仿刺参（Apostichopus japonicus），也称刺参，是我国重要的海水养殖物种之一。近年来，我国刺参养殖业蓬勃发展，现已成为海水养殖业中的支柱性产业。刺参养殖过程中存在生长差异较大的现象，这严重阻碍了刺参养殖效率的提高。为实现刺参高效养殖，亟需加深对刺参生长差异的理解，但不同生长速率刺参的行为、生理和分子调控特征有什么差异？影响个体生长差异的关键因素有哪些？针对这些问题，本研究利用缩时摄影技术、行为量化分析、16S rDNA测序技术、转录组学和代谢组学技术系统探究了不同生长速率刺参的行为和生理差异及分子调控特征，并研究了个性因素和社会互动因素对刺参个体生长差异的影响。主要研究结果如下：

1．不同生长速率刺参的行为及生理比较

摄食行为的差异是造成刺参个体生长差异的重要原因。利用同一家系刺参（体重为19.18±0.42 g）开展30天的养殖实验，刺参体重变异系数从起始的2.16%迅速增加到27.67%，表现出明显的个体生长差异。快速生长刺参和缓慢生长刺参的特定生长率分别为2.41±0.89%d-1和1.10±0.66%d-1。利用缩时摄影技术和行为分析软件，对刺参的运动行为和摄食行为进行定量分析，发现不同生长速率刺参的运动行为特征（运动距离和运动时间）没有显著差异。但缓慢生长刺参的摄食时间（133.5±150.91 min）和排粪量（0.53±0.44 g）均显著低于快速生长个体（摄食时间：283±168.98 min；排粪量：1.22±0.66 g），表明摄食行为显著减少，可能是导致其生长速率较低的重要原因。

刺参的生长差异可能与生理结构、能量代谢、消化能力以及肠道微生物的差异有关。通过比较分析发现，在生理结构层面，快速生长刺参体壁占比为66.60±2.79%，显著低于缓慢生长个体（71.14±4.25%），这意味着其具有更高的呼吸树和肠道占比，有利于食物的摄入、吸收和转化，进而促进生长。在能量代谢和消化能力层面，缓慢生长刺参的静息代谢率（21.60±4.33 μgO2g-1h-1）和胰蛋白酶活性（65.62±12.42 U/mg）显著降低，表明其能量代谢水平和消化能力显著下降，可能是对摄食行为减少的生理适应。此外，利用16S rDNA测序技术对不同生长速率刺参的肠道微生物进行分析，发现缓慢生长刺参的肠道微生物多样性下降，潜在的致病菌（Vibrionaceae和Burkholderiaceae）丰度升高，而快速生长刺参中相对丰度较高的细菌（Rhodobacteraceae、Rubritaleaceae和Pirellulaceae）大多与藻类多糖的降解有关。

2. 不同生长速率刺参的分子调控特征

通过对不同生长速率刺参的差异表达基因和差异代谢物的分析发现，缓慢生长刺参的生长受到抑制，并且遭受严重的氧化应激。利用RNA测序技术和超高效液相色谱-质谱技术（Ultra-Performance Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, UPLC-MS），鉴定不同生长速率刺参中的差异表达基因和差异代谢物，并进行关联分析。RNA测序结果显示，与快速生长个体相比，在缓慢生长个体中分别发现了216和169个显著上调和显著下调的基因。对所有差异表达基因进行KEGG富集分析，发现富集到的通路包括“真核生物中的核糖体发生”、“剪接体”、“细胞凋亡”和“Hippo信号通路”等。差异代谢物鉴定结果显示，在正离子模式下，与快速生长刺参相比，缓慢生长刺参中显著上调的代谢物有29种，显著下调的代谢物有28种；在负离子模式下，缓慢生长刺参中显著上调的代谢物有8种，显著下调的代谢物有17种。通过KEGG富集分析发现，富集到的关键代谢通路有“牛磺酸和亚牛磺酸代谢”、“精氨酸生物合成”、“抗坏血酸和阿尔尿酸代谢”以及“氧化磷酸化”等。转录组和代谢组的关联分析表明，缓慢生长刺参中胶原蛋白编码基因显著下调，部分生长负调控因子和细胞凋亡诱导基因显著上调，糖异生和氧化应激代谢途径加剧，表明其生长受到抑制，且遭受严重的氧化应激，需消耗自身能量来维持机体正常运转。

