利用耳石核心元素指纹评估圣劳伦斯湾大西洋庸鲽补充群体来源的时空变异性

《Canadian Journal of Zoology》：Spatiotemporal variability in otolith core elemental fingerprints to assess natal origin of Atlantic halibut ( Hippoglossus hippoglossus) in the Gulf of St. Lawrence

本研究针对圣劳伦斯湾（GSL）大西洋庸鲽（Hippoglossus hippoglossus）早期生活史研究空白，通过激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）分析187个已知迁移历史个体的耳石核心元素指纹（Mg、Sr、Ba），首次量化了该种群由三个主要保育区贡献且存在高度混合的补充模式，并发现保育来源与后续迁移策略（定居型、规律迁移型、不规则迁移型）无显著关联。这项研究为理解海洋鱼类种群连通性及制定可持续管理策略提供了关键科学依据。

　　

在加拿大圣劳伦斯湾（Gulf of St. Lawrence, GSL）的深水航道中，栖息着一种具有重要经济价值的鱼类——大西洋庸鲽（Hippoglossus hippoglossus）。这种大型冷水性比目鱼在20世纪50年代因过度捕捞导致种群崩溃后，自21世纪初以来显示出显著的恢复迹象，如今已成为该地区最有价值的底层鱼类资源。尽管其社会经济地位举足轻重，但科学家们对其早期生活史，尤其是幼体阶段的生态学知之甚少。庸鲽在GSL的深水通道中产卵，成鱼表现出夏季场所忠诚性（summer site fidelity），即每年夏季会返回到特定区域。最近的研究利用耳石化学（otolith chemistry）技术重建了其生命周期的迁移轨迹，揭示了三种不同的迁移类型群体：年度迁移者、不规则迁移者和定居者。然而，这些研究主要关注 recruitment（补充）后的生活阶段，对于幼体从孵化场到保育区（nursery areas）的早期扩散过程，以及保育来源是否会影响其成年后的迁移策略，仍然是一个未解之谜。由于庸鲽的卵在GSL从未被采集到，幼体也仅被观察到一次，早期幼鱼的栖息地更是未知，使得直接研究其早期生活史面临巨大挑战。正是在这样的背景下，研究人员转向了耳石这一天然的“黑匣子”记录仪，试图揭开庸鲽生命起源的奥秘。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项深入的研究，相关论文发表在《Canadian Journal of Zoology》上。本研究主要依赖于一项关键技术：激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, LA-ICP-MS）。研究人员对来自GSL、具有已知迁移历史（基于早期研究）的187尾大西洋庸鲽的耳石进行了分析。样本主要来源于2017年和2018年夏季在GSL（NAFO divisions 4RST）通过渔业独立科学研究底拖网调查、商业渔业（延绳钓和刺网）等方式捕获的个体。研究团队对耳石进行预处理（清洗、树脂包埋、切片以暴露核心）后，利用LA-ICP-MS分析耳石核心区域（定义为从核心中部开始的前300微米）的化学元素组成。最终，在分析的35种元素同位素中，仅有镁（²⁴Mg，简称Mg）、锶（⁸⁸Sr，简称Sr）和钡（¹³⁸Ba，简称Ba）的检出率超过50%且与空间差异相关，因此被用于后续分析。数据标准化为元素与钙的浓度比（mmol·mol^-1）。此外，通过视觉判读耳石切片上的年轮（annuli）并结合Mg浓度变化（首次下降对应第一个冬季）来鉴定年龄，确定了四个样本量较大的队列（cohorts：2006, 2007, 2009, 2010年）进行重点分析。

在数据分析方面，研究人员采用了无监督随机森林（unsupervised random forests）聚类方法，将耳石核心元素指纹相似的个体归类，这些类别被解释为不同的保育来源（natal origins）。利用NbClust R包确定最佳聚类数量。主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）用于可视化不同元素对分类的贡献。采用方差分析（ANOVA）、多元方差分析（MANOVA）或置换多元方差分析（PERMANOVA）评估不同来源之间元素浓度的差异。最后，使用Fisher精确检验（Fisher's exact test）分析保育来源与已知的迁移类型（由早期研究根据整个耳石剖面的化学序列确定）之间是否存在关联。

