基于物種預(yù)測分布模型對桔小實蠅在全球適生區(qū)的評估＊

李宗亮, 于向鵬, 陸晨晨, 金海如

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江金華 321004)

生物入侵逐步成為社會關(guān)注的焦點.外來入侵生物是導(dǎo)致生物多樣性破壞和社會經(jīng)濟(jì)損失的主要原因之一[1],它一旦在一個地區(qū)成功入侵,就需要人們花費大量的精力去檢測此物種的危害性,并尋找根除它的方法[2].防止外來有害生物造成危害的重要手段之一,是阻止可能造成入侵的物種進(jìn)入適生區(qū)[3].因此,明確外來物種的潛在適生區(qū)對防止生物入侵有著重要的作用.物種適生區(qū)預(yù)測模型在瀕危物種保護(hù)、生物多樣性保護(hù)區(qū)設(shè)計的優(yōu)先性評估、外來入侵物種擴(kuò)散潛能及全球氣候變化對物種分布區(qū)的影響等研究中得到了廣泛的應(yīng)用[4].

桔小實蠅 (B actrocera dorsalis(Hendel))是一種世界性檢疫害蟲[5-9],屬雙翅目 (Diptera)果實蠅科(Tetriphitidae),在我國屬于二類檢疫害蟲,可危害柑橘、番石榴、楊桃、芒果、香蕉、茄子、辣椒、瓜果類等 40多科 250多種水果和蔬菜,其中大多數(shù)是與人類關(guān)系密切的熱帶或亞熱帶瓜果[10-13],由于其幼蟲蛀食瓜果果肉而導(dǎo)致果實變質(zhì)腐爛,對熱帶、亞熱帶瓜果造成了嚴(yán)重的危害.在我國廣西、廣東、云南等地,由于桔小實蠅的危害,導(dǎo)致芒果、柑桔等重要經(jīng)濟(jì)瓜果嚴(yán)重受害,局部地區(qū)芒果受害率達(dá) 80%[10-11].1995年,農(nóng)業(yè)部發(fā)布的全國植物檢疫對象名單中,桔小實蠅也名列其中[14].

入侵生物在目標(biāo)地的適生性高低直接決定了該地區(qū)是否存在被入侵生物入侵的可能性.越來越多的研究者認(rèn)為,外來入侵生物會對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)帶來不可逆轉(zhuǎn)的改變[15].因此,明確桔小實蠅在全球的適生區(qū),對檢測和控制此入侵物種具有重要的意義.

1 材料和方法

1.1 物種材料

桔小實蠅的分布數(shù)據(jù)通過文獻(xiàn)記錄、數(shù)據(jù)庫、標(biāo)本館等途徑得到,并用 Google Earth查閱其具體的地理坐標(biāo),共獲得 432個分布點 (見圖 1),并將得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成模型所需要的格式保存,其中有 9個分布點沒有環(huán)境數(shù)據(jù),有效的分布點共有 423個.

1.2 預(yù)測物種分布模型

圖 1 已知桔小實蠅的發(fā)源地分布

最大熵值法模型 (MAXENT)是一種基于最大熵值法的生態(tài)位模型,它可通過已知少量的物種的分布點,利用數(shù)學(xué)模型歸納或模擬其生態(tài)位需求,推測出該物種在目標(biāo)地區(qū)的適生分布區(qū)[16].它可以應(yīng)用在多種預(yù)測上,并具有良好的效果.

基因遺傳算法模型 (GARP)是一種基于遺傳算法的規(guī)則組合預(yù)測模型系統(tǒng),所建模型包括一系列描述物種在生態(tài)空間的生存準(zhǔn)則,并以此為根據(jù)用于預(yù)測物種潛在的地理分布范圍[17].在多變的環(huán)境條件下,GARP系統(tǒng)被證明是分析物種潛在分布區(qū)的一個非常有用的工具[18].

1.3 環(huán)境數(shù)據(jù)

本研究的環(huán)境數(shù)據(jù)采用 CuCL2數(shù)據(jù)包,其中包含 23種環(huán)境數(shù)據(jù),MAXENT模型和 GARP模型的運行都采用同一個數(shù)據(jù)包.

1.4 ROC曲線

受試者工作特征 (ROC)曲線是以預(yù)測結(jié)果的每一個值作為可能的判斷閾值[16],由此計算得到相應(yīng)的靈敏度和特異度.ROC曲線以假陽性率(1-特異度)為橫坐標(biāo),以真陽性率即靈敏度為縱坐標(biāo)繪制而成,其曲線下面積 (AUC)的大小作為模型預(yù)測準(zhǔn)確度的衡量標(biāo)準(zhǔn),其范圍為[0,1][19],AUC值越大,說明模型的預(yù)測準(zhǔn)確度也就越高.

