刺参(Apostichopus japonicus)，又称仿刺参，属棘皮动物门(Echinodermata)、海参纲(Holothuroidea)、楯手目(Aspidochirota)、刺参科(Stichopodidae)，主要分布在北太平洋沿海，包括俄罗斯、日本、朝鲜半岛沿岸，以及我国的辽宁、河北、山东等北方沿海(常亚青等,2004)。刺参具有很高的营养和药用价值，自古以来就被列为我国名贵的海珍品和滋补佳品。我国在20世纪80年代突破了刺参的人工育苗技术(廖玉麟,1986)，随后育苗、养殖技术不断提高。在养殖技术的支撑和市场价格的刺激下，我国刺参的养殖规模和产量在短短20余年内迅速增加。如今，刺参已成为我国最主要的海水养殖种类之一。然而，由于良种缺乏，养殖规模的盲目扩张，导致了养殖刺参品质低下、单位面积产量和产值下降等一系列的问题。

培育出经济性状良好的刺参品种，是提高其养殖效益的重要手段。刺参的体重、体长等生长性状，直接决定了刺参的产量，是刺参最重要的经济性状，也是遗传育种研究最关注的性状(孟思远等,2010; 李云峰等,2009; 常亚青等,2013)。棘数在很大程度上影响了刺参的市场价格(Chang et al,2011)，因此，也成为刺参育种的重要目标性状。刺参的棘数难以准确测量，一方面是因为刺参体表的某一个棘刺，尤其是较小的棘刺能否被计入棘数，受到测量人的主观影响；另一方面，棘刺的发生机制和生长规律尚不清楚，一段时间内棘刺是否生长，会对这段时间内棘数的几次测量值产生影响。Chang等(2011)开发出了一种准确测量刺参棘刺数目的方法，解决了一个棘刺是否能被计入棘数的问题。而针对棘刺生长对棘数测量的影响，则需要多次度量的方法来解决。然而，刺参的棘数需要多少次度量才能保证其遗传评估的准确性至今尚无人研究。在数量遗传学中，重复力可以衡量一个性状在同一个体多次度量值之间的相关程度，已广泛应用于动物繁殖性状(如产奶量、产仔数)、产量性状(如羊绒产量、鹿茸产量)、品质性状(如羊毛细度、羊绒长度)以及植物生产性状的度量次数估计和最大可能生产力(MPPA)估计(张丽等,2008; 耿社民等,1992; 郑兴涛等,1998; 陈清堤,2010; 胡德活等,2004; 王红娟等,2013; 王金良,1989; 孙伟等,2008)。本研究拟通过估计4个刺参群体棘数的重复力，对4个群体刺参棘数的度量次数和MPPA进行比较，旨在为刺参遗传育种提供重要的遗传参数和选种参考依据。

所有刺参苗种(12月龄)取自山东安源水产股份有限公司，共包含4个群体，分别为：韩国刺参自繁群体(KK)、多刺刺参自繁群体(DD)、山东刺参自繁群体(SS)以及三元杂交群体(DK)。其中，KK为韩国刺参(♀)×韩国刺参(♂)后代，DD为“水院1号”群体选择2代刺参(♀)ד水院1号”群体选择2代刺参(♂)后代，SS为山东刺参(♀)×山东刺参(♂)后代，DK 为“水院1号”群体选择2代刺参(♀)×韩国刺参(♂)后代。其中，“水院1号”群体为中国雌刺参与俄罗斯雄刺参杂交获得。

随机从4个刺参群体中各取50头，将每头刺参单独养殖在1层海胆养殖笼内(单层尺寸为41 cm × 35 cm × 11.7 cm，孔径为0.8 cm，每层25只海胆)，海胆笼挂养在室内20 t水泥池内，实验期间不给刺参单独投饵，其主要摄食海胆粪便。所有群体的刺参养殖于同一水体内，每隔3 d 换水1次，每次换水1/2。

实验开始时，测量每个刺参的棘数和体重。棘数测量采用Chang等(2011)测量棘刺的方法，测量完成后，将刺参体表水分吸干，用电子天平(精确到0.01 g)测量体重。实验时间为150 d，共测量5次，测量时间分别为第0、30、60、90、150天(第120天由于海胆饵料缺乏而未进行测量)。

