無齒鯽臂相手蟹不同階段形態(tài)成熟分析

無齒鯽臂相手蟹不同階段形態(tài)成熟分析

資源系統(tǒng)的配置和物種動(dòng)態(tài)的研究無齒無肝象（屬于方蟹科，屬于香磯總科和香磯總科，分布于日本和中國東南沿海（包括臺灣）。這是長江河口和潮汐系統(tǒng)底棲動(dòng)物的主要物種之一。數(shù)量大、分布廣、適應(yīng)性強(qiáng)。在喂食活動(dòng)、洞穴操作、棲息地和海灘運(yùn)動(dòng)的過程中，它對潮汐和海灘的沉積物起到了循環(huán)營養(yǎng)成分的作用，促進(jìn)了空氣阻力的轉(zhuǎn)化，對促進(jìn)血液循環(huán)和傳播具有重要的生態(tài)意義。通常被認(rèn)為是朝灘濕地生態(tài)系統(tǒng)的工程師。'。與經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的中華絨螯蟹等重要經(jīng)濟(jì)種類相比,受到的關(guān)注和研究相對較少,國內(nèi)對相手蟹屬基礎(chǔ)生物學(xué)的研究僅包括分子系統(tǒng)發(fā)生學(xué)、種群遺傳學(xué),幼體的發(fā)育,對于種群生物學(xué)的研究幾乎為空白,而國外相手蟹科其它種類的研究涉及到幼體發(fā)育的形態(tài)學(xué),種群動(dòng)態(tài)變化,性腺周年發(fā)育,形態(tài)成熟的研究在種群動(dòng)態(tài)中也有所涉及,但較為系統(tǒng)的研究只見零星的報(bào)道。性成熟的開始是物種種群動(dòng)態(tài)研究的重要方面,性成熟大小也是甲殼類生活史中的一個(gè)重要參數(shù),本文對無齒螳臂相手蟹的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)運(yùn)用線性回歸、聚類分析、判別分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,分析和區(qū)分雌雄無齒螳臂相手蟹不同的異速生長階段,建立形態(tài)學(xué)判別函數(shù),最后運(yùn)用邏輯斯蒂回歸求得其50%的形態(tài)成熟大小和生理成熟大小,不僅是對其基礎(chǔ)生物學(xué)的重要補(bǔ)充和對蟹類生活史策略相關(guān)研究的參考,也為其天然種群資源的評估、管理、保護(hù)及合理開發(fā)利用提供理論依據(jù)。1材料方法1.1蟹屬蛋白采集樣品2009年10月至2010年9月期間每月定期從上海浦東大治河河口灘涂,每次由2人花費(fèi)30min采集樣品(CPUE),共采集雄蟹399只,雌蟹361只。對這些樣品以下生物學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測量(游標(biāo)卡尺,精確到0.01mm):頭胸甲寬(CW),頭胸甲長(CL),螯長(CHL),螯寬(CHW),螯高(CHH),第二步足長(2PML),腹寬(AW),腹長(AL)測量位點(diǎn)見圖1。1.2數(shù)據(jù)分析1.2.1雄蟹主要組織學(xué)檢測對于雄蟹,以頭胸甲寬為獨(dú)立變量,對螯長、螯寬、螯高、第二步足進(jìn)行線性回歸,進(jìn)行性別二型性分析,協(xié)方差(COANCOVA)檢驗(yàn)雌雄之間是否出現(xiàn)分化,然后對變量進(jìn)行非分層聚類分析,從中選取雄蟹最具代表性的形態(tài)學(xué)參數(shù)。對于雌蟹,為消除形態(tài)規(guī)格對腹部參數(shù)的影響,將雌雄蟹形態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為比例參數(shù),然后以頭胸甲寬為獨(dú)立變量,對比例參數(shù)進(jìn)行線性回歸,進(jìn)行性別二型性的分析,從而選取雌蟹最具代表性的形態(tài)學(xué)參數(shù)。1.2.2蟹的異速生長模型將選取的雄蟹形態(tài)學(xué)代表參數(shù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換,然后運(yùn)用K-means把雄蟹分為成熟和不成熟2組,并通過赤池信息準(zhǔn)則(AIC)來驗(yàn)證分組是否合理(AIC值越小,擬合的模型程度越精確。