耳石形状分析在埃塞俄比亚塔纳湖Labeobarbus属鱼类物种鉴定中的应用潜力

《Journal of Great Lakes Research》：The potential of otolith shape analysis for species identification in Labeobarbus from Lake Tana, Ethiopia

　　

摘要
埃塞俄比亚塔纳湖栖息着一群由Labeobarbus属近缘种组成的特有物种群。仅依据形态特征和分子标记对这些鲤科物种进行划分颇具挑战，但耳石形态可用于物种鉴定。本研究利用描述性特征和二维地标几何形态测量分析，检验了以Asterisci耳石进行塔纳湖Labeobarbus物种划分的辨别潜力。共从12个优势物种中采集了403个标本，并使用扫描电子显微镜成像。利用性状状态变异性和成对分化得分，评估了17个离散特征的辨别能力。其中5个特征表现出最大变异度（1.00）和完全的成对辨别力（1.00）：前缘-吻部、前缘-凹口、背缘-前部、腹缘-一般以及前腹角。相比之下，前缘-反吻、背缘-后部、后背角、后缘和后腹角的辨别力中等，变异度值介于0.75至0.94之间。基于性状的聚类分析识别出六个主要聚类。通过在同一批样本上标记七个地标，开展了几何形态学分析。对Procrustes变换后的数据集进行了主成分分析、典型变量分析和判别函数分析。地标分析结果也显示，大多数研究物种间耳石形状存在显著差异（p<0.001），但并非所有物种都能通过该方法进行区分。本研究首次全面探讨了基于耳石的几何形态测量分析在区分塔纳湖Labeobarbus物种方面的潜力。

引言
鱼类正确鉴定对于实施有效的管理策略至关重要。形态测量和计数特征、遗传分析以及耳石形状都可用于鱼类鉴定。然而，每种方法在时间、成本和人力效率方面各有利弊。例如，遗传分析可提供种间进化关系和遗传多样性的见解，并结合形态学分析能够解释表型特征的模式。然而，遗传方法取决于遗传材料的类型与质量、标记选择、数据库质量以及生物信息学解读。形态测量和计数分析在时间和成本方面效率较高，但表型可塑性可能限制这些方法的适用性。各种图像处理技术的发展推动了形态测量分析从传统方法向基于复杂几何函数分析方法的转变。例如，轮廓分析和地标分析，即几何形态测量分析，目前已广泛应用于渔业、生物学和进化研究。

耳石形态与形态测量学研究在鉴定鱼类生态重要特征、种群鉴定及研究种群结构方面已成为高效手段。耳石是位于硬骨鱼内耳头部区域的钙化小结构，共三对（鞍耳石、球耳石和Asterisci）。耳石形状分析是鉴定鱼类标本的一种替代性、低成本方法，因其具有种特异性形态差异、价格低廉、操作简便且效率相对较高。由于耳石可从常规采样项目中直接获取，无需额外获取成本或人力。基于耳石形状的物种鉴定研究已在多个分类群中开展，如Sillaginidae、Aphaniidae、Macrouridae、Carangidae、Atherinopsidae、Salmonidae和Myctophidae。然而，遗传和环境因素可能导致个体发育过程中耳石形状的差异。影响耳石形状的部分环境因素包括水深和温度、底质类型及摄食习性。除这些挑战外，耳石形状分析在高效、省时省费的物种鉴定方面仍具巨大潜力。耳石的增轮也可提供准确的年龄和生长时效数据。鱼类体长也可根据耳石大小估算，反之亦然。捕食者消化道中的耳石还可用于鉴定猎物种及其大小。此外，耳石的同位素指纹可提供鱼类先前占据水域环境的信息，其化学性质可揭示生活史特征、洄游模式及对环境胁迫的响应。

物种群是指在同一生态系统中共存的一组近缘物种，由适应性辐射形成。塔纳湖是青尼罗河的源头、联合国教科文组织生物圈保护区，也是埃塞俄比亚西北部高原上最大的湖泊。该湖栖息着一群引人注目的鲤科物种群。该物种群由17个大型、具有生态和经济意义的六倍体Labeobarbus属物种组成。这是目前已知唯一保存完好的大型鲤科物种群，因为菲律宾塔纳湖的Barbodes属物种群已因人为活动基本消失。适应性辐射发生的关键生态机制之一是通过营养资源的分割。尽管物种数量较少，塔纳湖物种群已与东非大湖的著名慈鲷辐射进行了比较，即马拉维湖（超过800种）、维多利亚湖（超过500种）和坦噶尼喀湖（超过250种），或与喀麦隆火山口湖中物种较少的辐射进行了比较。