采用组内相关系数法计算刺参棘数的重复力(r_e) (盛志廉等,1999)，计算公式为：

式中，MS_b为组间均方，MS_w为组内均方，二者按表 1所列方差分析求得；K为每个个体的度量次数，n为一个群体中所有刺参的测量次数之和，i为群体内的第i个个体，j为该个体第j次的测量。

表 1(Tab. 1)

表 1 表型方差分析Tab. 1Phenotype variance analysis 变异来源 Source of variation 自由度 Degree of freedom 平方和 Sum of squares 均方 Mean square 期望均方 Expected mean square 个体间 Between individuals $d{f_b} = n - 1$ $S{S_b} = \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{{\left( {\sum\limits_{j = 1}^{{k_i}} {{X_{ij}}} } \right)}_2}}}{{{k_i}}}} - \frac{{{{\left( {\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^{{k_i}} {{X_{ij}}} } } \right)}_2}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{k_i}} }}$ $M{S_b} = \frac{{S{S_b}}}{{d{f_b}}}$ $\hat \sigma _w^2 + {K_{}}\hat \sigma _b^2$ 个体内 Within individuals $d{f_w} = d{f_T} - d{f_b}$ $S{S_w} = S{S_T} - S{S_b}$ $M{S_w} = \frac{{S{S_w}}}{{d{f_w}}}$ $\hat \sigma _w^2$ 总和 Total $d{f_T} = \sum\limits_{i = 1}^n {{k_i}} - 1$ $S{S_T} = \sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^{{k_i}} {X_{ij}^2} } - \frac{{{{\left( {\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^{{k_i}} {{X_{ij}}} } } \right)}_2}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{k_i}} }}$

表 1 表型方差分析 Tab.1 Phenotype variance analysis

采用t检验方法对重复力进行显著性检验：

式中，${V_{({r_e})}}$为重复力方差，K为每个个体的度量次数，n为一个群体中所有刺参的测量次数之和。

采用线性回归方法估计棘数的MPPA (盛志廉等,1999)，其回归方程为：

式中，k为单个个体刺参的度量次数，${\bar P_k}$为k次记录1个刺参个体棘数的平均值，$\bar P$为群体棘数的平均值，b为回归系数。

度量次数与准确度的关系为：

式中，Q为准确度，k为度量次数。

利用SPSS 17.0软件，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，对群体间棘数MPPA的差异显著性进行比较。方差分析前对数据的正态性和方差齐性进行检验，根据方差齐性选择多重比较方法对不同群体间的棘数MPPA进行多重比较。显著性水平设置为P<0.05。

通过所计算出的个体棘数MPPA，利用SPSS 17.0软件计算个体MPPA与其体重的相关系数，显著性水平设置为P<0.05，极显著水平设置为P<0.01。

4个群体刺参体重的表型统计见表 2。从表 2可以看出，4个群体刺参成活率介于64%-84%之间，由于实验在90-120 d内没有海胆饵料，海参没有摄食，故体重减少。4个群体刺参棘数的变化见图 1。由图 1可知，4个群体中，韩国自繁群体刺参的棘数初始值(26)最低，其余3个群体刺参的棘数初始值相近，多刺自繁群体为31个，山东自繁群体和三元杂交群体均为30个。随着实验的进行，4个群体刺参的棘数均呈现先增加后下降的趋势。至实验结束时，4个群体刺参棘数由多到少依次为：韩国自然群体>多刺自繁群体>三元杂交群体>山东自繁群体。

表 2(Tab. 2)

表 2 4 个群体刺参体重的表型统计(平均值±标准差)Tab. 2Phenotype statistics for body weight in four populations (Mean±SD) 项目Items 群体Population 韩国自繁群KK 多刺自繁群体DD 山东自繁群体SS 三元杂交群体DK 初始样本量Initial sample size (ind) 45 50 50 50 终末样本量Final sample size (ind) 32 41 42 32 成活率Survival rate (%) 71 82 84 64 测量次数Measure time 5 5 5 5 初始体重Initial body weight (g) 18.41±8.30 21.52±8.34 28.74±6.57 20.43±9.62 终末体重Final body weight (g) 16.02±8.01 15.36±7.07 19.40±8.63 18.22±9.19

