大西洋和地中海大眼牙鲷（*Dentex macrophthalmus*）耳石形状揭示的区域表型分化

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Otolith shape reveals regional phenotypic differentiation in Dentex macrophthalmus across the Atlantic and Mediterranean

　　

解析种群结构对于可持续渔业管理至关重要，然而在许多广泛分布的底层鱼类中，区域表型分化仍知之甚少。本研究利用耳石轮廓形状，检测了横跨东大西洋和地中海的四个区域（佛得角、毛里塔尼亚、几内亚比绍和希腊）中大眼牙鲷（*Dentex macrophthalmus*）的表型变异。研究人员分析了来自幼鱼和成鱼的共662对矢耳石，采用基于小波的形状描述符、多元排序和人工神经网络分类。两个生命阶段的耳石形状在区域间均存在显著差异，表明分化在幼鱼和成鱼中独立检测到。在幼鱼中，形状变异主要由吻突和反吻突发育、切迹深度以及背腹扩张的差异驱动。在成鱼中，区域样本间的差异更强烈地通过吻突形态以及背缘和后腹缘的变异表现出来。总体分类准确率在幼鱼中达到75.2%，在成鱼中为73.4%。最清晰的广泛尺度模式涉及地中海与大西洋样本之间的对比，尽管大西洋各地点间保留了实质性的异质性。由于各区域的采样年份不同，观察到的模式可能同时反映了空间和时间变异。环境因素（包括温度）也可能有贡献，但未直接测试。总之，结果表明耳石轮廓形状是区分*D. macrophthalmus*区域样本的有用表型标记，并为种群身份和连通性的整合研究提供了基础。

**论文解读：基于耳石轮廓形状的大眼牙鲷区域表型分化研究**

**研究背景与问题**

渔业资源为全球食物供应、就业和收入做出重要贡献，但许多鱼类种群正面临过度开发和环境变化的压力，长期可持续性令人担忧。有效的渔业管理不仅依赖于调控捕捞努力量，还依赖于正确识别被收获的生物单元。因此，种群识别是渔业科学的核心问题，因为界限不清的种群可能掩盖种群边界、掩盖局部衰退并增加过度开发风险。可靠的种群间区分对于资源评估、保护和渔业资源的可持续利用至关重要。

在可用于此目的的表型标记中，耳石（otolith）特别有价值，因为它们终生生长并整合了与年龄、生长、栖息地利用和环境历史相关的信号。矢耳石（sagittal otolith）形状分析已被证明可用于多种分类群的种群区分和物种鉴定，并有助于解决形态相似或隐蔽类群的分类不确定性。基于小波的方法具有重要优势，因为它们能捕捉局部尺度的轮廓变异，并允许将差异与耳石生物学上有意义的区域（如吻突（rostrum）、反吻突（antirostrum）、切迹（notch）以及背缘和腹缘）联系起来。

大眼牙鲷（*Dentex macrophthalmus*）是一种广泛分布于东大西洋和地中海的底层鲷科鱼类，栖息于大陆架和上斜坡环境，深度范围从30至500米不等。尽管其分布广泛且具有渔业重要性，但关于*D. macrophthalmus*的知识仍然零散，主要集中在局部生物学方面，如年龄与生长、繁殖、食性、寄生虫发生和形态测量学特征。然而，关于该物种整个分布范围内种群或种群结构的信息仍然匮乏，这是一个显著的知识空白，因为先前的工作已强调种群识别是未来管理的必要步骤。特别缺乏在广泛区域尺度上的比较表型分析，尽管耳石形态学具有提供种群分化实用第一线证据的潜力。

通过同时包括幼鱼和成鱼，本研究检验了耳石形状的区域分化是否在生命早期出现并贯穿个体发育持续存在，认识到形态在发育过程中发生变化，仅分析成鱼可能忽略早期表型信号。研究人员预期耳石形状在区域间存在差异，并且区域信号足够一致，以实现幼鱼和成鱼中基于表型的准确分类。具体目标包括：（1）评估采样区域内和区域间耳石形态型的空间变异性，并评估耳石形态区分不同区域鱼类的程度，分别考虑幼鱼和成鱼；（2）描述采样区域深度处的广泛温度背景，并讨论观察到的耳石形状变异模式是否可基于这些环境差异进行解释。

**主要技术方法**

研究人员从东大西洋和地中海的四个区域共采集了662尾*Dentex macrophthalmus*标本，包括佛得角群岛（n=311，2011-2012年）、希腊帕加西蒂科斯湾（n=210，2024年）、几内亚比绍（n=125，2002-2003年）和毛里塔尼亚（n=16，2011年）。提取矢耳石后，通过164 mm总长（TL）阈值将个体分类为幼鱼（<164 mm TL）或成鱼（≥164 mm TL）。采用基于小波的轮廓分析方法：将耳石轮廓数字化为512个等距笛卡尔坐标，使用冗余à trous多尺度变换和对称B3样条小波分解为9个空间尺度，保留第4小波级（wavelet level 4）的512个系数作为轮廓描述符。统计分析包括冗余分析（RDA）去除耳石长度（OL）的异速生长效应，主成分分析（PCA）降维，置换多元方差分析（PERMANOVA）检验区域间差异，以及使用前馈多层感知器（MLP）人工神经网络进行种群分类，幼鱼采用留一法交叉验证（LOOCV）并应用合成少数过采样技术（SMOTE）处理不平衡样本，成鱼采用四折交叉验证重复100次。

