无齿鲫臂相手蟹不同阶段形态成熟分析

无齿鲫臂相手蟹不同阶段形态成熟分析

资源系统的配置和物种动态的研究无齿无肝象（属于方蟹科，属于香矶总科和香矶总科，分布于日本和中国东南沿海（包括台湾）。这是长江河口和潮汐系统底栖动物的主要物种之一。数量大、分布广、适应性强。在喂食活动、洞穴操作、栖息地和海滩运动的过程中，它对潮汐和海滩的沉积物起到了循环营养成分的作用，促进了空气阻力的转化，对促进血液循环和传播具有重要的生态意义。通常被认为是朝滩湿地生态系统的工程师。'。与经济价值高的中华绒螯蟹等重要经济种类相比,受到的关注和研究相对较少,国内对相手蟹属基础生物学的研究仅包括分子系统发生学、种群遗传学,幼体的发育,对于种群生物学的研究几乎为空白,而国外相手蟹科其它种类的研究涉及到幼体发育的形态学,种群动态变化,性腺周年发育,形态成熟的研究在种群动态中也有所涉及,但较为系统的研究只见零星的报道。性成熟的开始是物种种群动态研究的重要方面,性成熟大小也是甲壳类生活史中的一个重要参数,本文对无齿螳臂相手蟹的形态学数据运用线性回归、聚类分析、判别分析等统计学方法,分析和区分雌雄无齿螳臂相手蟹不同的异速生长阶段,建立形态学判别函数,最后运用逻辑斯蒂回归求得其50%的形态成熟大小和生理成熟大小,不仅是对其基础生物学的重要补充和对蟹类生活史策略相关研究的参考,也为其天然种群资源的评估、管理、保护及合理开发利用提供理论依据。1材料方法1.1蟹属蛋白采集样品2009年10月至2010年9月期间每月定期从上海浦东大治河河口滩涂,每次由2人花费30min采集样品(CPUE),共采集雄蟹399只,雌蟹361只。对这些样品以下生物学参数进行了测量(游标卡尺,精确到0.01mm):头胸甲宽(CW),头胸甲长(CL),螯长(CHL),螯宽(CHW),螯高(CHH),第二步足长(2PML),腹宽(AW),腹长(AL)测量位点见图1。1.2数据分析1.2.1雄蟹主要组织学检测对于雄蟹,以头胸甲宽为独立变量,对螯长、螯宽、螯高、第二步足进行线性回归,进行性别二型性分析,协方差(COANCOVA)检验雌雄之间是否出现分化,然后对变量进行非分层聚类分析,从中选取雄蟹最具代表性的形态学参数。对于雌蟹,为消除形态规格对腹部参数的影响,将雌雄蟹形态参数转化为比例参数,然后以头胸甲宽为独立变量,对比例参数进行线性回归,进行性别二型性的分析,从而选取雌蟹最具代表性的形态学参数。1.2.2蟹的异速生长模型将选取的雄蟹形态学代表参数进行对数转换,然后运用K-means把雄蟹分为成熟和不成熟2组,并通过赤池信息准则(AIC)来验证分组是否合理(AIC值越小,拟合的模型程度越精确。AIC=nlog(SSE/n)+2k(SSE为误差平方和,k为参数个数加1)。雌蟹青春期蜕壳后腹部会发生明显的变化,不成熟蟹的腹部呈三角形,成熟后近半圆形,根据雌蟹腹部的差异把雌蟹直接分为形态成熟和形态不成熟2组。异速生长方程为Y=aXb,经过线性化转换后为log10Y=log10a+b*log10X(b>1为正异速生长,b=1为等速生长,b<1为负异速生长)。为了确定不成熟的蟹是否也存在不同的异速阶段,运用分段线性回归,得到两组方程和1个拐点,利用F-statistic进行比较来确定是否存在2个不同的阶段。F=[(SSR1-SSR2)/2]/[(SSR2/(N-P))](SSR1,SSR2分别为一个阶段和两个阶段模型的残差平方和,N为观测量的数量,P为参数的个数)。1.2.3判别函数的建立为能更具体地判别雄性相手蟹的异速生长阶段,在成熟和非成熟两阶段分类的基础上,进行判别分析并建立判别函数。判别函数为Y=alog10CW+blog10X+c(Y>0为成熟阶段,Y<0为不成熟阶段)。1.2.4成熟大小的回归方程运用逻辑斯蒂回归建立头胸甲宽(CW)和成熟比例P之间的关系,求出50%成熟大小。回归方程P=1/1+exp(-a*(CW-b),其中b为50%的成熟点CW50。所有形态数据采用spss软件进行统计学分析,显著性水平P均取5%,图表绘制采用simplot软件。2结果2.1男性螯生长和聚类分析首先,对相手蟹左右螯长度指标进行比较分析,结果显示无显著性差异(P>0.05),故可单独选取右螯形态数据进行形态学分析。以头胸甲宽为独立变量,对雌雄蟹螯长、螯宽、螯高、第二步足4个变量进行线性回归(见图2)。