表 2 4 个群体刺参体重的表型统计(平均值±标准差) Tab.2 Phenotype statistics for body weight in four populations (Mean±SD)

图 1(Fig. 1)

图 1 4 个刺参群体的棘数在各月龄的变化水平 Fig.1 Changes in papillae numbers with age in four populations

4个群体刺参棘数的重复力为0.19-0.29，均为低重复力(表 3)。4个群体中，以多刺自繁群体的重复力最高(0.29)，韩国自繁群体重复力最低(0.19)，各群体重复力的标准误差较小，代表性较强，经t检验均达到显著水平。

表 3(Tab. 3)

表 3 4 个刺参群体棘数的重复力Tab. 3Repeatability coefficients for papillae number in four populations 项目 Items 群体 Population 韩国自繁群体 KK 多刺自繁群体 DD 山东自繁群体 SS 三元杂交群体 DK *表示差异达到显著水平(P<0.05) * denoted significant difference (P<0.05) 重复力 re 0.19 0.29 0.2 0.28 标准误 SE 0.07 0.08 0.07 0.07 t检验 t-test 2.60* 3.83* 3.03* 3.82*

表 3 4 个刺参群体棘数的重复力 Tab.3 Repeatability coefficients for papillae number in four populations

方差分析结果显示，4个群体刺参棘数的MPPA差异显著(P<0.05)。由于方差分析未满足齐性要求，故采用Tamhane’s T2检验法对群体间棘数MPPA进行多重比较(图 2)。从图 2可知，多刺自繁群体与山东自繁群体刺参棘数MPPA有显著差异(P<0.05)，其他群体间差异不显著(P>0.05)。

图 2(Fig. 2)

图 2 4 个群体刺参的棘数 MPPA 比较(平均值±标准差) Fig.2 Comparison of MPPA among four populations(Mean±SD)

4个群体刺参棘数测量相对准确度和测量次数之间的关系见表 4。由表 4可知，若要求棘数测量相对准确度超过80%，则KK、DD、SS、DK 4个群体刺参需要度量的次数分别为8、5、8、5次。

表 4(Tab. 4)

表 4 4 个群体刺参度量次数的相对准确度Tab. 4The relative accuracy of measure time in four populations 度量次数 K Measure times 度量次数的相对准确度 Relative accuracy of measure times (%) 韩国自繁群体 KK 多刺自繁群体 DD 山东自繁群体 SS 三元杂交群体 DK 1 43 54 45 53 2 56 67 58 67 3 64 74 66 74 4 69 79 71 78 5 73 82 75 82 6 76 84 78 84 7 79 86 80 86 8 81 87 82 87 9 82 89 84 88 10 84 90 85 89 ∞ 100 100 100 100

表 4 4 个群体刺参度量次数的相对准确度 Tab.4 The relative accuracy of measure time in four populations

4个群体刺参的棘数MPPA与各月龄体重的表型相关系数见表 5。由表 5可知，各群体内刺参的棘数MPPA与体重均呈现显著的正相关。韩国自繁群体和多刺自繁群体 13 月龄体重与棘数 MPPA 相关系数最大，而山东自繁群体和三元杂交群体刺参棘数与 15 月龄时的体重相关系数最大。

表 5(Tab. 5)

表 5 4 个群体刺参的棘数 MPPA 与各月龄体重的相关系数Tab. 5Correlation coefficients between MPPA and body weights in four populations 群体 Population 月龄 Age of month 相关系数 Correlation coefficients 12 13 14 15 17 * 表示在 0.05 水平上显著相关， **表示在 0.01 水平上显著相关 * denoted significant correlation at the 0.05 probability level, ** denoted significant correlation at the 0.01 probability level 韩国自繁群体 KK 0.500** 0.625** 0.605** 0.586** 0.407* 0.407–0.625 多刺自繁群体 DD 0.475** 0.552** 0.538** 0.420** 0.424** 0.420–0.552 山东自繁群体 SS 0.304* 0.360* 0.299* 0.370* 0.168 0.168–0.370 三元杂交群体 DK 0.535** 0.570** 0.556** 0.658** 0.450** 0.450–0.658

表 5 4 个群体刺参的棘数 MPPA 与各月龄体重的相关系数 Tab.5 Correlation coefficients between MPPA and body weights in four populations

