橫斷山五個(gè)地區(qū)大絨鼠頭骨的幾何形態(tài)學(xué)研究

張海姬 張 浩 秦雪雪 王政昆 朱萬龍*

(1.云南省高校西南山地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)植物生態(tài)適應(yīng)進(jìn)化及保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，昆明，650500；2.隴東學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，慶陽，745000)

頭骨和臼齒的形態(tài)變化與環(huán)境息息相關(guān)[1]，生境的變化可能引起其形態(tài)上的變化[2]。幾何形態(tài)測(cè)量技術(shù)(geometric morphometric techniques)是一套統(tǒng)計(jì)分析方法，主要應(yīng)用于分析物體的幾何形狀和形狀的變化，可以把樣本的大小和形狀相互獨(dú)立開來，提高結(jié)果的可信度，它可以對(duì)生物體及其器官的形態(tài)進(jìn)行定量分析[3]。國(guó)外廣泛將其應(yīng)用于測(cè)量魚類、鳥類及獸類骨骼等[4-8]。國(guó)內(nèi)亦有賈婷等和朱萬龍等對(duì)北樹鼩(Tupaiabelangeri)頭骨的相關(guān)報(bào)告[2，9]；楊紅和張子慧關(guān)于中華姬鼠(Apodemusdraco)與大林姬鼠(Apodemuspeninsulae)頭骨的研究[10]；朱萬龍等和高文榮等對(duì)高山姬鼠(Apodemuschevrieri)頭骨的相關(guān)報(bào)告等[11-12]。

大絨鼠(Eothenomysmiletus)主要分布于我國(guó)橫斷山脈及其附近地區(qū)，是橫斷山區(qū)的典型代表和固有物種，營(yíng)地表淺層洞道生活，多夜間活動(dòng)，以草的根莖和鮮嫩的漿汁植物為主要食物[13]。本次采樣地橫斷山脈地區(qū)乃是我國(guó)特有的高山峽谷地區(qū)[14]，主要受山體南北走向及海拔的影響，隨海拔升高氣溫降低，降水增加，具有干濕兩季分明，年溫差小，日溫差大，立體氣候顯著等特點(diǎn)[15]。本研究組之前的研究表明：橫斷山地區(qū)特殊的地理環(huán)境使棲息于該地的大絨鼠身體的各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生變化[16-17]，但關(guān)于橫斷山脈不同地點(diǎn)大絨鼠頭骨幾何形態(tài)學(xué)方面還沒有相關(guān)研究。故在本研究中，我們假設(shè)不同采樣地之間大絨鼠頭骨形態(tài)存在差異，對(duì)此，本研究從橫斷山區(qū)自北向南選擇大絨鼠的5個(gè)分布地點(diǎn)，以幾何形態(tài)學(xué)測(cè)量技術(shù)對(duì)5個(gè)不同地點(diǎn)大絨鼠的頭骨形態(tài)差異及大絨鼠的適應(yīng)意義進(jìn)行了研究，來闡明同一物種在不同環(huán)境中的適應(yīng)對(duì)策。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物于2016年夏季分別捕自橫斷山地區(qū)的5個(gè)地點(diǎn)(表1)，自北向南依次為：德欽、香格里拉、麗江、劍川和哀牢山。每個(gè)地點(diǎn)樣本數(shù)均為7只，共計(jì)35只，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物均為非繁殖期的健康成年個(gè)體。

表1 5個(gè)采樣點(diǎn)的海拔、坐標(biāo)、年平均氣溫和降水量

Tab.1 Altitude，coordinate，annual average temperature and precipitation of E.miletus in five regions

1.2 數(shù)據(jù)獲取

本研究采用的是標(biāo)點(diǎn)法(landmark methods)，具體操作過程見賈婷等[2]。數(shù)據(jù)變量的形態(tài)差異可利用柵格的變形來表示[18]，即為薄片樣條法(thinplate spline，TPS)[19]。

1.2.1 圖片獲取、數(shù)字化

數(shù)碼相機(jī)SAMSUNG NX1000固定距離頭骨標(biāo)本 10 cm，以微距分別拍攝頭骨側(cè)面、頭骨背面 、頭骨腹面、下頜側(cè)面、上臼齒和下臼齒。

