2. 中国水产科学研究院南海水产研究所,农业农村部外海渔业可持续利用重点实验室,广州珠江口生态系统野外科学观测研究站,广东 广州 510300
2. South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences; Key Laboratory for Sustainable Utilization of Open-Sea Fishery, Ministry of Agriculture and Rural Affairs; Scientific Observation and Research Station of Pearl River Estuary Ecosystem of Guangdong Province, Guangzhou 510300, China
鱼卵是鱼类的早期补充来源,鱼卵的数量以及鱼卵的物种组成基本上决定了鱼类群落的组成,其数量变化直接影响渔业资源量的变动[1]。鱼卵的鉴定及组成分析是鱼类生态和保护的重要工具,它提供了有关产卵地点、产卵时间和多个物种繁殖强度的宝贵数据[2]。同时也是研究鱼类资源补充机制和种群数量变动、渔业资源可持续利用的重要基础。
当前,关于鱼卵的研究主要依赖于传统技术,传统的鱼卵鉴定方法是基于形态特征,包括卵的形状和直径、油球的数量、大小和位置、卵周隙的宽度,以及胚胎的色素沉着等[3-5]。然而,依靠形态特征来准确界定鱼卵和仔稚鱼的种类很困难。因此,迫切需要一种可靠而有效的方法来对鱼卵进行种类识别。由Hebert等[6]提出的DNA条形码技术是一种使用分子标记的识别方法,能够识别鱼卵和仔鱼,而不考虑它们的发育阶段或形态[7]。其中最常用、应用最广的分子标记为线粒体细胞色素c氧化酶亚基I基因(CO I),该基因是用于物种鉴定的最常见的线粒体基因。该方法已在国内外广泛运用在鱼卵鉴定领域中,可以作为一种快速工具来调查研究区域内许多不确定的物种。Costa等[8]使用DNA条形码来评估赤道西南大西洋地区鱼卵的多样性,对112颗鱼卵进行鉴定分析,1颗鱼卵在目级别成功鉴定,3颗在科级别成功鉴定,20颗在属级别成功鉴定,7颗在种级别成功鉴定。Hofmann等[4]通过从凯尔特海收集的500颗鱼卵分别进行分子鉴定和形态鉴定,结果表明DNA条形码鉴定的鱼卵物种与形态鉴定的一致性为96.2%,强调了DNA条形码能够有效地鉴定鱼卵。吴娜等[9]以南海永暑礁潟湖鱼卵为研究对象,证明了该方法的有效性,能被广泛应用于该区域的鱼卵分子鉴定工作。卢芷程等[10]通过对南海美济礁潟湖的鱼卵鉴定,发现以鲈形目的鱼卵为主,结果表明美济礁是多种珊瑚礁栖鱼类的产卵场,同时也是多种深海鱼类和大洋性洄游鱼类[如黄鳍金枪鱼(Thunnus albacares)]的产卵场。因此本研究利用DNA条形码技术对鱼卵进行分子鉴定分析。
大亚湾湾内生境类型丰富,包括红树林、岩礁、沙滩、泥滩和珊瑚群落[11],鱼类生物多样性高,被誉为南海北部“鱼类的摇篮”和“种质资源库”,于1983年由广东省人民政府批准成立为大亚湾水产资源省级自然保护区[12]。自20世纪80年代以来,由于沿岸经济社会快速发展和人类活动的加剧,大亚湾地区的生态环境发生了显著的变化。湾内水域的重金属污染物如Zn、Pb、Hg等对水质和生态造成了潜在的危害[13],大型土建工程建设加大了生活污水和工业废水的排放[14],网箱养殖也造成了水体的有机污染进而发生富营养化[14]。长期监测显示,近30年来,大亚湾浮游动物群落正经历着巨大的变化,浮游动物物种丰富度下降,并呈现出小型化趋势[11]。鱼类群落组成出现了结构性变化,目前大亚湾海域记录鱼类种类131种[15],鱼类群落组成由以往的带鱼(Trichiurus lepturus)、银鲳(Stromateoides argenteus)、真鲷(Pagrus major)等高经济价值鱼类转为了以小沙丁鱼类、小公鱼类、二长棘鲷(Paerargyrops edita)、短吻鲾(Leiognathus brevirostris)等低经济价值鱼类[15-16]。研究大亚湾地区鱼卵的数量变化以及群落组成不仅有助于提高产卵场保护水平,还有利于掌握该地区的渔业资源组成及变动,并为海洋生态监测、涉渔工程环境影响评估、渔业损害补偿等提供基础信息。
