不同地理居群冰清絹蝶翅脈的幾何形態(tài)學(xué)初步分析

郝祥瑜　毛增輝　任華　陶瑞松

摘 要 對(duì)我國(guó)冰清絹蝶主要地理分布區(qū)的10個(gè)地理居群200個(gè)體翅脈脈相的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)和聚類分析，以期探討幾何形態(tài)學(xué)方法在研究蝶類昆蟲(chóng)種內(nèi)居群間分化的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞 冰清絹蝶 地理居群 翅脈特征 幾何形態(tài)學(xué) 系統(tǒng)分類

中圖分類號(hào) Q-9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

在傳統(tǒng)昆蟲(chóng)分類學(xué)中，昆蟲(chóng)的翅脈特征是一個(gè)非常重要的分類學(xué)指標(biāo)。它不僅對(duì)昆蟲(chóng)的分類鑒定有重要意義，還可以應(yīng)用于對(duì)昆蟲(chóng)的物種多樣性、系統(tǒng)發(fā)生發(fā)育及昆蟲(chóng)在不良環(huán)境條件下所發(fā)生的變異程度的研究。

幾何形態(tài)學(xué)是關(guān)于形態(tài)定量比較的科學(xué)計(jì)算工具，是用數(shù)學(xué)方法描述或分析一個(gè)圖像形狀結(jié)構(gòu)的方法。其研究方法多種多樣，但都需要先將形態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)字化，再比對(duì)不同的樣本，通過(guò)比對(duì)計(jì)算出樣本之間的形狀和大小差距，意在找到樣本之間的“同源信號(hào)”和“簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)”。通過(guò)比對(duì)篩選出有效生物學(xué)性狀，再用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法統(tǒng)計(jì)聚類。在國(guó)外，幾何形態(tài)學(xué)方法已廣泛應(yīng)用于探討生物的個(gè)體發(fā)育、種群分化、系統(tǒng)進(jìn)化等多個(gè)方面，研究對(duì)象以大動(dòng)物居多。在國(guó)內(nèi)，僅用于昆蟲(chóng)的分類鑒定及遠(yuǎn)程自動(dòng)識(shí)別研究中。目前國(guó)內(nèi)隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，以昆蟲(chóng)翅脈特征提取為核心技術(shù)的軟件也日趨完善，圖像數(shù)字化處理技術(shù)與傳統(tǒng)昆蟲(chóng)形態(tài)學(xué)結(jié)合已經(jīng)充分應(yīng)用到昆蟲(chóng)種間的分類鑒定中，但是運(yùn)用幾何形態(tài)學(xué)方法研究蝶類昆蟲(chóng)種內(nèi)居群間分化國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。

絹蝶屬（Parnassius），是絹蝶亞科絹蝶族中的一個(gè)屬，物種繁多，廣泛分布于古北界及新北界溫帶的高山地區(qū)，從巴基斯坦到中亞和中國(guó)，部分物種擴(kuò)至到歐州、日本及北美洲，因物種分布廣，各地理因素如山脈、海洋、河流等導(dǎo)致物種隔離，繼而演化出許多亞種。我國(guó)絹蝶資源豐富，據(jù)周堯《中國(guó)蝶類志》記載：全世界絹蝶有38種，僅我國(guó)就有35種，124亞種。主要產(chǎn)于高山上，耐寒力強(qiáng)，少數(shù)種類分布在低海拔，寄主植物是景天科及紫堇、延胡索等。冰清絹蝶（Parnassius glacialis Butler）是分布在低海拔地區(qū)的絹蝶，也是我國(guó)江南分布的唯一一種絹蝶，這可能是第四紀(jì)冰期的遺留物種，分布于河南、山東、陜西、湖北、安徽、浙江、江蘇、甘肅等地。寄主植物單一，主食罌粟科紫堇屬的延胡索和小藥八旦子。其形態(tài)學(xué)特征：體黑色，披有黃色長(zhǎng)毛，頸部有1輪黃色毛叢。翅色白而稍呈蠟黃，翅質(zhì)薄而半透明，溫潤(rùn)如絲絹，翅脈灰黑褐色。前翅亞外緣有1條褐色帶紋，中室內(nèi)和中室端各有1個(gè)黑褐色斑紋，后翅內(nèi)緣的黑帶較寬。

