濒危淡水龟Mauremys reevesii（Gray 1831）圈养种群中的年龄结构、性别二态性及发育过程中的黑色素沉着现象

《Ecology and Evolution》：Age Structure, Sexual Dimorphism, and Ontogenetic Melanism in a Captive Population of the Endangered Freshwater Turtle Mauremys reevesii (Gray 1831)

　　**摘要**

动物种群的年龄结构在理解其人口动态和繁殖潜力方面起着关键作用。尽管壳环生长分析被广泛用于估计龟类的年龄，但环境变化往往会导致不规则的生长模式，这可能会影响该方法的准确性。尽管基于准确确定年龄的研究非常重要，尤其是在处理脆弱种群时，但此类研究仍然有限。本研究调查了131只已知年龄的濒危淡水龟类Mauremys reevesii的体型分布和黑色素沉着情况。雌性的平均年龄为9.4±3.9岁（最大16岁），雄性为5.5±1.8岁（最大12岁），表明雌性的寿命比雄性更长。雌性体型显著大于雄性，生长速度较慢，但最终体型更大，显示出雌性偏向的性别体型二态性。从3岁开始可以区分性别。黑色素沉着仅出现在雄性中，首次观察到是在4岁时，其发展顺序为眼睛、爪子、皮肤和壳。雄性M. reevesii的黑色素沉着阶段显著受年龄影响，而非体型。这些发现提供了关于这一极度濒危物种生长和黑色素沉着的第一个详细年龄数据集。本研究为更准确的人口评估和有针对性的保护策略的开发提供了科学依据，同时有助于弥合野生种群和圈养种群之间的差距。

**1 引言**

全面了解种群结构对于评估物种分布和数量的历史和当代变化以及短期人口波动至关重要（DeSante等人2001；Schowalter 2022）。这样的见解有助于评估物种对环境干扰的脆弱性，提供生态健康和群体动态的指标，并为基于证据的保护策略的发展提供信息（Beddington 1974；Roden等人2013；Pongsanarm等人2025）。可靠的种群数据还允许更准确地估计关键的人口参数，如最小可行种群规模和有效性别比例，从而促进人工繁殖计划的更有效规划和管理（Browne和Hecnar 2007；Armstrong和Seddon 2008；Pilcher等人2015）。在描述种群结构的参数中，年龄组成对于阐明人口过程特别有信息量，包括种群规模的变化、生长率和总体人口稳定性（Coulson等人2001；Hohn 2009；Pilcher等人2015；Hoy等人2020）。例如，性成熟年龄是个体繁殖潜力的关键决定因素，并强烈影响种群的内在生长率（Heppell等人2000；Oli和Dobson 2003；Hutchings等人2012）。然而，在野生种群中获得精确的年龄估计仍然是一个主要的方法学挑战，特别是对于长寿物种（Hohn 2009）。已经开发了多种年龄测定方法来反映不同动物群体的特定生物学特征。常见的例子包括分析哺乳动物牙齿的年生长环（Veiberg等人2020）、两栖动物趾骨的增量线（Sinsch 2015）和鱼类的耳石层（Vitale等人2019）。