AIC=nlog(SSE/n)+2k(SSE為誤差平方和,k為參數(shù)個(gè)數(shù)加1)。雌蟹青春期蛻殼后腹部會(huì)發(fā)生明顯的變化,不成熟蟹的腹部呈三角形,成熟后近半圓形,根據(jù)雌蟹腹部的差異把雌蟹直接分為形態(tài)成熟和形態(tài)不成熟2組。異速生長方程為Y=aXb,經(jīng)過線性化轉(zhuǎn)換后為log10Y=log10a+b*log10X(b>1為正異速生長,b=1為等速生長,b<1為負(fù)異速生長)。為了確定不成熟的蟹是否也存在不同的異速階段,運(yùn)用分段線性回歸,得到兩組方程和1個(gè)拐點(diǎn),利用F-statistic進(jìn)行比較來確定是否存在2個(gè)不同的階段。F=[(SSR1-SSR2)/2]/[(SSR2/(N-P))](SSR1,SSR2分別為一個(gè)階段和兩個(gè)階段模型的殘差平方和,N為觀測量的數(shù)量,P為參數(shù)的個(gè)數(shù))。1.2.3判別函數(shù)的建立為能更具體地判別雄性相手蟹的異速生長階段,在成熟和非成熟兩階段分類的基礎(chǔ)上,進(jìn)行判別分析并建立判別函數(shù)。判別函數(shù)為Y=alog10CW+blog10X+c(Y>0為成熟階段,Y<0為不成熟階段)。1.2.4成熟大小的回歸方程運(yùn)用邏輯斯蒂回歸建立頭胸甲寬(CW)和成熟比例P之間的關(guān)系,求出50%成熟大小?；貧w方程P=1/1+exp(-a*(CW-b),其中b為50%的成熟點(diǎn)CW50。所有形態(tài)數(shù)據(jù)采用spss軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,顯著性水平P均取5%,圖表繪制采用simplot軟件。2結(jié)果2.1男性螯生長和聚類分析首先,對相手蟹左右螯長度指標(biāo)進(jìn)行比較分析,結(jié)果顯示無顯著性差異(P>0.05),故可單獨(dú)選取右螯形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析。以頭胸甲寬為獨(dú)立變量,對雌雄蟹螯長、螯寬、螯高、第二步足4個(gè)變量進(jìn)行線性回歸(見圖2)。結(jié)果顯示,除了第二步足外(COANCOVA,P>0.05),螯的3個(gè)參數(shù)雌雄之間均產(chǎn)生分化(COANCOVA,P<0.001),然后對螯長、螯寬、螯高、第二步足4個(gè)變量進(jìn)行非分層聚類分析,得到4個(gè)變量的聚類樹狀圖。從整體看,這些變量聚為三類,螯高和螯寬首先聚為一類,螯寬和螯長為第二類,步足為單獨(dú)的一類(見圖3),因此可以選擇螯寬作為代表雄性螯異律性生長的形態(tài)學(xué)參數(shù)。2.2頭胸甲寬的變化以頭胸甲寬為橫坐標(biāo),分別作頭胸甲寬與腹寬/頭胸甲寬,腹長/頭胸甲長,腹寬/腹長的散點(diǎn)圖,分別求雌雄無齒螳臂相手蟹腹寬/頭胸甲寬,腹長/頭胸甲長及腹寬/腹長與頭胸甲寬的相關(guān)性(見圖3)。結(jié)果表明隨著頭胸甲寬的變化雄蟹腹寬/頭胸甲寬,腹長/頭胸甲長及腹寬/腹長幾乎保持不變,沒有出現(xiàn)異速生長(P>0.05);對于雌蟹,腹寬/頭胸甲寬,腹寬/腹長較之腹長/頭胸甲長則隨著頭胸甲寬的增大出現(xiàn)漸變式的增大,異速生長明顯(P<0.001)。由此可以得出結(jié)論,腹寬比腹長更適合作為雌性第二性征的代表參數(shù)。2.3生長階段方程將雄蟹代表參數(shù)CHW和CW進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換,運(yùn)用k-means將所有個(gè)體分為2組,一組為不成熟雄蟹,殼寬范圍為6.89～16.38mm,另一組為成熟雄蟹,殼寬為15.31～39.33mm(見圖5)。運(yùn)用赤池信息準(zhǔn)則對這兩類,即單一生長模型(-2096.86)和雙組生長模型(-2137.07)的AIC值檢驗(yàn)進(jìn)行比較,結(jié)果顯示雄性生長的確存在2個(gè)不同的生長階段。兩生長階段且均為異速生長,斜率分別為1.944和1.197,不成熟階段的異速生長率高于成熟階段,各個(gè)生長階段方程的參數(shù)如表1。