以往的大亚湾资源调查显示,传统形态学鉴定出的鱼卵种类主要为鳀科[12]、小沙丁鱼类[17]、鰏科[18]、鱚属[19],呈现出大型经济鱼类衰退,小型集群性鱼类占主导的趋势。鉴于大亚湾地区现有的渔业资源现状,笔者需要从渔业管理和鱼类生物多样性保护的角度记录目前鱼类物种的鱼卵状况。本研究于2022年春季在大亚湾设置14个站点进行渔业调查,结合历史研究资料,基于DNA条形码技术对大亚湾地区春季的鱼卵种类组成和数量分布等进行探讨,并初步研究鱼卵组成与环境因子的关系,为大亚湾地区的渔业资源管理和保护以及资源可持续发展提供有力的科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区域大亚湾是南海北部沿海的一个半封闭式亚热带海湾,面积约600 km2,平均深度约10 m。本研究于春季(4月)对大亚湾海域同时进行了鱼卵样品的收集和成鱼底拖网采样,共设14个站点,站位分布如图1所示。
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图1 大亚湾春季(4月)调查站位图 Fig. 1 Survey station map of the Daya Bay in spring (April) |
鱼卵样品采集依照《海洋调查规范》(GB 12763.6—2007)进行,使用浅水I型浮游生物网(网口内直径50 cm,网口面积0.2 m2)进行水平拖网作业10 min,拖速约为1.5 kn。用通用海洋流量计(Hydro-Bios-438115,德国)计算滤水量,将采集到的样品用浓度为75%乙醇-海水溶液中保存。运回实验室后对鱼卵进行分类鉴定并计数。
单拖网网具的上纲长度为36 m,网口口目为5 cm,囊网网目为3 cm,网衣全长50 m,拖网时间1 h。底拖网捕获的渔获物经过初步分类后,在船舱内冷冻保存,航次结束后以冷藏方式运回实验室,并在−20 ℃的环境下保存。鱼类物种鉴定根据形态学特征进行鉴定,鉴定标准参照《中国海洋及河口鱼类系统检索》。
温度、盐度、pH、溶解氧等环境因子用多参数水质分析仪(YSI-professsional plus)进行现场测定,水体透明度用透明度计测量。
1.3 DNA提取与目的片段扩增挑取单个鱼卵,用TE缓冲液对鱼卵进行洗脱,单个站位鱼卵数量小于50全部提取DNA,大于50则随机挑取50颗以上的鱼卵,以确保最终获得50条左右能使用的DNA序列。使用海洋动物组织基因组DNA提取试剂盒(天根,中国)提取鱼卵DNA,未使用的DNA提取液放入−20 ℃冰箱中冷冻。根据Ward等[20]设计的引物对目标COI基因序列进行扩增,引物序列为Fish-F1: 5ʹ-TCAACCAACCACAAAGACATTGGCAC-3ʹ和Fish- R1: 5ʹ-TAGACTTCTGGGTGGCCAAAGAATCA-3ʹ。使用艾科瑞生物2X Pro Taq Master Mix (dye plus)试剂盒,扩增总体系25 μL,分别为Mix预混液12.5 μL,正反向引物各0.5 μL, DNA模板1 μL,灭菌超纯水10.5 μL。PCR扩增反应程序为:94 ℃预变性30 s; 98 ℃变性10 s, 50 ℃退火30 s, 72 ℃延伸55 s, 10个循环;98 ℃变性10 s, 55 ℃退火30 s, 72 ℃延伸50 s, 10个循环;98 ℃变性10 s, 60 ℃退火30 s, 72 ℃延伸50 s, 15个循环;最后72 ℃延伸5 min。得到的PCR产物送到北京六合华大基因科技有限公司进行双向测序。
1.4 数据分析将所得到的COI序列通过SeqMan软件进行人工校对和拼接[21]。使用MEGA 11对序列进行比对和手动编辑。整理好的序列通过生命条形码数据系统(Barcode of Life Data, BOLD)、GenBank数据库进行比对,当COI序列与最佳序列匹配≥99%的相似性时则认为是同种,序列相似度在92%~99%时认定为属,85%~92%鉴定为同一科[22],物种的有效学名以Fishbase数据库(www.fishbase. us)为准。