利用軟件 TPSDIG 2對(duì)拍攝完成的圖片數(shù)字化處理[20]，之后根據(jù)相關(guān)頭骨標(biāo)記的方法[4，8，21-23]，并且結(jié)合大絨鼠頭骨的真實(shí)情況，對(duì)相應(yīng)照片進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)記(圖 1～2)。在圖片數(shù)字化處理之后，整理各界標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，且僅對(duì)樣本左側(cè)面打點(diǎn)標(biāo)記，避免重復(fù)，由一人重復(fù)標(biāo)記 6次及以上打點(diǎn)來提高準(zhǔn)確度。

圖1 大絨鼠頭骨背面(a)、 頭骨腹面(b)、 頭骨側(cè)面(c)及下頜側(cè)面(d)界標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記圖Fig.1 Landmark configurations on the dorsal cranium(a)，ventral cranium(b)，lateral cranium(c)and lateral mandible(d)of E.miletus

圖2 大絨鼠上臼齒(a)、 下臼齒(b)界標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記圖Fig.2 Landmark configurations on the upper molar(a)，lower molar(b)of E.miletus

1.2.2 去除非形態(tài)變異和薄片樣條法

在頭骨標(biāo)本上，標(biāo)記點(diǎn)的位置、圖片拍攝角度等人為因素會(huì)引起分析的誤差，采用 GPA(generalized procrustes analysis)法[2]去除非形態(tài)變異對(duì)分析的干擾。采用薄片樣條法繪制樣本間形態(tài)的差異[2]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

將數(shù)據(jù)歸類[2]，之后用軟件Morphologika 2v2.5對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和薄片樣條分析，比較不同采樣地點(diǎn)頭骨的相似性和變異程度。

將上述分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合[2]，運(yùn)用軟件SPSS 22.0對(duì)不同采樣地的頭骨整合數(shù)據(jù)進(jìn)行多維尺度(multidimensional scaling，MDS)分析。

2 結(jié)果

2.1 頭骨背面分析

在本次研究中，共分析了來自不同地區(qū)的35個(gè)大絨鼠頭骨。首先對(duì)大絨鼠頭骨背面進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示(表2)，前3個(gè)主成分特征值累計(jì)占總體變異量的96.54 %。將第一主成分和第二主成分作圖，結(jié)果顯示4個(gè)地區(qū)(德欽、香格里拉、劍川和麗江)的大絨鼠頭骨背面相互重疊，哀牢山地區(qū)單獨(dú)聚在一起(圖3)。TPS圖顯示，5個(gè)地區(qū)大絨鼠頭骨背面的形變主要表現(xiàn)在兩個(gè)位置，分別為：鼻骨處和顴弓處。

表2 大絨鼠頭骨背面主成分分析前3個(gè)主成分的特征值、占總體變異量及其累計(jì)值

Tab.2 Eigenvalues，percentage of total variance and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of dorsal cranium of E.miletus

圖3 大絨鼠頭骨背面第一主成分和第二主成分散點(diǎn)圖及薄片樣條分析Fig.3 Plots of principal component factors 1 and 2 for dorsal cranium and TPS of E.miletus

2.2 頭骨側(cè)面分析

對(duì)大絨鼠頭骨側(cè)面進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示(表3)，前3個(gè)主成分特征值累計(jì)占總體變異量的51.11%。對(duì)第一主成分和第二主成分作圖，結(jié)果顯示5個(gè)地區(qū)(德欽、香格里拉、劍川、麗江和哀牢山)的大絨鼠相互重疊(圖4)。TPS圖顯示，5個(gè)地區(qū)大絨鼠頭骨側(cè)面的形變差異不顯著。

2.3 頭骨腹面分析

大絨鼠頭骨腹面主成分分析結(jié)果顯示(表4)，前3個(gè)主成分特征值累計(jì)占總體變異量的51.38%。對(duì)第一主成分和第二主成分作圖，結(jié)果顯示5個(gè)地區(qū)(德欽、香格里拉、劍川、麗江和哀牢山)的大絨鼠頭骨腹面相互重疊(圖5)。TPS圖顯示，5個(gè)地區(qū)大絨鼠頭骨腹面的形變差異不顯著。

