Fig. 3 Cluster analysis of A. baerii, A. schrenckii and their hybrid

表4 七個可量性狀主成分分析因子載荷值及貢獻率
Tab. 4 Loading values and contribution rate of principle component in seven traits

表5 判別函數對觀測樣本的預測分類及準確率
Tab. 5 Predicted classification of discriminant functions for observed sample and their percentages of accuracy

通過主成分分析可以把許多參數綜合成少數因子來說明不同種類的差異大小, 並根據不同種類的主成分值找出各種類在各主成分值上差異較大的參數[21]。由於不同種鱘的生長速度不同, 隨著年齡的增加, 魚體是成比例地增加的[21], 為保證用於比較分析的可量性狀具有可比性, 本研究中選擇使用可量性狀的比值進行主成分分析, 結果顯示載荷較大的性狀主要集中在頭部及尾部。此外, 對可量性狀的多重比較分析結果顯示西伯利亞鱘和施氏鱘的體高/全長、尾柄長/全長、尾柄高/全長、吻長/全長呈顯著差異, 判別分析構建的判別公式中貢獻較大的變量也多分布於頭部及尾柄。因此, 頭部及尾柄的形態差異是區別西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種形態特徵的主要依據。同時已有研究表明西伯利亞鱘、施氏鱘分別於23—57日齡、38日齡器官分化完全, 各骨板分化並發育, 在形態上逐漸完成向成魚的轉變, 進入稚魚期, 形態基本與成魚一致[22—24]。本研究中所選用三種鱘均為5月齡, 因此對於其他較大年齡的三種魚形態差異區分也具有一定參考價值。

本研究中主成分分析共提取的3個主成分對變異的累積貢獻率為65.68%, 而劉蘇等[25]採用形態學和框架分析法對斑鱧(♀)、烏鱧(♂)及其雜交種的形態差異和判別分析中的主成分分析累積貢獻率也相對較低。其原因可能是施氏鱘和西伯利亞鱘、斑鱧和烏鱧均為同屬下的近緣種, 種間形態差異本身不大, 從而導致累積貢獻率不高。此外判別分析是魚類形態鑑別的常用方法, 判別分析可以建立判別公式, 對不同種類進行判別[26, 27]。本研究中構建了3個判別公式, 對分類總體預測準確率為85.6%, 可能也由於其親本及雜交種間自身差異不大, 因此較難以判別。

多項研究表明雜交後代受母本影響大, 很多性狀更偏向母本[28]。本研究也發現了類似的現象, 從雜交指數看, 西伯利亞鱘(♀)×施氏鱘(♂)雜交F1的可數性狀總體上偏向母本, 同時聚類分析結果也顯示西伯利亞鱘與西伯利亞鱘(♀)×施氏鱘(♂)雜交F1距離較近, 因此該雜交種的一些性狀可能受到母體效應的影響。

綜上所述, 吻長、眼間距、尾柄等性狀的相關參數是區分西伯利亞鱘、施氏鱘及其雜交種的重要形態學依據。但由於環境和習性等原因, 可能導致這幾種鱘的生長速度有所差異, 關於西伯利亞鱘與施氏鱘雜交種的種質鑑定可通過分子標記等方法進一步完善。

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MORPHOLOGICAL DIFFERENCES OF ACIPENSER BAERII, ACIPENSER SCHRENCKII AND THEIR HYBRIDS (A. BAERII♀× A. SCHRENCKII♂)

MIAO Yi1, CHEN Yu-Wei1, ZHAO Zhong-Meng1, QU Lian-Shi2, LIU Bo2, LIU Zhao1, WU Jia-Yun3,HUANG Xiao-Li1 and YANG Shi-Yong1
(1. College of Animal Science and Technologg, Sichuan Agriculteral University, Chengdu 611130, China; 2. Ya'an Agricultural Bureau, Yaan 625000, China; 3. College of Life Sciences, Sichuan Agricultural University, Yaan 625014, Chian)

Abstract: In order to identify the morphological differences and discrimination of Acipenser baerii and Acipenser schrenckii, the hybrids of A. baerii♀× A. schrenckii♂ were analyzed by morphological and multivariate morphometric methods. There were significant differences in the number of gill rakes and dorsal fins among the countable traits of A.baerii, A. schrenckii and their hybrids. The multiple comparative analysis of the countable traits showed that the eye spacing/full length of A. baerii and A. schrenckii was significantly longer than that of their hybrids. The three principal components were extracted by principal component analysis, and the cumulative contribution rate to variation was 65.68%. The discriminant formulas for A. baerii, A. schrenckii and their hybrids were constructed by discriminant analysis, and the overall accuracy of the discriminant formulas was 85.6%. The results revealed that the morphological differences among A. baerii, A. schrenckii and their hybrids were mainly reflected in the head and tail stalk.

Key words: Acipener baerii; Acipener schrenckii; Hybridization; Morphological differences; Discriminant analysis

中圖分類號： Q174

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-3207(2019)06-1239-07

doi: 10.7541/2019.147

收稿日期： 2018-12-03; 修訂日期： 2019-05-12

基金項目： 國家自然科學基金(31401488); 四川省科技廳應用基礎研究項目(2015JY0206和2019YJ0515)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (31401488); Applied Basic Research from Technological Office of Sichuan Province(2015JY0206, 2019YJ0515)]

作者簡介： 苗懿(1996—), 女, 河南新鄉人; 碩士研究生; 主要研究方向為魚類種質資源及遺傳育種。E-mail: [e-mail]; 陳雨薇(1998—), 女, 四川雅安人; 本科生; 主要研究方向為魚類種質資源及遺傳育種。E-mail: [e-mail]*共同第一作者

通信作者： 黃小麗(1979—), E-mail: [e-mail]; 楊世勇(1979—), E-mail: [e-mail]