量化三刺鱼 Gasterosteus aculeatus L.（鲈形目：刺鱼科）体色用于种群分析：方法开发与验证

《Hydrobiology》：Quantifying Threespine Stickleback Gasterosteus aculeatus L. (Perciformes: Gasterosteidae) Coloration for Population Analysis: Method Development and Validation

　　

鱼类体色在繁殖与伪装中发挥重要作用，但在野外条件下获取体色变异依然困难。研究人员提出一种标准化、半自动化的方案，用于测量常用模式鱼三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）的体色。个体在捕获后数分钟内于受控光箱内摄影，并在基于人类感知的CIELAB色彩空间中，从八个解剖学定义的标准化位点采样颜色。分析整合单变量颜色指标、多变量统计和ΔE^*感知差异指数，以检测色相与亮度的细微变化。在产卵前鱼体上的验证表明，该方法能在完全繁殖色形成之前可靠区分雄性与雌性。虽然目前未涵盖紫外信号和精细斑纹，但该方法可高效扩展至大样本量及变化光照条件，因此非常适合三刺鱼伪装动态、性别二态性以及环境因素对体色影响的种群水平调查。

鱼类体色在繁殖与伪装中具有重要生态和进化意义，三刺鱼（Gasterosteus aculeatus L.）是行为与进化生物学中常用的模式物种。繁殖期雄性会出现红色喉部、蓝色虹膜等婚配体色（nuptial coloration），雌性则多为隐蔽色，但种群内常同时存在微弱产前色、隐配色和亮繁殖色。已有方法如目视分级、RGB红色指数或光谱法难以在大规模野外样本中同时捕捉这些复杂变异。白海繁殖场三刺鱼密度极高，个体间激素状态差异和巢位竞争进一步加剧体色分化，因此需要一种可扩展、标准化的体色量化技术。该研究发表于《Hydrobiology》，旨在开发并验证一套适合种群分析的三刺鱼体色半自动量化方法，用于追踪繁殖季个体与性别间的颜色变化。

研究人员在俄罗斯白海坎达拉克沙湾的“Belomorskaia”科考站开展实验。2021年6月5日捕获约1100尾三刺鱼，在无繁殖基质的水池中于约12°C极昼条件下饲养11天后，随机选取34尾雌鱼和17尾雄鱼作为实验数据集；2023年6月4日另采集30尾雌鱼和30尾雄鱼野生鱼作为野外数据集。所有个体均在捕获后1–2分钟内于受控光箱内拍照，使用Datacolor SpyderCheckr24色卡进行颜色校正。图像经ImageJ及micaToolbox插件处理，在CIELAB色彩空间中提取八个解剖学定义标准位点（standard site，SS）的L^*、a^*、b^*值，并用ΔE^*色素指数、主成分分析（principal component analysis，PCA）以及t检验或Mann-Whitney检验进行统计比较。

主要结果如下：

3.1 标准位点选择与体色描述。根据体色强度变异、繁殖期雄性体色变异、两性差异、二维图像适用性及操作可行性五项标准，选定8个SS。其中SS1–SS3和SS8代表隐配色相关位点，SS4–SS7代表性别相关位点。

3.2 亮度（L^*）。实验鱼中雌性整体亮度高于雄性，最暗位点为背部SS1和虹膜SS6、SS7；野外鱼中，雄性虹膜明显更暗，两性在隐配色与性别相关位点间未呈现一致模式。

3.3 绿-红轴（a^*）。实验雌性在虹膜、鳃盖和前鳃盖等位点偏品红，雄性身体前部偏绿；除SS1外，各SS均存在显著性别差异。野外数据中雄性整体更绿，隐配色位点平均值均低于零。

3.4 蓝-黄轴（b^*）。两性多数SS均偏黄，但实验雄性虹膜接近中性灰甚至偏蓝；野外鱼两性均以黄色为主。实验数据在SS2、SS3、SS4、SS5、SS6，野外数据在SS1、SS3、SS4、SS5存在显著性别差异。

3.5 主成分分析。基于8个SS共24个颜色变量，PC1解释26.1%变异，PC2解释22.0%，PC3解释14.7%；a^*主要负载在PC1，b^*主要负载在PC2，L^*主要负载在PC3。两数据集中雌雄个体沿PC1和PC2显著分离，实验数据在PC3也显示性别差异。

3.6 色素指数（ΔE^*）。雌雄比较显示多数SS平均ΔE^*超过10个单位；实验鱼在后体SS2、SS4和虹膜SS6、SS7差异最大，野外鱼虹膜差异最高，其次为SS2、SS4、SS8。雌性和雄性组内比较也显示较高个体变异，尤其SS4、SS5、SS7。

讨论部分指出，拍摄时机对减少鱼类快速伪装应答至关重要，因此将捕获至拍摄间隔控制在1–2分钟。方法可检测到约9–10个ΔE^*单位的性别平均差异，低于人眼约2.3单位的最小可觉差，但分轴色度检测阈值可达3–6单位。研究人员将婚配色作为基准，SS4–SS7覆盖婚配相关区域，SS1–SS3和SS8覆盖隐配色区域。在产验证中，实验鱼整体更暗、雄性虹膜略绿，提示产卵准备状态推进；SS4、SS6、SS7在产前已显示较大性别差异，SS5尚未出现雄鱼典型红色；雌鱼在SS4和SS5偏黄或品红，与典型繁殖色方向相反。虹膜颜色是较早出现的性二态特征。隐配色位点差异较弱，雌鱼体色与植被和底栖基质环境相符。方法局限包括：基于人类视觉的CIELAB色彩空间未包含三刺鱼可感知的紫外信号；固定且较大的SS无法分析精细条纹等斑纹模式；手动放置解剖学地标可能引入观察者偏差。

结论：研究人员开发并验证了一种半自动化的三刺鱼体色量化方法。通过捕获后快速拍照结合8个标准位点的CIELAB测量，该方法能可靠检测性别间总体色差和色度差；在每性别20–30尾样本中即可检出差异，尽管性别间存在一定重叠。方法在实验鱼和野生鱼中均得到验证，可跟踪与产卵准备相关的体色变化，如整体变暗和雄性虹膜转绿。尽管存在上述局限，该方法仍为野外条件下标准化、定量分析鱼类体色提供了可行框架，可用于伪装动态、婚配色发育和性二态研究，并有望推广至其他鱼类。