本研究所获得的刺参棘数的重复力为0.19-0.29，表明刺参棘数的重复力为低度重复力。重复力体现了各次度量值之间的相关程度，因此可认为，刺参棘数各次度量值之间相关性较低，即个体内各次度量间的方差较大。这一方差可以归结为特殊环境方差。本研究中刺参棘数的特殊环境方差一方面来源于刺参棘数随年龄的增长而产生的变化(图 1)，另一方面来源于棘数测量值的变化。尽管采用Chang等(2011)的测量方法(肉刺长度/体长>0.05认定为刺)，消除了测量人的主观影响，但由于刺参体长与棘刺长度均在变化，某些处于判定边缘的棘刺可能会出现本次测量被认定是棘而下次测量被认定不是棘的情况。重复力是遗传力的上限，因此，4个群体刺参棘数的遗传力最高应该不超过0.29。孟思远等(2010)估计了刺参幼参阶段棘数的遗传力，认为3-4月龄刺参棘数的遗传力在0.19-0.40之间。其上限略高于本研究所估计的重复力值，这可能是不同群体的遗传基础不同所致。相对于刺参的低度重复力，一些动物性状如鹿茸重、精子密度与精液存活指数、产仔日期等和植物性状如树高与冠幅、木材的密度、株高、基径、生长节数等的重复力均为高度重复力(张丽等,2008; 耿社民等,1992; 郑兴涛等,1998; 陈清堤,2010; 胡德活等,2004)。高度重复力减少了这些物种性状的测量次数，有的性状仅需1次测量即可评定个体的生产性能。

对低重复力的性状进行遗传评估，应该增加测量次数以提高评估准确性。由于本研究棘数的重复力较低，对刺参棘数的评定应以多次测量为准。本研究进一步计算了不同准确性要求下，刺参棘数需要测量的次数。若要达到80%的准确性，对刺参棘数的度量次数应该达到5-8次，而若要达到90%的准确性，则度量次数应超过10次。群体重复力越低，所需的度量次数就越多，这与王金良(1989)的研究结果一致。根据重复力计算个体的MPPA可用于对个体的遗传评定，作为选种的依据(孙伟等,2008)。通过计算刺参个体棘数的MPPA，本研究进一步计算了刺参棘数MPPA与各月龄体重之间的表型相关系数。刺参的棘数与其体重呈现显著的正相关，这说明所选取的4个群体从表型上看，体重越大的刺参可能具有更多的棘刺。在一定程度上表明，刺参的棘数可能会随着年龄和体重的增长而增加。本结论对于通过体重间接选择棘数有一定的指导意义。

本研究所选的4个刺参群体是以棘数为主要目标性状进行育种的基础群体。多刺自繁群体是以大连海洋大学培育出的国审新品种“水院1号”多刺刺参为基础群体，经2代群体选育得到的第3代育种群体。该群体刺参棘数重复力最高，接近中等重复力，表明该群体刺参的棘数不易受到特殊环境的影响，具有更高的遗传力。另外，该群体的重复力较高也可能与该群体刺参的棘刺较长、容易辨别有关。三元杂交群体是以“水院1号”多刺刺参选育第2代为母本、韩国刺参为父本进行杂交而得到的后代育种群体。从多次测量的平均值来看，韩国自繁群体刺参较多刺自繁群体具有更多的棘数，而三元杂交群体刺参的棘数与多刺自繁群体相差不多(图 1)，这表明三元杂交群体并未获得棘数上的杂种优势。然而，三元杂交群体较韩国自繁群体具有更高的棘数重复力和MPPA，其棘数与体重的表型相关系数也高于2个自繁群体。其原因可能与2个群体刺参棘刺的形态有关，韩国群体刺参棘刺数量较多，但较细小，不易辨别，而多刺自繁群体刺参棘刺较粗大，容易辨别，二者杂交后代的棘刺在性状上较韩国群体更粗大。因此，本研究认为，三元杂交群体在棘数重复力和MPPA上具备杂种优势。多刺自繁群体和三元杂交群体由于具有更高的重复力，经过5次测量选种准确率就可达到80%以上。因此，在选育潜力上和性状测量方面较另外2个群体更具有优势。综合以上原因，应该将多刺自繁群体和三元杂交群体作为重点群体，对棘数进行进一步选育。