在龟类（Testudines）中，一种广泛采用的方法是检查壳环生长与体型之间的关系（Cagle 1950；Sexton 1959；Bernstein等人2018）。这种方法已被证明对年龄估计有效，尤其是在较年轻的个体中（Sexton 1959；Germano 1988；Jung等人2016）。此外，壳环分析不仅可以提供个体或种群的年龄信息，还可以提供圈养和野生种群中与年龄相关的体型分布和性别比例信息（Takenaka和Hasegawa 2001；Jung等人2016）。然而，这种技术的可靠性仍有争议（Wilson等人2003），因为其准确性可能受到物种特定生长变化、个体生理差异以及野生种群所经历的环境条件的影响（Cagle 1950；Brooks等人1997；Germano和Bury 2009；Skorczewski和Andersen 2021）。这些因素引入了生长模式的变异性，从而使得精确年龄估计变得复杂。黑色素沉着定义为由于色素在皮肤中的积累而表现出的黑色表型，已在广泛的动物类群中得到记录（Tucker等人1995；Majerus和Mundy 2003；Bury等人2020）。这种颜色变化已在几种龟类物种中观察到，包括全球入侵物种红耳滑龟（Trachemys scripta elegans）和濒危的Reeves龟（Mauremys reevesii）（Yabe 1994；Tucker等人1995）。值得注意的是，据报道黑色素沉着的个体能够达到性成熟并表现出繁殖能力，这表明黑色素沉着可能与个体发育有关（Lovich等人1990；Tucker等人1995）。然而，目前尚不清楚龟类的黑色素沉着程度主要是与 chronological age、身体生长还是两者的结合有关。Mauremys reevesii主要分布在朝鲜半岛和中国（Lovich等人2011）。这种淡水龟目前被IUCN红色名录列为濒危物种（EN A2bcd+4bcd）（Van Dijk 2011）。种群数量下降主要是由于传统医药的过度利用、栖息地的大规模退化以及环境污染的增加（Lovich等人2011；Bu等人2022）。在全球范围内，M. reevesii经历了严重的人口缩减，接近灭绝水平，这导致了其当前的保护状况（Van Dijk 2011）。在韩国，该物种还被列为二级濒危野生动物，并被指定为自然纪念碑第453号，强调了其紧迫的保护需求（国家生物资源研究所2019）。然而，缺乏基本的人口信息——如可靠的人口规模估计和详细的人口结构评估——仍然是有效管理和恢复计划的主要限制。这种知识缺陷阻碍了基于证据的保护策略的发展，并限制了准确评估种群生存能力的能力。在这项研究中，我们通过量化年龄、性别、体型和黑色素沉着的进展来检查圈养M. reevesii种群的结构。我们的研究基于一个所有个体年龄都已知并在受控条件下饲养的圈养群体，从而生成了可靠的基线生长数据。在已知年龄下获得的测量数据减少了野生种群年龄估计的不确定性，并为形态测量特征和个体发育变化的分析提供了坚实的基础（Heppell等人2000；Hohn 2009；Glen等人2025）。因此，我们比较了不同性别的形态测量特征，并评估了年龄和体型对黑色素沉着发展的相对影响。这些发现补充了以往主要关注野生种群的研究，为理解该物种的形态和发育模式提供了必要的基线数据。