生物地理學(xué)是生物學(xué)和地理學(xué)間的邊緣學(xué)科，研究生物在時(shí)空上的分布及闡釋物種的地理分布為何呈現(xiàn)如今格局的學(xué)科。下面嘗試通過(guò)對(duì)不同地理居群冰清絹蝶翅脈特征的幾何形態(tài)學(xué)計(jì)量，推測(cè)冰清絹蝶現(xiàn)有分布格局的形成機(jī)制，旨為相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取冰清絹蝶10個(gè)地理居群的標(biāo)本（每一居群隨機(jī)抽樣20個(gè)體），涵括了冰清絹蝶的大部分分布區(qū)，具體的采樣點(diǎn)信息見(jiàn)表1。野外采集的標(biāo)本立即投入無(wú)水乙醇中保存，所取標(biāo)本均來(lái)源于安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分子系統(tǒng)學(xué)與進(jìn)化研究室樣品庫(kù)

1.2 標(biāo)本處理

取出浸泡在無(wú)水乙醇中的蝴蝶，用鑷子夾取蝶翅的基部，使其完整地脫落，待酒精揮發(fā)完全，在蝶翅下方置墊一小方塊白紙，便于與黑色翅脈形成反差；蓋上載玻片，將蝶翅壓平，放入基恩士VHX-5000三維數(shù)碼顯微鏡中觀察測(cè)量（分辨率2 400 DPI）。

1.3 圖像獲取

利用基恩士VHX-5000三維數(shù)碼顯微鏡的圖像拼接技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行采集，形成一張完整的蝴蝶全翅圖片，在該數(shù)碼顯微鏡的測(cè)量工具中，利用鼠標(biāo)多點(diǎn)連線或兩點(diǎn)間連線描摹出翅脈的紋路并且勾勒出所需測(cè)量的翅脈長(zhǎng)度和面積，即可進(jìn)行測(cè)量。前翅共測(cè)得13組數(shù)據(jù)，后翅共測(cè)得4組數(shù)據(jù)，保存拍攝圖片以及測(cè)量結(jié)果生成擴(kuò)展名為.csv的文件，利用VHX Measurement Data Tabulation Tool軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel表格中。

1.4 數(shù)據(jù)分析

在Excel表格中，整理和統(tǒng)計(jì)10個(gè)居群共200個(gè)絹蝶所測(cè)得的翅脈長(zhǎng)度和面積，并求出均值，對(duì)翅脈長(zhǎng)度、蝶翅中室面積、全翅面積等性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用SPSS 21.0軟件分別對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行初步系統(tǒng)聚類，篩選出聚類結(jié)果相同的一些性狀，舍棄部分不適合聚類分析的性狀，最后對(duì)篩選出的性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 10個(gè)冰清絹蝶地理居群的翅脈形態(tài)學(xué)特征平均值

分別取10個(gè)地理居群各20個(gè)冰清絹蝶，測(cè)量前翅11組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)、2組面積數(shù)據(jù)；測(cè)量后翅2組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)、2組面積數(shù)據(jù)（圖1）。求得前后翅翅脈形態(tài)學(xué)特征平均值（表2，表3），表2為前翅翅脈數(shù)據(jù)，表3為后翅翅脈數(shù)據(jù)。根據(jù)Excel文檔求出P值結(jié)果小于0.05，表示各特征值的不同均由不同居群的冰清絹蝶的形態(tài)差異引起。

從表中可以看出南京、連云港、天堂寨、天目山的冰清絹蝶蝶翅面積較大，各翅脈長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)。利用SPSS 21.0對(duì)前后翅共計(jì)17組數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，并一一比對(duì)，選出聚類分析較為相似的數(shù)據(jù)共10組，即為有效性狀。

2.2 十個(gè)冰清絹蝶地理居群的聚類分析樹(shù)狀圖

利用SPSS 21.0再將10組有效性狀（前翅分別為ab、R1、R5、M1、Cu2、2A、af、中室面積；后翅分別為ab、中室面積）進(jìn)行聚類分析，繪制出樹(shù)狀圖（圖2），從樹(shù)狀圖得出結(jié)論：冰清絹蝶的演化劃分為兩支，聚為兩大類，一類為天堂寨、南京、天目山、連云港四個(gè)地理居群；另一類為瑯琊山、泰山、嵩山、天水、黃柏塬、神農(nóng)架六個(gè)地理居群。聚為一類的顯示親緣關(guān)系較近。