**研究结果**

**3.1 耳石长度与形状变异**
耳石长度在幼鱼和成鱼中均与512个小波系数显著相关，分别解释了6.23%和1.51%的形状变异。去除线性成分后，PCA揭示了多维形状变异结构。

**3.2 主成分分析**
幼鱼的前10个主成分累计解释72.9%方差，前两个轴（PC1 24.4%，PC2 11.3%）主要反映吻突形态、耳石宽度和切迹深度差异。成鱼的前13个主成分累计解释76.54%方差，前两个轴（PC1 15.18%，PC2 10.42%）描述整体形状变异，特别是腹区和后区发育以及背缘和后腹缘形态。

**3.3 区域间差异检验**
PERMANOVA显示幼鱼（F_2,219=4.6008，R²=0.0403，p=0.0001）和成鱼（F_2,437=8.1828，R²=0.0361，p=0.0001）中区域间耳石形状存在显著总体差异。成鱼所有区域配对比较均显著（校正后p=0.0001）；幼鱼中佛得角与希腊和毛里塔尼亚显著不同，而毛里塔尼亚与希腊无显著差异。

**3.4 轮廓差异特征**
小波分解和重建轮廓显示，幼鱼区域差异主要源于吻突和反吻突发育、切迹深度和后腹区角度。希腊幼鱼耳石呈背腹扩张、反吻突几乎缺失、切迹浅、吻突较圆钝、后腹缘更棱角；毛里塔尼亚幼鱼相反，吻突更细长尖锐、切迹深、反吻突更发达；佛得角介于两者之间。成鱼中，希腊以吻突不突出为特征，佛得角和几内亚比绍吻突更发达；反吻突在所有区域均弱表达或近乎缺失；希腊耳石后背缘更棱角，佛得角和几内亚比绍背缘更不规则。

**3.5 分类准确率**
最优幼鱼MLP模型（10个输入PC，32个隐藏单元）交叉验证准确率为75.2%（κ=0.50），佛得角分类成功率为86.9%，希腊63.8%，毛里塔尼亚25.0%。最优成鱼MLP模型（13个PC，362个隐藏单元）多数投票聚合后准确率为73.4%（95% CI 69.0–77.5%），佛得角77.6%，希腊85.1%，几内亚比绍54.4%。

**讨论与结论**

本研究检测到*Dentex macrophthalmus*在东大西洋和地中海采样区域间耳石轮廓形状的显著总体差异，幼鱼和成鱼分类准确率分别为75.2%和73.4%。主要差异集中在吻突、反吻突、切迹以及背缘和后腹缘区域。幼鱼变异主要由吻突和反吻突发育、切迹深度和背腹扩张驱动，而成鱼差异更多体现在吻突形态以及背缘和后腹缘形态。这些模式表明耳石形状是*D. macrophthalmus*区域时空分化的敏感表型标记。由于非同期采样设计，无法区分地理和时间变异的相对贡献。

最清晰的广泛尺度模式涉及地中海样本（希腊）与大西洋样本的对比，但大西洋样本内部并非均质。希腊样本通常表现出较不突出的吻突和更光滑、更棱角的背缘，而大西洋样本吻突更发达、背缘更不规则，佛得角常处于中间位置。这种地中海-大西洋对比与先前对*Dentex dentex*的研究一致。环境差异（尤其是温度）可能促成了这种模式，但本研究未建立因果关系。

关键局限性在于采样区域非同期（几内亚比绍2002-2003年，毛里塔尼亚2011年，佛得角2011-2012年，希腊2024年），地理和采样时间部分混淆。因此，观察到的差异应解释为区域样本间的时空表型分化，而非离散空间种群的确定证据。尽管通过生命阶段分层、耳石长度统计校正和成鱼共同耳石长度范围限制处理了大小和个体发育效应，但幼鱼和成鱼分类基于大小阈值而非直接性腺成熟度评估，存在一定不确定性。

从渔业角度看，耳石轮廓形状揭示的区域分化表明该标记可区分区域样本，但本身不建立地理上不同的表型或管理单元。未来研究应结合遗传学、耳石化学和生活史数据等互补方法，以确定观察到的表型差异是否对应于离散种群、环境结构化的临时群体、时间变异或其组合。

总之，本研究展示了耳石轮廓分析是检测*Dentex macrophthalmus*在广泛地理范围内区域表型分化的有用方法。通过结合基于小波的形态测量、多元分析和机器学习分类，幼鱼和成鱼的区域样本差异均被检测到。结果进一步表明地中海样本与大西洋样本存在广泛对比，而大西洋成分内部保留有意义的异质性。这些发现强化了耳石表型标记在渔业科学中的价值，并为该商业相关鲷科鱼类的连通性、种群身份和管理的未来整合研究提供了有用基础，但本身不建立连通性模式或种群边界。