结果显示,除了第二步足外(COANCOVA,P>0.05),螯的3个参数雌雄之间均产生分化(COANCOVA,P<0.001),然后对螯长、螯宽、螯高、第二步足4个变量进行非分层聚类分析,得到4个变量的聚类树状图。从整体看,这些变量聚为三类,螯高和螯宽首先聚为一类,螯宽和螯长为第二类,步足为单独的一类(见图3),因此可以选择螯宽作为代表雄性螯异律性生长的形态学参数。2.2头胸甲宽的变化以头胸甲宽为横坐标,分别作头胸甲宽与腹宽/头胸甲宽,腹长/头胸甲长,腹宽/腹长的散点图,分别求雌雄无齿螳臂相手蟹腹宽/头胸甲宽,腹长/头胸甲长及腹宽/腹长与头胸甲宽的相关性(见图3)。结果表明随着头胸甲宽的变化雄蟹腹宽/头胸甲宽,腹长/头胸甲长及腹宽/腹长几乎保持不变,没有出现异速生长(P>0.05);对于雌蟹,腹宽/头胸甲宽,腹宽/腹长较之腹长/头胸甲长则随着头胸甲宽的增大出现渐变式的增大,异速生长明显(P<0.001)。由此可以得出结论,腹宽比腹长更适合作为雌性第二性征的代表参数。2.3生长阶段方程将雄蟹代表参数CHW和CW进行对数转换,运用k-means将所有个体分为2组,一组为不成熟雄蟹,壳宽范围为6.89～16.38mm,另一组为成熟雄蟹,壳宽为15.31～39.33mm(见图5)。运用赤池信息准则对这两类,即单一生长模型(-2096.86)和双组生长模型(-2137.07)的AIC值检验进行比较,结果显示雄性生长的确存在2个不同的生长阶段。两生长阶段且均为异速生长,斜率分别为1.944和1.197,不成熟阶段的异速生长率高于成熟阶段,各个生长阶段方程的参数如表1。在k-means过程确定的成熟阶段分类的基础上,对CW和CHW进行判别分析,判别准确率为99.2%(不成熟判别准确率为100%,成熟判别准确率为99%)。根据CW和CHW的特征性状建立判别函数,函数值大于0即表示此蟹处于形态成熟阶段,小于0表示雌蟹处于不成熟阶段。判别函数如下:Y=51.909log10CW+7.481log10ChW-66.255(Y>0为成熟阶段,Y<0为不成熟阶段)。对于不成熟阶段个体运用分段线性回归,得到2个生长方程(R2=0.86,P<0.001),拐点发生在头胸甲宽11.78mm(见图6),并经F-statistic检验表明,两阶段生长模型比单一生长阶段模型更适合不成熟个体的生长(F=102.94,P<0.001)。定义第一生长阶段为幼体阶段(JuvenilePhase),第二生长阶段为青春期阶段(AadolescentPhase),进入青春期后螯宽相对于头胸甲宽虽随之增加,但相对生长率变缓慢(b变小)(见表2)。雄性成熟和不成熟阶段在壳宽15.31mm和16.38mm发生重叠,计算每1mm壳宽单位个体的成熟比例,运用逻辑斯蒂回归求得雄性50%形态成熟规格为16.36mm,且CW>16.38mm的个体完全达到形态成熟。回归方程如下:P=1/1+exp(-2.625×(CW-16.36))。其50%生理成熟规格为17.20mm(n=111)。表2无齿螳臂相手蟹雄性不成熟阶段生长阶段的异速生长方程2.4%形态成熟比例雌蟹根据腹部的变化直接可分为成熟和不成熟两组,不成熟蟹壳宽范围为6.89～18.64mm,成熟蟹的壳宽范围为13.04～38.4mm,其中壳宽较小的成熟蟹和壳宽较大的不成熟蟹,在壳宽13.04～18.64mm范围内重叠,这一阶段我们定义为“重叠期”,不成熟阶段为异速生长,成熟阶段为等速生长,生长斜率分别为1.42和1.029。计算每3mm壳宽单位个体的成熟比例,运用逻辑斯蒂回归求得雌蟹50%形态成熟规格为18.22mm,且CW>18.64mm完全达到形态成熟。回归方程如下:P=1/1+exp(-0.503×(CW-18.22))。其50%生理成熟规格为17.50mm(n=106)。将壳宽小于18.64mm的个体运用分段线性回归,得到2个阶段的方程,定义第一生长阶段为幼体阶段(JuvenilePhase),第二生长阶段为重叠阶段(IntermediatePhase),幼体阶段和重合阶段的转折点发生在头胸甲宽10.28mm,即重叠阶段的壳宽范围为10.28～18.64mm,但F-statistic检验表明,重叠阶段和幼体阶段异速率生长并没有显著差异(F=1.96,P>0.05),所以雌蟹仅存在两个不同的生长阶段。