研究结果

时空变异的耳石核心指纹

对所有样本的耳石核心元素指纹进行无监督聚类分析，确定存在三个最佳的保育来源（Source 1, 2, 3）。主成分分析显示，第一主成分（PC1）主要由Sr和Ba的正相关关系驱动，而第二主成分（PC2）则由Mg驱动。Source 1的Sr和Ba浓度最高，Source 3的Mg浓度较低。这三个来源对整个GSL种群的贡献比例相对均衡，表明在种群尺度上存在高度混合。当按捕获海域分析时，Source 1和2是各海域的主要贡献者，而Source 3未出现在安蒂科斯蒂岛（Anticosti Island）以西和GSL南部的样本中，提示其分布可能具有一定空间特异性。

按队列分析的保育来源

为了控制时间变异的影响，研究人员对2006、2007、2009和2010四个队列分别进行了分析。结果显示，每个队列内部同样可以区分出三个保育来源，但其化学特征（如Sr、Ba、Mg的相对浓度）和空间分布模式在不同年份间存在差异。例如，2006年队列中Source 3的Sr和Ba较高，而2009年队列中Source 3的Mg较高。多元统计分析（PERMANOVA）表明，2006、2007和2009年队列的三个来源之间指纹存在显著差异，但2010年队列的差异不显著。按队列分析时，同一来源的个体在空间上显示出比混合所有年份分析时更强的聚集性，但仍非完全独占某一海域，进一步支持了幼体扩散和后续混合的存在。

迁移类型与其保育来源

关键的分析在于检验个体的保育来源是否决定了其成年后的迁移策略。结果显示，对于所分析的四个队列，Fisher精确检验均未发现保育来源与迁移类型（定居者、年度迁移者、不规则迁移者）之间存在显著关联。这意味着，无论庸鲽个体起源于哪个保育区，它们后来都可能发展出任何一种迁移策略。早期生活史的环境差异（如不同来源的水化学条件）似乎并未设定一个决定其终生迁移行为的“阈值”。

讨论与结论

本研究首次利用耳石核心元素指纹评估了GSL大西洋庸鲽保育区的数量、贡献及其与后续迁移行为的关系。结果表明，GSL庸鲽种群由三个主要的保育来源贡献，这些来源在种群中高度混合。尽管不同来源的耳石核心化学指纹存在显著差异，反映了其早期生活环境中水化学条件（可能受温度、盐度、地理位置等因素影响）的不同，但这种差异并未预测其成年后的迁移策略。

这一发现具有重要意义。首先，它证实了GSL庸鲽种群在早期生活史阶段就存在广泛的连通性（connectivity），幼体从有限的产卵场（可能位于GSL的深水通道）扩散到多个保育区，随后这些来自不同来源的个体在GSL内充分混合。这与该种群缺乏遗传分化的研究结果相一致。其次，迁移策略的独立性表明，庸鲽的 partial migration（部分迁移）现象可能并非由早期起源的环境条件预先决定，而是受其他因素影响，例如个体在幼鱼期的生长状况、能量储备（“阈值模型”），或其他生态因子（捕食压力、种群密度等）。这为了解海洋鱼类复杂生活史策略的成因提供了新的视角。

尽管存在样本量 per cohort 相对较小、无法直接获取幼鱼耳石进行指纹库建立等局限性，但本研究成功地利用耳石化学这一强大工具，揭示了传统调查方法难以触及的庸鲽早期生活史动态。研究结果强调了多个保育区对维持GSL庸鲽种群资源的重要性，为基于生态系统的渔业管理（Ecosystem-Based Fisheries Management, EBFM）提供了科学依据。随着GSL水域温度的持续升高，监测保育来源的稳定性及其对种群补充（recruitment）的影响，对于该珍贵资源在未来气候变化背景下的可持续性至关重要。