3. 个性因素对刺参个体生长差异的影响

刺参中存在个性（行为差异的一致性），部分个性行为特征（运动距离）和静息代谢率具有较好的可重复性，个体之间行为和生理差异可能是造成生长差异的重要原因。通过刺参隔离养殖实验，发现刺参个体之间的摄食量、食物转化率和特定生长率存在较大差异，差异可达3.47、6.42和5.64倍。生长速率与食物摄入量和食物转化率均呈正相关关系。通过对刺参静息代谢率和个性行为特征的重复测量，发现刺参的静息代谢率的可重复性较好，而个性行为特征中只有运动距离具有较好的可重复性，运动时间比、潜伏时间、摄食时间均不具备可重复性。此外，相关性分析表明，刺参生长速率与能量代谢存在正相关关系，与应激反应存在负相关关系，但个性行为特征与刺参生长速率、静息代谢率和皮质醇均不存在相关性。

4. 社会互动因素对刺参个体生长差异的影响

在社会互动因素的研究中发现，影响刺参个体生长差异的主要原因是对食物的竞争，采取适当的食物投喂方式能够有效减少个体的生长差异。在食物充足且分布比较均匀的条件下，隔离养殖和群体养殖刺参的生长速率没有明显差异。此外，不同于以往的研究结果，本研究中群体养殖的刺参没有表现出更大的生长差异。通过比较隔离养殖刺参和群体养殖刺参的行为指标和能量代谢指标，发现它们的运动行为、摄食行为和能量代谢均没有显著差异。利用16S rDNA测序技术对隔离养殖和群体养殖刺参的肠道微生物进行分析，发现它们的肠道微生物组成在门和科水平上基本相似，均发现了与藻类多糖降解相关的细菌，但在隔离养殖刺参中发现潜在致病菌（Shewanella）的丰度有所增加，这表明社会接触和互动可能对维持肠道微生物的稳态与健康具有一定影响。

综上，本研究系统探究了刺参个体生长差异的行为、生理和分子调控特征，阐明了个性因素与刺参生长和生理之间的关系，探明了群体养殖条件下影响刺参个体生长差异的关键因素，并提出了在养殖环境中解释刺参个体生长差异的理论模型。研究结果为理解刺参个体生长差异现象提供了新认知，并为提高刺参养殖效率提供了理论依据，有利于刺参养殖产业的持续健康发展。