1.5 数据处理方法 1.5.1 物种丰度和优势度计算鱼卵丰度(G)优势度(Y)计算公式为:
$G = N/\left( {S*L*C} \right)$ | (1) |
式(1)中,G表示单位体积海水中的鱼卵个数(ind/m3); N为全网鱼卵个体数(粒); S为网口面积(m2); L为流量计转数;C为流量计校正值(C=0.3)。
优势度(Y)计算公式为:
$Y = \left( {{n_i}/N} \right) \cdot {f_i}$ | (2) |
式(2)中,ni为第i种鱼的鱼卵数量,N为所有种类的鱼卵总数量,fi表示第i个种类的出现频率。
1.5.2 环境影响因子分析利用Canoco 5.0对春季鱼卵物种与环境因子数据进行相关性分析,首先对物种数据进行消除趋势对应分析(DCA),根据每个轴的梯度长度(LGA)选择适宜的排序方法。当LGA<3时,选择冗余分析(RDA);当LGA> 4时,则可运用典范对应分析(CCA);当3<LGA<4时,两者皆可。根据DCA分析结果,本研究采用线性模型的RDA分析。
2 结果与分析 2.1 鱼卵种类组成及优势种春季航次调查结果显示,所有站点共获得鱼卵21847粒。本研究最终获得鱼卵DNA CO I序列共675条,序列长度为652 bp,通过与数据库进行对比共鉴定出36种鱼类,隶属于7目16科26属,其中3种鉴定到属,2种鉴定到科,分别是马鲾属未定种(Equulites sp.)、光胸鲾属未定种(Photopectoralis sp.)、毒鲉属未定种(Synanceia sp.)、鲾科未定种(Leiognathidae)、鲬科未定种(Platycephalidae)(表1)。
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表1 2022年大亚湾春季(4月)鱼卵种类组成 Tab. 1 Species composition of fish eggs in spring (April) of the Daya Bay in 2022 |
在所选取的样品实验结果中,鲈形目(Perciformes)的鱼卵种类、数量占比最多,种类数达到16种,个体数量占比71.8%;其次是鲱形目(Clupeiformes)鱼卵种类有11种,个体数量占比26.0%;其余则是鳚形目(Blenniiformes)、鲉形目(Scorpaeniformes)、鲻形目(Mugiliformes)、鲽形目(Pleuronectiformes)、银汉鱼目(Atheriniformes)的种类(见表1)。
根据优势度(Y)≥0.02时认定为优势种,在本次调查海域内共有7个优势种,分别为项斑项鲾(Nuchequula nuchalis)、黄斑光胸鲾(Photopectoralis bindus)、十棘银鲈(Gerres decacanthus)、克氏副叶鲹(Alepes kleinii)、岛屿侧带小公鱼(Stolephorus insularis)、中颌棱鳀(Thryssa mystax)、叶鲱(Escualosa thoracata),优势度最高的为黄斑光胸鲾(表1)。在所有站点的物种组成中,项斑项鲾在每个站点均有发现,其中S11站点的鱼卵物种数最多,达到17种,其属、科的比例也均最高;其次是S14站点,种类达到14种,而S13站点种类数最少,只有5种。同时,每个站点的物种组成中都主要以优势种项斑项鲾、黄斑光胸鲾、十棘银鲈、克氏副叶鲹、岛屿侧带小公鱼、中颌棱鳀的数量占比最多。
2.2 底拖网鱼类物种组成大亚湾底拖网鱼类鉴定结果显示(见表2),物种数为47种,隶属于8目22科39属,其中有两种未能鉴定到种,分别为海鰶属未定种(Nematalosa sp.)和虾虎鱼科未定种(Gobiidae sp.)。
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表2 2022年大亚湾春季(4月)底拖网渔获种类组成 Tab. 2 Species composition of bottom trawling in spring (April) of the Daya Bay in 2022 |