2.4 下頜分析

大絨鼠頭骨下頜側(cè)面主成分分析結(jié)果顯示(表5)，前3個(gè)主成分特征值累計(jì)占總體變異量的47.05%。對(duì)第一主成分和第二主成分作圖，結(jié)果顯示5個(gè)地區(qū)(德欽、香格里拉、劍川、麗江和哀牢山)的頭骨下頜側(cè)面相互重疊(圖6)。TPS圖顯示，5個(gè)地區(qū)大絨鼠頭骨下頜側(cè)面的形變差異不顯著。

表3 大絨鼠頭骨側(cè)面主成分分析前3個(gè)主成分的特征值、占總體變異量及其累計(jì)值

Tab.3 Eigenvalues，percentage of total variance and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of lateral cranium of E.miletus

圖4 大絨鼠頭骨側(cè)面第一主成分和第二主成分散點(diǎn)圖及薄片樣條分析Fig.4 Plots of principal component factors 1 and 2 for lateral cranium and TPS of E.miletus

表4 大絨鼠頭骨腹面主成分分析前3個(gè)主成分的特征值、占總體變異量及其累計(jì)值

Tab.4 Eigenvalues，percentage of total variance and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of ventral cranium of E.miletus

表5 大絨鼠下頜側(cè)面成分分析前3個(gè)主成分的特征值、占總體變異量及其累計(jì)值

2.5 上臼齒分析

大絨鼠上臼齒主成分分析結(jié)果顯示(表6)，前3個(gè)主成分特征值累計(jì)占總體變異量的34.92 %。對(duì)第一主成分和第二主成分作圖，結(jié)果顯示5個(gè)地區(qū)(德欽、香格里拉、劍川、麗江和哀牢山)的上臼齒相互重疊(圖7)。TPS圖顯示，5個(gè)地區(qū)大絨鼠上臼齒的形變差異不顯著。

表6 大絨鼠上臼齒成分分析前3個(gè)主成分的特征值、占總體變異量及其累計(jì)值

Tab.6 Eigenvalues，percentage of total variance and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of upper molar of E.miletus

圖6 大絨鼠下頜側(cè)面第一主成分和第二主成分散點(diǎn)圖及薄片樣條分析Fig.6 Plots of principal component factors 1 and 2 for lateral mandible and TPS of E.miletus

圖7 大絨鼠上臼齒第一主成分和第二主成分散點(diǎn)圖及薄片樣條分析Fig.7 Plots of principal component factors 1 and 2 for upper molar and TPS of E.miletus

2.6 下臼齒分析

大絨鼠下臼齒主成分分析結(jié)果顯示(表7)，前3個(gè)主成分特征值累計(jì)占總體變異量的33.92 %。對(duì)第一主成分和第二主成分作圖，結(jié)果顯示5個(gè)地區(qū)(德欽、香格里拉、劍川、麗江和哀牢山)的下臼齒相互重疊(圖8)。TPS圖顯示，5個(gè)地區(qū)大絨鼠下臼齒的形變差異不顯著。

表7 大絨鼠下臼齒成分分析前3個(gè)主成分的特征值、占總體變異量及其累計(jì)值

Tab.7 Eigenvalues，percentage of total variance explained and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of lower molar of E.miletus

圖8 大絨鼠下臼齒第一主成分和第二主成分散點(diǎn)圖及薄片樣條分析Fig.8 Plots of principal component factors 1 and 2 for lower molar and TPS of E.miletus

2.7 多維尺度分析

本研究將5個(gè)采樣地大絨鼠樣本的頭骨背面、頭骨側(cè)面、頭骨腹面和下頜側(cè)面數(shù)據(jù)整合，進(jìn)行多維尺度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：5個(gè)采樣地大絨鼠的頭骨有明顯差異，德欽、香格里拉、哀牢山、麗江和劍川在圖9中第一維度方向上的排列趨勢(shì)對(duì)照表1可知，與經(jīng)度趨勢(shì)相同；而在第二維度方向上5個(gè)地區(qū)的排列趨勢(shì)對(duì)照表1可知，除哀牢山以外，其余地區(qū)與緯度、海拔和溫度變化趨勢(shì)相同(圖9)。個(gè)體權(quán)重空間分布圖顯示，頭骨背面評(píng)分(0.632，0.022)對(duì)第一維度的貢獻(xiàn)較大；頭骨側(cè)面評(píng)分(0.403，0.464)對(duì)第二維度的貢獻(xiàn)較大，頭骨腹面評(píng)分(0.335，0.514)對(duì)第二維度的貢獻(xiàn)較大；下頜側(cè)面評(píng)分(0.292，0.515)對(duì)第二維度的貢獻(xiàn)較大(圖 10)。