在k-means過程確定的成熟階段分類的基礎(chǔ)上,對CW和CHW進(jìn)行判別分析,判別準(zhǔn)確率為99.2%(不成熟判別準(zhǔn)確率為100%,成熟判別準(zhǔn)確率為99%)。根據(jù)CW和CHW的特征性狀建立判別函數(shù),函數(shù)值大于0即表示此蟹處于形態(tài)成熟階段,小于0表示雌蟹處于不成熟階段。判別函數(shù)如下:Y=51.909log10CW+7.481log10ChW-66.255(Y>0為成熟階段,Y<0為不成熟階段)。對于不成熟階段個(gè)體運(yùn)用分段線性回歸,得到2個(gè)生長方程(R2=0.86,P<0.001),拐點(diǎn)發(fā)生在頭胸甲寬11.78mm(見圖6),并經(jīng)F-statistic檢驗(yàn)表明,兩階段生長模型比單一生長階段模型更適合不成熟個(gè)體的生長(F=102.94,P<0.001)。定義第一生長階段為幼體階段(JuvenilePhase),第二生長階段為青春期階段(AadolescentPhase),進(jìn)入青春期后螯寬相對于頭胸甲寬雖隨之增加,但相對生長率變緩慢(b變小)(見表2)。雄性成熟和不成熟階段在殼寬15.31mm和16.38mm發(fā)生重疊,計(jì)算每1mm殼寬單位個(gè)體的成熟比例,運(yùn)用邏輯斯蒂回歸求得雄性50%形態(tài)成熟規(guī)格為16.36mm,且CW>16.38mm的個(gè)體完全達(dá)到形態(tài)成熟?；貧w方程如下:P=1/1+exp(-2.625×(CW-16.36))。其50%生理成熟規(guī)格為17.20mm(n=111)。表2無齒螳臂相手蟹雄性不成熟階段生長階段的異速生長方程2.4%形態(tài)成熟比例雌蟹根據(jù)腹部的變化直接可分為成熟和不成熟兩組,不成熟蟹殼寬范圍為6.89～18.64mm,成熟蟹的殼寬范圍為13.04～38.4mm,其中殼寬較小的成熟蟹和殼寬較大的不成熟蟹,在殼寬13.04～18.64mm范圍內(nèi)重疊,這一階段我們定義為“重疊期”,不成熟階段為異速生長,成熟階段為等速生長,生長斜率分別為1.42和1.029。計(jì)算每3mm殼寬單位個(gè)體的成熟比例,運(yùn)用邏輯斯蒂回歸求得雌蟹50%形態(tài)成熟規(guī)格為18.22mm,且CW>18.64mm完全達(dá)到形態(tài)成熟?；貧w方程如下:P=1/1+exp(-0.503×(CW-18.22))。其50%生理成熟規(guī)格為17.50mm(n=106)。將殼寬小于18.64mm的個(gè)體運(yùn)用分段線性回歸,得到2個(gè)階段的方程,定義第一生長階段為幼體階段(JuvenilePhase),第二生長階段為重疊階段(IntermediatePhase),幼體階段和重合階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在頭胸甲寬10.28mm,即重疊階段的殼寬范圍為10.28～18.64mm,但F-statistic檢驗(yàn)表明,重疊階段和幼體階段異速率生長并沒有顯著差異(F=1.96,P>0.05),所以雌蟹僅存在兩個(gè)不同的生長階段。3螯前生長和生殖過程的兩性異形本研究在形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上分析了無齒螳臂相手蟹不同發(fā)育階段異速生長的特點(diǎn),并最終估計(jì)其50%形態(tài)成熟大小和性腺成熟大小。甲殼類動(dòng)物通過蛻殼來實(shí)現(xiàn)間歇式、跳躍式的生長,最明顯的形態(tài)變化體現(xiàn)在第二性別特征器官,如雄性的螯、雌性的腹部等,這種生長率的不同不僅體現(xiàn)在兩性之間,也體現(xiàn)在個(gè)體生長過程中的不成熟和成熟各階段,雌雄間的形態(tài)分化通常先于個(gè)體異速生長所引起的差異。這種階段的轉(zhuǎn)變由一生重要的蛻殼,即青春期前蛻殼或青春期蛻殼所實(shí)現(xiàn)。異速生長的方式與一個(gè)物種的生殖策略息息相關(guān),同時(shí)也會(huì)反應(yīng)出物種隨著年齡或頭胸甲寬的增長而采取的能量投入模式的變化。螯的特化對于雄性來說是非常有利的身體構(gòu)造,在取食、競爭、求偶、生殖季節(jié)的交配后保護(hù)雌性等活動(dòng)中發(fā)揮優(yōu)勢作用。