2.3 冰清絹蝶演化路徑推測(cè)圖

根據(jù)2.2聚類樹(shù)狀圖繪制成冰清絹蝶演化路徑的推測(cè)圖（圖3）。地質(zhì)學(xué)資料顯示，大約60百萬(wàn)年以前，印度板塊和亞歐板塊碰撞導(dǎo)致的造山運(yùn)動(dòng)逐漸形成了青藏高原，包括喜馬拉雅山脈。同時(shí)，相關(guān)的分子系統(tǒng)學(xué)和分子鐘研究推測(cè)，距今大約20～30百萬(wàn)年前，絹蝶屬物種的祖先在我國(guó)西南地區(qū)（現(xiàn)今藏東南的橫斷山脈一帶）開(kāi)始形成，同時(shí)產(chǎn)生了一些適應(yīng)高海拔環(huán)境的特性，如身翅被毛，耐寒冷、耐低氧等，隨著絹蝶屬的分化和物種之間的競(jìng)爭(zhēng)，以及中新世以后，特別是第四紀(jì)期間全球氣候變化的影響，冰清絹蝶開(kāi)始向華中、華北、華東地區(qū)遷移，形成兩支演化路徑：一支由喜馬拉雅山脈經(jīng)過(guò)唐古拉山、巴顏喀拉山，到達(dá)位于秦嶺的天水、黃柏塬、神農(nóng)架一帶，再分為三小支，途經(jīng)華北平原分別向泰山、嵩山、瑯琊山三個(gè)方向遷移；另一支由喜馬拉雅山脈發(fā)源，向東遷移經(jīng)過(guò)秦嶺、四川盆地到達(dá)天堂寨、南京、天目山等地，最后沿海岸線擴(kuò)散至連云港一帶。成為我國(guó)唯一一種分布到長(zhǎng)江以南，生活在較低海拔地區(qū)的絹蝶，且對(duì)生活環(huán)境要求極為苛刻。

3 討論

安徽天堂寨位于大別山區(qū)，是南北水系的分水嶺，屬大別山系，地質(zhì)基礎(chǔ)為前震旦紀(jì)的秦嶺褶皺帶，后期受燕山期造山運(yùn)動(dòng)的顯著影響；浙江天目山和江蘇南京紫金山總體上屬于寧鎮(zhèn)山脈，是侏羅紀(jì)末到白堊紀(jì)初期，通過(guò)寧鎮(zhèn)山脈造山運(yùn)動(dòng)而形成的一條向北突出的弧形皺；江蘇連云港云臺(tái)山的地質(zhì)基礎(chǔ)則屬于華北古陸構(gòu)架。這些古地質(zhì)事件形成的山脈后來(lái)都經(jīng)過(guò)了頻繁的地質(zhì)變化過(guò)程才最終形成了現(xiàn)在的地質(zhì)地貌。

甘肅天水屬小隴山系，為秦嶺的西北緣；陜西黃柏塬地為秦嶺腹地；湖北神農(nóng)架屬大巴山系，河南嵩山屬伏牛山系，它們都是秦嶺造山帶的余脈；山東泰山構(gòu)造基礎(chǔ)為古華北地帶，后來(lái)經(jīng)漫長(zhǎng)而又復(fù)雜的演化過(guò)程才形成今天的地貌；安徽瑯琊山為江淮之間的低山丘陵地帶，系大別山系向東延伸而成的余脈。

總之，上述地質(zhì)過(guò)程，包括較晚近的燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期（在地史上主要屬于侏羅紀(jì)末到古近紀(jì)初這段時(shí)期，距今約2億1千萬(wàn)年開(kāi)始到6 500萬(wàn)年前為止）相對(duì)于絹蝶種群的分化時(shí)期而言（據(jù)分子鐘推測(cè)為350萬(wàn)前至30萬(wàn)年前）是一個(gè)十分古老的時(shí)期，因而，這些地質(zhì)因素對(duì)冰清絹蝶的擴(kuò)散無(wú)關(guān)。