**2 材料与方法**

2.1 龟类的饲养

自2004年以来，位于韩国京畿道果川市的首尔大公园动物园实施了保护管理策略，并制定了异地繁殖方案，以支持其圈养繁殖计划中的M. reevesii种群增长（韩国国家公园服务2012；Jo等人2019）。该项目始于从野外收集并由市民捐赠的个体，到2011年，繁殖设施中维持了19只雌性和7只雄性M. reevesii。这些龟类在受控条件下饲养，并每周喂食三次主要由鳅鱼（Cobitidae科）和商业配制的龟饲料（韩国国家公园服务2012）。孵化后，记录了每个新生儿的出生年份，并为每个个体分配了一个唯一的字母数字标识符，以便进行纵向监测和系统数据收集。尽管建立了管理方案，但从2010年到2013年，繁殖成功率大幅下降，导致这一时期几乎没有或没有成功的孵化个体。

2.2 数据收集

2020年6月28日，我们对首尔大公园动物园的M. reevesii种群进行了调查，其中包括92只雌性、37只雄性和2只幼体。记录了每个个体的年龄、性别、形态测量参数和黑色素沉着的程度。年龄测定基于动物园自2005年以来的出生和生长记录，确保了圈养繁殖计划中孵化的个体的年龄信息准确。通过捐赠或救援操作获得的个体因缺乏可靠的年龄信息而被排除在外。M. reevesii的性别是通过泄殖腔位置确定的，这是龟类中公认的次级性特征。雌性的泄殖腔位于腹甲的后端附近，而雄性的泄殖腔则延伸到背甲的后缘，并伴有更长更粗的尾巴（Lovich等人2011）。使用数字卡尺（型号500-193-30，Mitutoyo，日本）和电子秤（型号WK-4CII，CAS，中国）分别测量了背甲长度（SCL）和体重（BW）。黑色素沉着的特点是在不同身体区域可见的明显色素变化。在先前的研究中，M. reevesii的黑色素沉着被分为三个发育阶段：（1）前黑色素沉着期（非黑色素沉着），（2）亚黑色素沉着期，和（3）黑色素沉着期（Yabe 1994）。我们观察到M. reevesii的黑色素沉着并不是同时在所有身体区域发生的。因此，我们根据特定身体部位的色素变化模式和进展记录了黑色素沉着的程度。我们将黑色素沉着分为五个阶段：（0）非黑色素沉着，（1）眼睛中的黑色素沉着，（2）眼睛和爪子中的黑色素沉着，（3）眼睛、爪子和皮肤中的黑色素沉着，以及（4）黑色素沉着扩展到眼睛、爪子、皮肤、背甲和腹甲（图1，表1）。每个阶段的详细标准如下：在阶段1，浅黄色的虹膜变暗为黑色，使瞳孔和虹膜无法区分；在阶段2，前爪和后爪变黑；在阶段3，头部和颈部的亮黄色图案逐渐消失，皮肤变暗；在阶段4，棕色的背甲和腹甲完全黑色素沉着，呈现完全黑色。

本研究得到了首尔动物园科学研究委员会（SZSRC 2020-007）的批准。我们遵循了ARRIVE指南中规定的建议，所有其他方法均按照相关当局制定的指南和规定进行。

2.3 数据分析

使用Levene检验评估了性别间年龄和体型的方差同质性。由于违反了同方差性假设，后续分析采用了非参数方法。使用Wilcoxon秩和检验分析了性别间的年龄差异。通过控制年龄效应，使用Quade的非参数ANCOVA比较了性别间的形态测量变量，以评估性别体型二态性。使用von Bertalanffy生长函数（VBGF）对SCL的年龄特异性生长进行了建模：其中代表渐近SCL，k是生长系数，t0是零长度时的理论年龄（Von Bertalanffy 1938）。该模型分别针对雌性（n=92，年龄范围：3-16岁）和雄性（n=37，年龄范围：3-12岁）进行了非线性回归拟合。由于样本量小，幼体（n=2）被排除在模型拟合之外。初始参数值设定为雌性=250毫米，雄性=130毫米，k=0.3年^-1，t0=0，基于该物种观察到的最大背甲长度的大约1.1-1.3倍。参数范围被限制在生物学上合理的范围内（雌性：200-350毫米，雄性：100-200毫米；k>0.01年^-1；t0：-5至+2年），基于先前关于该物种的研究值（Yabe 1994；Kang等人2025）。使用决定系数R2=1-Σ(yi-?i)^2/Σ(yi-?)^2来评估模型拟合度。由于黑色素沉着阶段是顺序且单向发展的，因此使用序数回归来检查年龄和体型对黑色素沉着进展的影响。使用方差膨胀因子（VIF）值评估了独立变量之间的潜在多重共线性；由于所有VIF值均低于7，因此没有变量被排除。由于性别不确定，幼体被从分析中省略。所有统计分析均使用SPSS Statistics版本26（IBM，美国）进行，显著性水平（α）设定为0.05。

**3 结果**

3.1 年龄结构

首尔大公园动物园的雌性平均年龄为9.4±3.9岁（n=92），显著高于雄性（n=37；5.5±1.8岁）（Wilcoxon W=1327.0，Z=-5.743，p<0.001）。记录的最大年龄分别为雌性的16岁和雄性的12岁。两只幼体（n=2）的年龄分别为1岁和2岁，性别在3岁时可以区分。

3.2 体型和性别体型二态性

雌性的平均SCL为134.5±3.3毫米（n=92），雄性为97.3±2.1毫米（n=37），幼体为47.4±9.7毫米（n=2）（图2，表2）。此外，雌性的平均体重为559.5±35.2克，雄性为196.8±10.7克，幼体为16.7±2.7克（图2，表2）。图2在图形查看器中打开。