第1章  绪论... 1

1.1  刺参介绍及个体生长差异研究进展... 1

1.1.1  刺参介绍... 1

1.1.2  刺参个体生长差异研究进展... 1

1.2  刺参行为学研究进展... 3

1.2.1  刺参标记技术研究进展... 3

1.2.2  刺参运动行为研究进展... 3

1.2.3  刺参摄食行为研究进展... 4

1.3  影响动物个体生长差异的因素... 5

1.3.1  个体属性... 5

1.3.2  种内竞争... 7

1.4  动物个性研究进展... 9

1.4.1  动物个性研究的起源及定义... 9

1.4.2  动物个性的生理基础... 10

1.4.3  动物个性的适应性解释模型... 13

1.5  研究目的、意义及思路... 15

1.5.1  目的及意义... 15

1.5.2  科学问题... 15

1.5.3  研究内容与技术路线... 15

1.5.4  预期成果... 16

1.6  本章小结... 16

第2章  不同生长速率刺参的行为及生理比较... 17

2.1  研究背景... 17

2.2  材料与方法... 18

2.2.1  刺参来源及养殖环境... 18

2.2.2  实验设计及样品采集... 18

2.2.3  静息代谢率测定... 18

2.2.4  行为视频采集及处理... 19

2.2.5  消化酶测定... 19

2.2.6  DNA提取及16SrDNA测序... 20

2.2.7  数据处理及统计分析... 20

2.3  实验结果... 21

2.3.1  刺参的生长差异... 21

2.3.2  运动行为和摄食行为差异... 23

2.3.3  消化酶活性和静息代谢率差异... 23

2.3.4  肠道微生物差异... 25

2.4  讨论... 30

2.4.1  不同生长速率刺参的生理结构差异... 30

2.4.2  不同生长速率刺参的行为差异... 30

2.4.3  不同生长速率刺参的消化能力和能量代谢差异... 31

2.4.4  不同生长速率刺参的肠道微生物差异... 31

2.5  小结... 33

第3章  不同生长速率刺参的分子调控特征... 35

3.1  研究背景... 35

3.2  材料与方法... 36

3.2.1  刺参来源及暂养... 36

3.2.2  刺参养殖及样品采集... 36

3.2.3  代谢物提取、检测及鉴定... 36

3.2.4  代谢组学数据分析... 37

3.2.5  RNA测序及数据分析... 37

3.2.6  代谢组学和转绿组学关联分析... 38

3.2.7  数据处理与分析... 38

3.3  实验结果... 38

3.3.1  刺参生长表现... 38

3.3.2  不同生长速率刺参的代谢组学分析... 39

3.3.3  不同生长速率刺参的转录组学分析... 42

3.3.4  转录组学和代谢组学关联分析... 46

3.4  讨论... 49

3.4.1  胶原蛋白编码基因在缓慢生长个体中显著下调... 49

3.4.2  缓慢生长个体生长受到抑制... 49

3.4.3  缓慢生长个体中耗能增加... 50

3.4.4  缓慢生长个体中氧化应激加剧... 50

3.5  小结... 51

第4章  个性因素对刺参个体生长差异的影响... 53

4.1  研究背景... 53

4.2  材料与方法... 54

4.2.1  刺参来源及养殖条件... 54

4.2.2  实验设计... 54

4.2.3  个性行为特征评价指标... 55

4.2.4  行为视频采集及处理... 55

4.2.5  皮质醇测定... 55

4.2.6  数据处理与分析... 55

4.3  结果... 56

4.3.1  刺参生长情况... 56

4.3.2  刺参个性行为特征和能量代谢的可重复性... 57

4.3.3  刺参生长与个性行为特征和生理的关系... 58

4.3.4  刺参个性行为特征与生理的关系... 59

4.4  讨论... 60

4.4.1  刺参生长差异与摄食和能量转化的差异有关... 60

4.4.2  刺参个性行为特征和静息代谢率的可重复性... 61

4.4.3  刺参生长与个性行为特征和生理的关系... 62

4.4.4  刺参个性行为特征与生理的关系... 63

4.5  小结... 63

第5章  社会互动因素对刺参个体生长差异的影响... 65

5.1  研究背景... 65

5.2  材料与方法... 66

5.2.1  刺参来源及养殖环境... 66

5.2.2  实验设计及样品采集... 66

5.2.3  行为视频采集及处理... 66

5.2.4  DNA提取及16SrDNA测序... 67

5.2.5  数据处理与分析... 67

5.3  结果... 68

5.3.1  隔离养殖和群体养殖刺参的生长情况... 68

5.3.2  隔离养殖和群体养殖刺参的行为差异... 71

5.3.3  隔离养殖和群体养殖刺参的肠道微生物... 72

5.4  讨论... 75

5.4.1  隔离养殖和群体养殖刺参的生长比较... 75

5.4.2  隔离养殖和群体养殖刺参的行为和能量代谢... 76

5.4.3  隔离养殖和群体养殖刺参的肠道微生物比较... 76

5.5  小结... 78

第6章  研究总结与展望... 79

6.1  研究总结... 79

6.2  主要创新点... 80

6.3  存在问题... 80

6.4  研究展望... 81

参考文献... 83

致  谢... 111

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果  113