2 結(jié)果與分析

2.1 桔小實蠅的發(fā)源地分布

通過標(biāo)本、數(shù)據(jù)庫、文獻(xiàn)等資料查詢,得出了桔小實蠅的發(fā)源地分布圖 (見圖 1).桔小實蠅的發(fā)源地為中非和南非,主要的國家和地區(qū)為:塞內(nèi)加爾、幾內(nèi)亞、幾內(nèi)亞比紹、岡比亞、塞拉利昂、馬里、科特迪瓦、布基納菲索、加納、多哥、貝寧、尼日利亞、喀麥隆、加蓬、中非共和國、剛果民主共和國、蘇丹、俄塞俄比亞、烏干達(dá)、肯尼亞、坦桑尼亞、安哥拉、贊比亞、馬拉維、納米比亞、博茨瓦納、津巴韋布、莫桑比克、南非、馬達(dá)加斯加島和圣赫勒拿島.

2.2 ROC曲線

圖 2分別展示了 MAXENT模型和 GARP模型運算的 ROC曲線和 AUC.其中:MAXENT的AUC為 0.82;GARP的 AUC為 0.92;隨機(jī) ROC曲線的 AUC為 0.50.AUC的值越大,說明模型的準(zhǔn)確性就越高.因此,在此研究中,MAXENT的準(zhǔn)確性低于 GARP.

圖 2 MAXENT模型和 GARP模型的 ROC曲線

2.3 桔小實蠅在全球的適生區(qū)分布

物種預(yù)測分布模型會對桔小實蠅發(fā)源地的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行提取并統(tǒng)計.根據(jù)桔小實蠅發(fā)源地的環(huán)境因子參數(shù),模型會自動對全球各個地區(qū)的環(huán)境進(jìn)行擬合.擬合度越高的地區(qū),桔小實蠅的適生可能性就越大;反之,適生性就越小.

圖 3為桔小實蠅的全球適生區(qū),其中:a是MAXENT模型預(yù)測的結(jié)果;b為 GARP模型預(yù)測的結(jié)果.顏色從純黑到純白,表示適生的可能性從小到大.顏色越白,代表該地區(qū)桔小實蠅的適生概率越大.

從圖 3可以看出,MAXENT模型和 GARP模型預(yù)測的桔小實蠅的適生區(qū)范圍大致是一致的,但 GARP模型預(yù)測的范圍要小些,適生可能也越高.主要的適生區(qū)為美國弗羅里達(dá)州、墨西哥南部地區(qū)和東西部沿海地區(qū)、北美洲的南部國家和地區(qū)、南美洲北部的一些國家和島嶼、巴西的東南部和南部、巴拉圭、烏拉圭、玻利維亞,以及阿根廷的北部地區(qū)、非洲中部的國家和地區(qū)、非洲南部大部分國家和地區(qū)、印度中部和南部、中國南部及臺灣地區(qū)、亞洲南部的一些國家和地區(qū)、澳大利亞東北部沿海地區(qū)和大洋洲其他一些國家和島嶼.

圖 3 桔小實蠅的全球適生區(qū)評估

3 討 論

ROC曲線分析方法最初是應(yīng)用于雷達(dá)信號接收能力的評價[20],后廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷實驗性能的評價[21-23].ROC曲線下的面積為 AUC值,以此反映診斷實驗的價值.一般認(rèn)為:AUC值在0.5～0.7時 ,診斷價值較低;在 0.7～0.9時 ,診斷價值中等;大于 0.9時,診斷價值較高[24].AUC可對 2個診斷實驗的準(zhǔn)確度進(jìn)行綜合比較,因而成為目前公認(rèn)的診斷實驗最佳評價指標(biāo)[25].

影響物種分布的因素有很多.例如氣候因子、地形、海拔高度、物種棲息地的環(huán)境等[26].但是,氣候因子在決定物種地理分布方面的重要地位已經(jīng)被廣泛接受,世界生物區(qū)系就是根據(jù)全球氣候數(shù)據(jù)劃分的.盡管其他因子同樣影響物種的分布,但根據(jù)氣候因子劃分生物區(qū)系仍然是宏觀生態(tài)學(xué)最成功的理論之一[27].

桔小實蠅最主要的擴(kuò)散方式是成蟲飛行和受感染果實的人為傳播[8].近年來,隨著全球水果和蔬菜栽培品種的日益豐富,桔小實蠅的寄主植物不斷增多,因此,由于桔小實蠅感染而造成經(jīng)濟(jì)損失的可能性也就越大.確定桔小實蠅的適生區(qū),

對預(yù)防和有效地控制桔小實蠅的傳播具有指導(dǎo)意義[14,28-29].

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