春季航次共获得鱼卵21847粒,该区域总体平均密度为10.12 ind/m3,其中 S7站点的鱼卵密度最大,为37.3 ind/m3;除S8、S10、S13 (密度分别为1.21 ind/m3, 0.81 ind/m3, 0.07 ind/m3)站点外,其余站点密度整体较高。以14个站点的物种种类构建的相对丰度热图显示(图2),春季14个站点中相对丰度最高的为黄斑光胸鲾(S7站点),其次为十棘银鲈(S3站点)和项斑项鲾(S5站点),绝大多数鱼卵种类站位分布较单一。
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图2 2022年春季(4月)大亚湾鱼卵相对丰度热图 Fig. 2 Heat map of relative abundance of fish eggs in the Daya Bay in spring (April) of 2022 |
根据优势种RDA排序结果显示(图3),总变量为4.15149,解释变量占总变量的71.2% (校正变量为6.5%)。轴一和轴二共解释了鱼卵群落变量的49.72%,解释了鱼卵与环境因子之间关系的69.79%,能够较好地解释两者之间的相关性。RDA结果显示,无环境因子与鱼卵群落有显著相关性。项斑项鲾与海水表面盐度和水深呈现较大的正相关性,与溶解氧等呈负相关性;黄斑光胸鲾与海水表面温度存在正相关性,与水深、透明度、海水表面盐度等呈较大的负相关;岛屿侧带小公鱼丰度与pH和SRP呈较大正相关(图3)。
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图3 大亚湾海域鱼卵优势种与环境因子之间RDA排序 Fig. 3 RDA ranking between dominant species of fish eggs and environmental factors in the Daya Bay |
本次研究中鉴定出的鱼卵种类隶属于7目16科26属,其中鳀科与鲾科种类数占比16.6%,鲱科占比13.8%,双边鱼科、银鲈科、鲬科、鲻科各占比5.5%,鰺科、鱚科、单鳍鱼科、隆头鱼科、沙鮻科、银鳞鲳科、鳚科、毒鲉科、鲬科、鳎科、银汉鱼科各占比2.7%。在2003—2004年[18]的调查中,鱼卵种类为鲾科、褐菖鲉、鲱科、鳀科、鯛科,种类个体数占比分别为74.4%、7.0%、4.8%、3.0%、1.7%; 2004—2005年[18]间鱼卵种类为鲾科、鲱科、鳀科、褐菖鲉、舌鳎科、鯛科,种类个体数占比分别为50.3%、23.8%、6.3%、3.4%、3.1%、2.9%。本研究与2003—2005年数据相比,鲾科、鳀科和鲱科仍然占主要种类数,但是在本次调查中所占比例大幅下降,且出现了较多以科为单位分类下的鱼卵。王九江等[19]对2015年大亚湾4个季度的鱼卵、仔稚鱼鉴定分析,得出鱼卵种类有19种,隶属于6目16科18属,相对于本研究春季航次鱼卵种类数较少,这可能是因为该研究中站位的分布主要集中在大亚湾中央大列岛附近,而本研究的站点比较均匀地分布在大亚湾海域,因此捕获到的鱼卵物种数会更多一些。
随着经济的发展和人类活动影响的加大,大亚湾地区的鱼类物种多样性有逐渐降低的趋势。1985年的鱼类资源调查中以乌鲳(Parastromateus niger)、银鲳(Pampus argenteus)、克氏副叶鲹(Alepes kleinii)、带鱼(Trichiurus lepturus)等大型经济鱼类为主[12],在本次鱼卵多样性调查中,仍然以项斑项鲾、黄斑光胸鲾、十棘银鲈等小型低值鱼类为主,以往高价值的经济鱼类鱼卵却没有发现,显然大亚湾鱼类优势种已经发生了极大的变化,这与大亚湾海域渔业资源结构正在向个体小、经济价值低的小型鱼类类群演替的变化趋势相吻合[15],这也在一定程度上反应了鱼类对海洋环境的适应性响应。