关于Labeobarbus物种群从单一祖先河底肉食性物种辐射形成于该生态系统内的假说认为，该祖先物种常见于埃塞俄比亚高原并沿塔纳湖岸分布，即Labeobarbus intermedius。该物种群被认为在约16,000年前塔纳湖最后一次干涸后演化形成。这意味着该特有种群与维多利亚湖慈鲷群集具有可比年龄。鉴于其较年轻的进化年龄，群组成员在形态上相似并不令人惊讶。然而，Nagelkerke和Sibbing的分类修订识别出可区分各物种的性状，这些性状常具有生态相关性，但在幼鱼中发育不完全，使得使用传统形态学工具进行鉴定较为困难。

由于塔纳湖Labeobarbus物种群具有独特性，已对其生态与经济重要性、繁殖特征、产卵洄游和形态变异进行了多项研究。此外，也有尝试利用分子标记区分各物种，但这些方法似乎缺乏足够的分类学分辨率，尽管共同花园实验已证实该物种群由生物种组成。这表明仍需利用快速进化基因或全基因组分析，进一步研究Labeobarbus spp.的进化多样化、形态分歧与分类学。此类研究尚未开展，尽管它对保护工作至关重要，因为这些物种中许多具有洄游性，其洄游河流正承受人为压力。

本研究检验了Asterisci的形状与特征能否用于区分塔纳湖Labeobarbus物种。Asterisci是三对耳石之一，且在鲤形目中最为发达。本研究同时采用了传统的离散耳石形状参数和基于地标的分析方法。由于Labeobarbus物种在个体发育和生态特征上存在差异，且耳石形状受这些因素决定，我们假设两种方法均可区分各物种，为群组成员的物种地位提供额外证据。此外，耳石的形态测量分析可为区分塔纳湖Labeobarbus物种提供互补的形态学工具。

研究区域描述
本研究在位于埃塞俄比亚西北部高原、贝哈达市以北、海拔1800米的塔纳湖开展。塔纳湖是一个浅湖，最大深度和平均深度分别为14米和9米。该湖充分混合，无温跃层。基于初级生产力数据，该湖为少营养湖，但基于营养盐浓度则为中营养湖（中-少营养）。

鱼类与耳石形态测量分析
线性回归模型（n=403个标本，见表3）显示了鱼体长度与耳石重量、厚度、宽度和面积之间的关系。所有物种中体长与耳石重量的r2值均较高，介于0.91至0.98之间。体长与耳石重量之间的r2值同样较高（r2≥0.91），耳石厚度、宽度和面积之间亦然（r2≥0.98；所有情况p<0.0001）。结果显示最高……

讨论
对形态相似的Labeobarbus spp.进行的几何形态耳石形状分析显示出显著的种间变异，但并非所有物种都能通过该方法进行划分。实际上，所研究的12个物种被聚类为六个显著组群。此外，部分物种间Procrustes和Mahalanobis距离存在显著差异，但这并不意味着所有物种均可被区分。然而，我们的结果总体上与……一致

结论与建议
本研究揭示了耳石几何形态测量分析和特征描述为区分塔纳湖Labeobarbus物种群中的一些类群提供了有前景的见解。建议未来研究在多个采样点使用大样本量的鞍耳石，以比Asterisci更多地生成所鉴定物种的见解。同时，研究生物因子与……之间的关系同样至关重要。

CRediT作者贡献声明
Felegush Erarto：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、方法学、调查研究、概念化。
Minwyelet Mingist：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
Wondie Zelalem：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
Degsera Aemro：撰写——审阅与编辑、概念化。
Mulugeta Kibret：撰写——审阅与编辑、资源、概念化。
Enyew Adgo：撰写——审阅与编辑、资源、经费获取。

伦理声明
最初，提案于2024年3月提交给贝哈达大学研究伦理审查委员会，以获得在塔纳湖采集数据的许可，遵循提案中列出的方法学。委员会在彻底评估提案后，发布了正式函件（RERC参考号：001-2025），授权研究者开始采样。

此外，根据《名古屋议定书》，研究人员获得了将样本从埃塞俄比亚出口至 RBINS 的许可。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。
致谢
作者感谢 Laetitia Despontin 制作的扫描电镜（SEM）图像，感谢 Jeroen Venderickx 在 RBINS 实验室工作期间提供的协助，以及感谢 Binyam Hailu 在物种鉴定期间提供的协助。我们还要感谢 VLIR-UOS 通过机构大学合作（IUC）与埃塞俄比亚巴赫达尔大学提供的财政支持。
Felegush Erarto|Minwyelet Mingist|Wondie Zelalem|Degsera Aemro|Mulugeta Kibret|Enyew Adgo|Elie Verleyen|Kristiaan Hoedemakers|Maarten Van Steenberge|Alain De Vocht
哈瑟尔特大学，环境科学中心，Agoralaan，3590 Diepenbeek，比利时