綜合多方面證據(jù)分析，筆者推測(cè)，冰清絹蝶不同居群間的擴(kuò)散路徑與其地理分布（相關(guān)山脈分布、走向及地理隔離等）之間有明顯的相關(guān)性，即地質(zhì)歷史上，第四紀(jì)開(kāi)始至今的地質(zhì)、生物環(huán)境和氣候變化因素對(duì)冰清絹蝶的擴(kuò)散路徑和現(xiàn)代地理分布產(chǎn)生了重要影響。譬如，第一進(jìn)化支（天堂寨、天目山、南京、連云港四個(gè)地理居群）各居群的生態(tài)環(huán)境極為相似，均位于華北平原與長(zhǎng)江中下游平原地帶，海拔較低，降水豐富，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候與溫帶季風(fēng)氣候交界處；而第二進(jìn)化支（天水、黃柏塬、神農(nóng)架、嵩山、泰山五個(gè)地理居群）的生態(tài)環(huán)境類似，海拔相對(duì)較高、氣溫也相對(duì)較低，地處內(nèi)陸，降水相對(duì)較少。至于安徽瑯琊山的居群，單從地理因素考慮，理論上應(yīng)屬于第一進(jìn)化支，這與安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分子系統(tǒng)學(xué)與進(jìn)化研究室利用分子手段分析的結(jié)果基本一致（實(shí)驗(yàn)結(jié)果暫未發(fā)表）。但從形態(tài)上看，瑯琊山居群確實(shí)很特殊（如后翅基部較大范圍明顯的黑色斑塊，體毛為灰白色），且和嵩山或泰山等高緯度地區(qū)的居群極為相似。筆者推測(cè)這有可能受其寄主植物及采蝶時(shí)（2013年4月29日）當(dāng)年的氣候影響，因?yàn)椴煌瑲夂颍ㄈ珀幱辍⒏珊?、季?jié)變化等），寄主植物均影響蝶類個(gè)體發(fā)生和發(fā)育。

筆者查閱了冰清絹蝶寄主植物和氣象的相關(guān)資料。資料顯示，延胡索是瑯琊山冰清絹蝶的唯一寄主植物，且大都分布在瑯琊山山頂（海拔200～300 m），且蝶類對(duì)寄主植物專一性較強(qiáng)。雖然它們有一定的遷飛能力，但其分布仍然以寄主為中心。據(jù)文獻(xiàn)記載，延胡索瑯琊山居群的6種主要異喹啉生物堿含量在河南、安徽、浙江、江蘇、江西等12個(gè)居群中大都高于其它居群含量。尤其是紫堇堿含量最高（0.44%），比含量最低的江西宜興大灘嶺居群（0.024%）高近20倍，同時(shí)延胡索對(duì)環(huán)境要求很嚴(yán)，對(duì)于低洼易積水及水分較少的干旱地段都不適合其生長(zhǎng)，生長(zhǎng)期僅有3個(gè)月，一般分布在海拔200～800m的丘陵山區(qū)的半陰坡，系早春植物[20]；同時(shí)從安徽滁州氣象站提供氣象資料和中央氣象局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)顯示，瑯琊山地區(qū)2013年3、4月降水量均為18.4 mm，與近三十年同期均值相比，偏少7成；日照均為240 h，與常年相比偏多4成，整體氣候近為春旱，冰清絹蝶與其寄主植物休戚相關(guān)。所以，瑯琊山居群獨(dú)特的翅脈形態(tài)特征可能與其寄主植物和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件等都有密切關(guān)系。

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)10個(gè)不同地理居群冰清絹蝶翅脈幾何形態(tài)學(xué)的初步分析顯示，冰清絹蝶不同居群間的擴(kuò)散路徑與其地理分布之間有著明顯的相關(guān)性，其擴(kuò)散路徑及進(jìn)化有兩個(gè)分支，聚為兩大類：一支是天堂寨、天目山、瑯琊山、南京、連云港五個(gè)地理居群聚為一類，顯示親緣關(guān)系近；一支是天水、黃柏塬、神農(nóng)架、泰山、嵩山五個(gè)地理居群聚為一類，顯示親緣關(guān)系近。本研究完全支持安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分子系統(tǒng)學(xué)與進(jìn)化研究室利用分子手段分析的結(jié)果。研究結(jié)果表明，幾何形態(tài)學(xué)分析方法在蝶類的種內(nèi)分化研究中也是一種十分可行簡(jiǎn)易的有效手段，對(duì)于探討生物的個(gè)體發(fā)育、種群分化、系統(tǒng)進(jìn)化等多方面很有意義和價(jià)值。

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