3.2 与底拖网渔获鱼类种类比较鱼卵种类与底拖网渔获种类的共有种有7种(图4),分别为项斑项鲾、多鳞鱚(Sillago sihama)、圆吻海鰶(Nematalosa nasus)、汉氏棱鳀(Thryssa hamiltonii)、卵鳎(Solea ovata)、裸头双边鱼(Ambassis gymnocephalus)、红尾银鲈(Gerres erythrourus)。春季底拖网鱼类数量最多的为项斑项鲾(占比63.32%),其次为短吻鲾(占比13.28%)和日本竹荚鱼(Trachurus japonicus)(占比7.30%)。由此可见,无论是鱼卵种类还是底拖网鱼类物种仍然以小型低值化鱼类为主。另外,底拖网中发现有大黄鱼(Larimichthys crocea)、六指马鲅(Polydactylus sextarius)等高经济价值鱼类。
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图4 大亚湾鱼卵与底拖网鱼类种类数韦恩图 Fig. 4 Venn diagram of fish species number between eggs and bottom trawl in the Daya Bay |
本研究春季鱼卵和底拖网鱼类的共有种相对较少,这可能因为鱼卵是鱼类的繁殖产物,它们随着水流漂移,从而更容易在水体中扩散分布;而底拖网则更容易捕获到生活在该区域的底层鱼类。因此,鱼卵和底拖网样品中得到的鱼类种类存在一些差异也可能是因为不同鱼类的繁殖习性和生态习性不同所导致的。不同鱼类的生活史可以导致它们在不同的季节和时间选择不同的栖息地或繁殖地,某些鱼类可能在特定的季节和时间段进行繁殖,而其他鱼类则可能选择不同的繁殖地点或时间。其次,有些鱼类会根据不同环境因素来选择适合自己产卵的场所,例如季节、水流速度、水温等。它们在产卵完毕后便离开了这个地方,这也就导致了在特定时间和地点采集到的鱼卵或底拖网样品中,只包含了少量的鱼类共有种。本研究通过DNA条形码鉴定的鱼卵种类与林昭进等[18]的鱼卵种类基本相同,均以鲾科、小沙丁鱼类、小公鱼类为大亚湾的优势种。这表明DNA条形码技术是传统形态学强有力的补充[23],该方法能够发现底拖网捕获不到的鱼类物种。
3.3 鱼卵与环境因子关系鱼类对环境很敏感,对于环境的变化有着对应的响应机制,其群落结构以及物种分布受到环境因子的影响极大,有研究表明与生物因素相比,鱼类物种分布更容易受到环境因素的影响[24-25],而鱼卵作为早期渔业资源,生长环境对其影响更大,无论是生长发育、代谢还是数量分布都与环境密不可分[26]。鱼卵的分布与水深有一定关系,水深又与多种环境条件相关联,如水温、盐度、营养盐等[27],这些条件是直接影响鱼卵分布的原因,而且本研究鱼卵优势种种类为广温广盐性鱼类,对水温、盐度有很大的适应范围,因此说明它们具有较强的环境适应性。水温是影响鱼类分布很重要的一个因素,根据李禾等[28]的研究,鱼卵的孵化时间与积温呈正相关,王九江等[19]调查中大亚湾鱼卵的孵化在21~27 ℃时与温度呈显著负相关性。本研究中黄斑光胸鲾与克氏副叶鲹的分布与表层温度呈正相关,春季各站点的温度范围在23~26 ℃之间,平均水温为24.55 ℃,在鱼类适当的温度范围内,温度的增长有利于缩短鱼卵的孵化时间以及提高浮游动植物等饵料生物的生长繁殖,从而丰富食物增加鱼类存活率。表层盐度和水深与项斑项鲾的分布呈正相关,对其有一定的影响,本研究中项斑项鲾主要分布在大亚湾南部,盐度和水深都比北部高,更适合其生长。水体悬浮物的多少影响水体的透明度,悬浮物过多不仅对水体的生态系统造成破坏还会影响幼体的摄食、生长等活动[29],甚至造成死亡,大亚湾水体的透明度较低,在一定程度上会影响鱼卵的孵化。整体来看,大亚湾水域北部的物种多样性和丰度都要高于南部,这也可能说明大亚湾北部饵料丰富,利于鱼类的生长繁殖。
本研究采用DNA条形码技术对鱼卵进行鉴定,有效地规避了形态学方法鉴定所带来的问题。这种技术不仅提高了鉴定效率,还为了解大亚湾水产资源状况提供了一种更为简便和可靠的方法。在以后的研究中,还需要提高DNA提取的成功率以及DNA条形码数据库的完整性和准确性,以便更全面地评估大亚湾鱼卵的物种多样性。
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