但螯并不一定是雄性異速生長的最好的參數(shù)代表,很多種類的螯的生長在雌雄間并不分化,如直額相手蟹Sesarmarectum的螯雌性和雄性的生長具有相似性,說明螯在雌雄間發(fā)揮著相似的功能,但對于本文的研究對象長江口無齒螳臂相手蟹來說,螯長、螯高、螯寬三個(gè)參數(shù)在雌雄間都發(fā)生了分化,而第二步足卻沒有,由此可以斷定螯可以作為無齒螳臂相手蟹異速生長的生物學(xué)參數(shù)。此外,螯的3個(gè)變量分化都比較明顯,在參考非分層聚類方法分析的基礎(chǔ)上,綜合比較后最終選取螯寬作為異速生長最具代表第二性征的變量,不同于直額相手蟹的螯長,白斑近相手蟹Perisesarmaguttatum的螯長、螯高等參數(shù)的直接選取。由青春期前蛻殼和青春期蛻殼把雄蟹個(gè)體生長可以分為3個(gè)不同的生長階段,青春期前蛻殼發(fā)生在殼寬11.78mm,不成熟個(gè)體又可以分為幼體和青春期兩個(gè)生長階段。進(jìn)入青春期生長斜率變小,表明相對生長變緩慢,即每次蛻殼殼寬的增量減小,這與其它蟹類進(jìn)入青春期異速生長率變大不同,因?yàn)樯L和生殖是不相容的過程?？赡苄韵侔l(fā)育開始于青春期前蛻殼后,個(gè)體會(huì)消耗較大一部分能量用于性腺的發(fā)育,而減少在生長上的投入,是為生殖過程做準(zhǔn)備所采取的生殖策略。對于雌蟹,腹部的變寬有利于抱卵和孵化幼體,保護(hù)卵免受傷害,因此雌蟹腹部大多情況下會(huì)被選作分析形態(tài)異速變化的代表參數(shù)。雌蟹根據(jù)腹部明顯的變化,分為形態(tài)不成熟和成熟階段,不成熟階段為異速生長,形態(tài)成熟后變?yōu)榈人偕L。殼寬較小的成熟蟹和殼寬較大的小的不成熟蟹重疊的階段,頭胸甲寬范圍為13.04～18.64mm,結(jié)果與直額相手蟹范圍13.2～18.5mm十分接近。但這個(gè)階段與幼體階段相比,并沒有出現(xiàn)顯著的生長率的不同,由此得出結(jié)論,雌蟹是以青春期蛻殼為界,僅存在兩個(gè)不同的生長階段雌蟹形態(tài)成熟后具備功能交配的能力,腹部繼續(xù)變寬是有利于增大腹部抱卵的空間。不同種類相手蟹形態(tài)成熟規(guī)格會(huì)有所差異,直額相手蟹形態(tài)成熟規(guī)格在范圍為15～18mm,與本文50%的形態(tài)成熟點(diǎn)18.22mm較為接近,不同的是前者成熟和不成熟階段均為異速生長,后者成熟階段變?yōu)榈人偕L。而且特別的是,無齒螳臂相手蟹雌蟹的腹部從不成熟到成熟的變化,是一個(gè)連續(xù)的不間斷的過程,既沒有出現(xiàn)跳躍式的突變,也沒有出現(xiàn)緩慢的曲線漸變,而是成熟和不成熟交疊在一起,推測雌蟹個(gè)體生長采取的是非季節(jié)性的方式,既在同一季節(jié)里生長和產(chǎn)卵生殖兩過程可能會(huì)同時(shí)進(jìn)行。雌雄50%生理成熟大小分別為17.50mm、17.20mm。像蜘蛛蟹科中許多種類,一般的性成熟規(guī)律是雌雄生理成熟在最后蛻殼之前,即先于于形態(tài)成熟,也有特殊如蜘蛛蟹AnamathiaRissona雌蟹生理成熟大小與形態(tài)成熟大小幾乎同步。從這種意義上來講,達(dá)到形態(tài)成熟才能真正的稱作所謂的性成熟。而本文的研究結(jié)果中雌性生理成熟大小低于形態(tài)成熟大小,雌蟹在生理成熟后需要腹部繼續(xù)變寬才能具有抱卵的能力,但雄蟹出現(xiàn)不同于以往研究一般規(guī)律的獨(dú)特現(xiàn)象,生理成熟大小高于形態(tài)成熟大小。這反映了雌雄無齒螳臂相手蟹在生長和生殖能量利用上的不同,即雌性性腺先累積能量再引導(dǎo)形態(tài)的變化,而雄性則是先通過形態(tài)的變化,為交配獲取競爭力,然后性腺再發(fā)育,這是否可能是灘涂蟹類獨(dú)特的性成熟機(jī)制,是一種適應(yīng)灘涂生存和生殖的進(jìn)化行為和方式,有待進(jìn)一步研究。蟹類的性成熟包括生理成熟、形態(tài)成熟和功能成熟。性腺發(fā)育早于最后蛻殼的蟹類,也要在形態(tài)成熟后性腺才達(dá)到完全的成熟也就是說完全具備生殖的能力,而交配和抱卵的能力(功能性成熟)主要依賴于形態(tài)成熟。運(yùn)用單一的方法不足以確定蟹類性成熟,所以需要綜合多方面來判斷