表2. 朝鲜大公园动物园中Mauremys reevesii的直甲壳长度（SCL，上图）和体重（BW，下图）的描述性统计。按性别划分的直甲壳长度（SCL）和体重（BW）的参数：

| 性别 | 个体数（n） | SCL（毫米） | BW（克） |
|------|---------|---------|---------|
| 雌性 | 92 | 134.5±3.3 | 559.5±35.2 |
| 雄性 | 37 | 97.3±2.1 | 196.8±10.7 |
| 幼体 | 2 | 47.4±9.7 | 16.7±2.7 |

注：数值以平均值±标准差表示，范围（最小值–最大值）用括号标出。在SCL和BW上均表现出性别大小二态性。控制年龄后，Quade的非参数ANCOVA显示性别之间存在显著差异（SCL：F(1, 127) = 11.458, p = 0.001；BW：F(1, 127) = 5.355, p = 0.022），雌性的数值大于雄性（平均排名：SCL，雌性=71.8，雄性=48.1；BW，雌性=69.8，雄性=53.2）。

3.3 年龄特异性生长模式

使用von Bertalanffy生长函数（VBGF）分别对每个性别进行描述，结果显示雌性的最终甲壳长度（= 227.3±36.1毫米，k = 0.085±0.036年^-1，t0 = -1.74±1.60年，R2 = 0.813）大于雄性（= 126.9±13.8毫米，k = 0.221±0.101年^-1，t0 = -1.43±1.36年，R2 = 0.725）。这表明雌性生长速度较慢，但最终体型更大（图3）。

3.4 黑色素沉着的发展

在37只雄性个体中观察到28只出现黑色素沉着现象，而雌性中没有发现黑色素沉着。黑色素沉着的最初迹象出现在孵化后第四年（图4）。因此，4至5岁的个体表现出第一阶段的黑色素沉着，特征是眼睛有孤立色素沉着；而从6岁开始，所有阶段（1至4）的黑色素沉着都被观察到（图4）。