3螯前生长和生殖过程的两性异形本研究在形态学数据基础上分析了无齿螳臂相手蟹不同发育阶段异速生长的特点,并最终估计其50%形态成熟大小和性腺成熟大小。甲壳类动物通过蜕壳来实现间歇式、跳跃式的生长,最明显的形态变化体现在第二性别特征器官,如雄性的螯、雌性的腹部等,这种生长率的不同不仅体现在两性之间,也体现在个体生长过程中的不成熟和成熟各阶段,雌雄间的形态分化通常先于个体异速生长所引起的差异。这种阶段的转变由一生重要的蜕壳,即青春期前蜕壳或青春期蜕壳所实现。异速生长的方式与一个物种的生殖策略息息相关,同时也会反应出物种随着年龄或头胸甲宽的增长而采取的能量投入模式的变化。螯的特化对于雄性来说是非常有利的身体构造,在取食、竞争、求偶、生殖季节的交配后保护雌性等活动中发挥优势作用。但螯并不一定是雄性异速生长的最好的参数代表,很多种类的螯的生长在雌雄间并不分化,如直额相手蟹Sesarmarectum的螯雌性和雄性的生长具有相似性,说明螯在雌雄间发挥着相似的功能,但对于本文的研究对象长江口无齿螳臂相手蟹来说,螯长、螯高、螯宽三个参数在雌雄间都发生了分化,而第二步足却没有,由此可以断定螯可以作为无齿螳臂相手蟹异速生长的生物学参数。此外,螯的3个变量分化都比较明显,在参考非分层聚类方法分析的基础上,综合比较后最终选取螯宽作为异速生长最具代表第二性征的变量,不同于直额相手蟹的螯长,白斑近相手蟹Perisesarmaguttatum的螯长、螯高等参数的直接选取。由青春期前蜕壳和青春期蜕壳把雄蟹个体生长可以分为3个不同的生长阶段,青春期前蜕壳发生在壳宽11.78mm,不成熟个体又可以分为幼体和青春期两个生长阶段。进入青春期生长斜率变小,表明相对生长变缓慢,即每次蜕壳壳宽的增量减小,这与其它蟹类进入青春期异速生长率变大不同,因为生长和生殖是不相容的过程。可能性腺发育开始于青春期前蜕壳后,个体会消耗较大一部分能量用于性腺的发育,而减少在生长上的投入,是为生殖过程做准备所采取的生殖策略。对于雌蟹,腹部的变宽有利于抱卵和孵化幼体,保护卵免受伤害,因此雌蟹腹部大多情况下会被选作分析形态异速变化的代表参数。雌蟹根据腹部明显的变化,分为形态不成熟和成熟阶段,不成熟阶段为异速生长,形态成熟后变为等速生长。壳宽较小的成熟蟹和壳宽较大的小的不成熟蟹重叠的阶段,头胸甲宽范围为13.04～18.64mm,结果与直额相手蟹范围13.2～18.5mm十分接近。但这个阶段与幼体阶段相比,并没有出现显著的生长率的不同,由此得出结论,雌蟹是以青春期蜕壳为界,仅存在两个不同的生长阶段雌蟹形态成熟后具备功能交配的能力,腹部继续变宽是有利于增大腹部抱卵的空间。不同种类相手蟹形态成熟规格会有所差异,直额相手蟹形态成熟规格在范围为15～18mm,与本文50%的形态成熟点18.22mm较为接近,不同的是前者成熟和不成熟阶段均为异速生长,后者成熟阶段变为等速生长。而且特别的是,无齿螳臂相手蟹雌蟹的腹部从不成熟到成熟的变化,是一个连续的不间断的过程,既没有出现跳跃式的突变,也没有出现缓慢的曲线渐变,而是成熟和不成熟交叠在一起,推测雌蟹个体生长采取的是非季节性的方式,既在同一季节里生长和产卵生殖两过程可能会同时进行。雌雄50%生理成熟大小分别为17.50mm、17.20mm。像蜘蛛蟹科中许多种类,一般的性成熟规律是雌雄生理成熟在最后蜕壳之前,即先于于形态成熟,也有特殊如蜘蛛蟹AnamathiaRissona雌蟹生理成熟大小与形态成熟大小几乎同步。从这种意义上来讲,达到形态成熟才能真正的称作所谓的性成熟。而本文的研究结果中雌性生理成熟大小低于形态成熟大小,雌蟹在生理成熟后需要腹部继续变宽才能具有抱卵的能力,但雄蟹出现不同于以往研究一般规律的独特现象,生理成熟大小高于形态成熟大小。这反映了雌雄无齿螳臂相手蟹在生长和生殖能量利用上的不同,即雌性性腺先累积能量再引导形态的变化,而雄性则是先通过形态的变化,为交配获取竞争力,然后性腺再发育,这是否可能是滩涂蟹类独特的性成熟机制,是一种适应滩涂生存和生殖的进化行为和方式,有待进一步研究。蟹类的性成熟包括生理成熟、形态成熟和功能成熟。性腺发育早于最后蜕壳的蟹类,也要在形态成熟后性腺才达到完全的成熟也就是说完全具备生殖的能力,而交配和抱卵的能力(功能性成熟)主要依赖于形态成熟。运用单一的方法不足以确定蟹类性成熟,所以需要综合多方面来判断