圖9 大絨鼠各采樣點(diǎn)頭骨組合數(shù)據(jù)的多維尺度分布圖Fig.9 Diagram of multidimensional scaling for combined datasets of skull in different regions of E.miletus

圖10 大絨鼠頭骨背面、頭骨腹面、頭骨側(cè)面及下頜側(cè)面?zhèn)€體權(quán)重空間分布圖Fig.10 Diagram of dimension weights for dorsal cranium，lateral cranium，ventral cranium and lateral mandible of E.miletus

將5個(gè)采樣地大絨鼠樣本的上臼齒和下臼齒數(shù)據(jù)整合，進(jìn)行多維尺度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在第一維度各采樣地大絨鼠的臼齒形態(tài)都有差異，各個(gè)種群分開；在第二維度除香格里拉外，其余地點(diǎn)排列趨勢(shì)與降水量趨勢(shì)相同(圖11)。個(gè)體權(quán)重空間分布圖顯示，上臼齒評(píng)分(0.461，0.410)對(duì)第 1 維度的貢獻(xiàn)較大；下臼齒評(píng)分(0.433，0.441)對(duì)第 2 維度的貢獻(xiàn)較大(圖12)。

圖11 大絨鼠各采樣點(diǎn)臼齒組合數(shù)據(jù)的多維尺度分布圖Fig.11 Diagram of multidimensional scaling for combined datasets of molar in different regions of E.miletus

圖12 大絨鼠上臼齒和下臼齒個(gè)體權(quán)重空間分布圖Fig.12 Diagram of dimension weights for upper molar and lower molar of E.miletus

3 討論

幾何形態(tài)學(xué)方法運(yùn)用廣泛，可用于反映環(huán)境因子對(duì)物種表型性狀的作用結(jié)果以及物種分類等。例如：相同環(huán)境下南歐水鼩(Neomysanomalus)和水鼩鼱(N.fodiens)的頭骨、下頜骨和臼齒性狀發(fā)生相似的改變[24]；楊紅和張子慧通過幾何形態(tài)學(xué)分析方法將北京地區(qū)的姬鼠頭骨分為中華姬鼠(Apodemusdraco)和大林姬鼠(A.peninsulae)兩類[10]；而賈婷等用該方法將棲息在不同環(huán)境的北樹鼩的頭骨形態(tài)區(qū)分開來[2]。

本次采樣點(diǎn)自北向南依次為德欽、香格里拉、麗江、劍川和哀牢山，年平均氣溫由北向南依次從低到高。海拔自德欽、香格里拉、劍川、麗江和哀牢山依次降低。5個(gè)地區(qū)大絨鼠頭骨僅頭骨背面的形變顯著，這可能與本次采樣地的地理分布有關(guān)，5個(gè)采樣地相距較近，沒有形成明顯的地理隔離。其中，頭骨背面形變主要在兩個(gè)位置，分別為：鼻骨處和顴弓處。具體形變?yōu)椋焊呔暥?、高海拔且低溫的德欽地區(qū)大絨鼠鼻骨較長(zhǎng)；海拔相對(duì)較低、降水量較大且年平均氣溫較高地區(qū)大絨鼠頭骨的顴弓外側(cè)向外擴(kuò)最為明顯。兩個(gè)形變點(diǎn)主要為鼻子和眼睛兩個(gè)器官所在處，對(duì)于感知外界環(huán)境變化起著很重要的作用[25]。鼻骨的形變與動(dòng)物的呼吸作用有關(guān)，鼻骨形態(tài)變化可以有效緩解環(huán)境中冷空氣對(duì)身體內(nèi)部的刺激[12]；另外，水分的散失又與環(huán)境溫度相關(guān)[26]，故鼻骨的形態(tài)變化可以側(cè)面反映水分的散失情況[27]。顴弓的形變與動(dòng)物的視覺有關(guān)[27]，大絨鼠營(yíng)地表淺層洞道生活且多在夜間活動(dòng)[13]，生存在不同環(huán)境中的大絨鼠視覺存在不同程度的退化，顴弓形態(tài)變化的規(guī)律與貝格曼定律相悖，但與先前研究趨勢(shì)相同[28]。因此，鼻骨和顴弓形態(tài)變化可能與緯度、海拔、環(huán)境溫度和降水量的變化有關(guān)。