4 讨论

本研究中的M. reevesii圈养种群在发育和黑色素沉着阶段上与先前记录的野生种群存在差异（Yabe 1994；Takenaka和Hasegawa 2001；Saka等人2014）。具体来说，圈养种群中雄性个体的黑色素沉着开始于孵化后4年，而野生种群则是在6年（Yabe 1994）。这些差异可能由多种因素造成。首先，圈养条件下的人工优化可能促进性成熟提前，并改变与野生个体相比的发育轨迹。其次，年龄估计方法的可能不准确性也可能导致估计年龄与实际年龄之间的差异。圈养环境与自然栖息地不同，可能导致发育提前并加速黑色素沉着过程。包括朝鲜大公园动物园在内的异地繁殖设施通常提供营养丰富的饮食，其营养质量超过野外食物资源（韩国国家公园服务局2012；Jayson等人2018；Hopkins III等人2022）。这种增强的营养供应可能促进更早的发育，尤其是在性成熟方面（Swingle等人1993；Meers等人2016）。此外，圈养环境中较高的种群密度和增加的繁殖竞争也可能影响发育时间（Cureton II等人2010；Jones等人2019）。特别是，激烈的繁殖竞争可能促使雄性更早出现黑色素沉着，因为黑色素沉着被认为与繁殖能力有关（Cagle 1950）。这种加速的发育可能与权衡有关，包括最终体型的减小（Lovich等人1990；Ford和Seigel 1994；Bury等人2020）。总之，圈养环境的独特营养和社会条件可能共同促进了M. reevesii的性成熟和黑色素沉着的提前，从而导致与野生种群在发育速度、体色和形态上的差异。然而，我们的数据并未直接证明这些机制，需要在未来的研究中进行验证。此外，特定体型下实际年龄与先前估计年龄之间的差异可能是由于年龄估计方法上的局限性和个体生长模式的差异所致。与之前通过计数甲壳和腹甲环来推断年龄的野生种群研究不同（Cagle 1950；Sexton 1959；Gibbons 1987；Bernstein等人2018），本研究检查了已知年龄的个体。这种方法的差异消除了间接年龄推断的不确定性。对于较老的个体，使用生长环进行年龄估计变得越来越不可靠，因为早期的生长线可能已经被覆盖（Bertolero等人2005；Jung等人2016）。此外，甲壳环的形成和随后的生长速率受到环境变化的强烈影响，例如冬眠后出巢的延迟（Kennett 1996；Berry 2002；Costanzo等人2008），即使在同一群体内的个体之间也存在不一致性。黑色素沉着的性别特异性表达表明，这一特征更可能是由性选择而非自然选择驱动的生存优势所驱动（Lovich等人1990；Tucker等人1995）。先前的研究表明，黑色素沉着的雄性通常表现出更激进的求偶行为，并可能获得繁殖优势（Tucker等人1995；Thomas 2002）。然而，虽然一些研究表明黑色素沉着可能不会直接增加繁殖成功率，但其他研究提出它在社会互动中起作用（Cagle 1950；Lovich等人1990）。例如，黑色素沉着的雄性与非黑色素沉着的雄性之间的攻击性降低表明，黑色素沉着可能作为一种识别机制，防止错误的同性求偶尝试（Stone等人2015）。这些行为模式表明，黑色素沉着可能在社会互动中作为区分有繁殖经验或准备好的雄性的视觉线索，尽管这一解释需要进一步验证。尽管我们的研究发现了雄性黑色素沉着阶段与年龄之间的显著关联，但其具体触发因素仍不清楚。黑色素沉着通常被认为是由激素诱导的（Lovich等人1990；Roulin和Ducrest 2011）；然而，确切的调控机制尚不清楚。因此，需要更大样本量的雄性进一步研究来阐明其发展的精确机制，包括繁殖经验和激素变化的可能影响，以及评估黑色素沉着是否代表一种适应性特征。

5 结论

本研究全面评估了濒危淡水龟M. reevesii圈养种群的年龄结构、性别二态性和黑色素沉着的发展。该种群表现出明显的雌性偏向的年龄和体型分布，表明雌性的寿命更长，体型更大。这些人口统计模式预计会影响繁殖潜力、群体稳定性和性别比例管理，强调了在圈养繁殖计划中保持平衡的人口组成的重要性。雄性黑色素沉着的开始时间比野生种群更早，表明圈养条件下的营养和环境可能促进了生理发育的加速。黑色素沉着仅出现在雄性中，并且与年龄相关，而不是体型，这表明这一特征主要是由性选择过程而非体细胞生长驱动的。总体而言，这些发现扩展了我们对该物种在受控环境下的发育和人口统计特征的理解。将这些形态和发育数据整合到野外和异地管理框架中，将有助于更有效地监测、保护和恢复这一极度濒危的龟类。

作者贡献

Hakyung Kang：概念化（平等），正式分析（平等），资金获取（支持），调查（平等），方法论（平等），写作——初稿（平等），写作——审阅和编辑（平等）。Jaeyoung Seo：正式分析（平等），写作——审阅和编辑（平等）。Ju Hee Bae：正式分析（平等），调查（平等），写作——审阅和编辑（平等）。Kyo Soung Koo：概念化（平等），正式分析（平等），调查（平等），方法论（平等），监督（平等），写作——初稿（平等）。Yikweon Jang：资金获取（主导），监督（平等），写作——审阅和编辑（平等）。

致谢

我们感谢Ewha女子大学实验室的成员和朝鲜大公园动物园的饲养员在本研究中的协助。

资助

本工作得到了韩国环境产业与技术研究所（KEITI）的支持，该机构由环境部资助（拨款编号：RS-2021-KE001362）。此外，Hakyung Kang还获得了韩国国家研究基金会（NRF）的基础科学研究计划的支持，该计划由教育部资助（拨款编号：RS-2024-00413107）。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究发现的相关数据包含在本手稿中，如有进一步查询，请联系相应的作者。