對(duì)頭骨進(jìn)行多維尺度分析發(fā)現(xiàn)：德欽、香格里拉、麗江、劍川和哀牢山5個(gè)地區(qū)大絨鼠頭骨均有差異，在第一維度上，5個(gè)地區(qū)的排列趨勢(shì)與經(jīng)度趨勢(shì)相同，故推測(cè)5個(gè)地區(qū)大絨鼠頭骨差異可能是受到經(jīng)度變化的影響，而第二維度方向上的排列趨勢(shì)除哀牢山以外，其余地區(qū)與緯度、海拔和溫度變化趨勢(shì)相同，故推測(cè)可能受到緯度、海拔和溫度變化的影響。自頭骨各面?zhèn)€體權(quán)重空間分布圖可以見，大絨鼠頭骨背面的評(píng)分在第二維度的貢獻(xiàn)相對(duì)較大，整合多維尺度分析結(jié)果可知：大絨鼠頭骨背面的變化受緯度影響較大；而大絨鼠的頭骨側(cè)面、 頭骨腹面及下頜側(cè)面對(duì)第一維度的貢獻(xiàn)較大，并且頭骨腹面和下頜側(cè)面的比較接近，整合多維尺度分析結(jié)果可知：頭骨側(cè)面、頭骨腹面及下頜側(cè)面受經(jīng)度影響較大。整合頭骨的4個(gè)面來看，5個(gè)地區(qū)的大絨鼠頭骨形態(tài)的變化與經(jīng)緯度、海拔和溫度等的變化可能有密切的關(guān)系。

對(duì)臼齒的多維尺度分析發(fā)現(xiàn)，在第二維度上，除香格里拉外，劍川、麗江、德欽和哀牢山降雨量依次降低，且與5個(gè)地區(qū)臼齒排列順序相同，故推測(cè)5個(gè)地區(qū)臼齒差異可能受到降雨量的影響。自大絨鼠臼齒個(gè)體權(quán)重空間分布圖可見，下臼齒的評(píng)分對(duì)第二維度的貢獻(xiàn)較大，整合多維尺度分析結(jié)果可知：下臼齒受降水量變化影響較大，結(jié)合薄片樣條分析圖發(fā)現(xiàn)，降水量較大的采樣地大絨鼠下臼齒齒列較長(zhǎng)；上臼齒對(duì)第一維度的貢獻(xiàn)較大，但多維尺度分析結(jié)果顯示上臼齒排列順序無規(guī)律，且結(jié)合散點(diǎn)圖與薄片樣條分析結(jié)果可知，5個(gè)地區(qū)上臼齒存在差異，但不顯著，這可能是由于受到溫度、海拔、緯度等多重影響因子的共同作用，不同因子可能對(duì)上臼齒形態(tài)具有不同影響。結(jié)合上下臼齒的變化來看，5個(gè)地區(qū)的大絨鼠的臼齒形態(tài)的變化可能與降雨量的變化密切相關(guān)，并且可能同時(shí)受到其余環(huán)境因子的影響。

綜上所述，香格里拉、德欽、麗江、劍川和哀牢山5個(gè)采樣地大絨鼠頭骨均有差異，僅頭骨背面的眶下孔至上頜骨段、上頜骨至顴骨段、眶后突處和乳突至頂間骨段4個(gè)位置形變顯著。另經(jīng)緯度、溫度、海拔和降雨量可能與頭骨形態(tài)與臼齒形態(tài)變化密切相關(guān)。