中國縞蠅科(雙翅目：縞蠅總科)高級階元的幾何形態(tài)學分析

戚凌， 何向怡， 李文亮

(河南科技大學林學院，河南洛陽471023)

雙翅目Diptera的分類較為復(fù)雜，迄今未形成統(tǒng)一的分類體系。目前一般按照Delfinado和Hardy(1977)、Richards和Daries(1977)的分類標準，將縞蠅科Lauxaniidae劃屬于雙翅目環(huán)裂亞目Cyclorrhapha無瓣類Acalyptrata有縫組Schizophora縞蠅總科Lauxanioidea(高彩霞，2003)；目前世界已知 3亞科172屬約2 150種，我國已知32屬343種(李文亮，2014)?？c蠅總科是無瓣蠅類各總科系統(tǒng)進化過程中較為原始的類群之一，對縞蠅科昆蟲的研究是揭示無瓣蠅類各總科間系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的重要環(huán)節(jié)(李文亮，2014)。在縞蠅科分類中，往往使用傳統(tǒng)的形態(tài)學方法鑒定，即觀察記述標本的外部分類特征，然后進一步解剖、鑒定、繪圖等，需要花費大量的時間和精力。

近年來幾何形態(tài)分析方法越來越成熟，并在分類學、系統(tǒng)發(fā)育學、生物進化學等方向有所應(yīng)用。20世紀早期，生物學從定性描述向定量描述過渡；20世紀中期，傳統(tǒng)的形態(tài)測量學產(chǎn)生；20世紀80年代，形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)值化以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)得到重要突破，生物體形態(tài)的幾何信息能夠被獲得，并用于綜合分析(Rohlfetal.，1998；Perrardaetal.，2016)。這種方法利用了變量之間的角度轉(zhuǎn)換、物體表面的紋理甚至實物標本的物理性能等數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)⑸矬w形態(tài)信息中的大小和形狀分開(白明等，2014)。目前在幾何形態(tài)學分析中，最常見的方法是標點法，該方法能夠找到研究樣本之間的形態(tài)“同源信號”和“簡約信息位點”，排除樣本之間由于位置排列產(chǎn)生的差異(Yanetal.，2011)。

翅是昆蟲獲得飛翔能力的重要形態(tài)結(jié)構(gòu)，翅的形狀與昆蟲的生存方式、擴散能力有著密切的關(guān)系，翅形的變化有可能對物種的分化形成起到關(guān)鍵的作用(白明，楊星科，2007)。李玲等(2017)曾基于幾何形態(tài)學對3種實蠅翅脈形態(tài)進行了分析，并證明幾何形態(tài)學方法可用于實蠅種間的分類。段琛等(2018)也通過幾何形態(tài)學方法對3種庫蠓的翅形變化進行了分析，并成功找出了翅的主要變異區(qū)域。

目前尚無用幾何形態(tài)學方法對縞蠅科翅脈進行研究的報道，而本試驗運用幾何形態(tài)學分析中的標點法分析了翅脈在縞蠅科分類標準上的科學依據(jù)，并利用幾何形態(tài)學的原理對縞蠅科高級階元進行初步分析，探討翅位點的變異度，為縞蠅科系統(tǒng)分類開拓新的途徑，并為縞蠅科幾何形態(tài)學系統(tǒng)發(fā)育研究打下初步基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 標本材料

縞蠅科昆蟲標本來源于河南科技大學昆蟲標本館和中國農(nóng)業(yè)大學昆蟲博物館，共2亞科20屬252種(表1)。

1.2 試驗方法

1.2.1 獲取圖像用EOS450D/5D相機拍攝照片，再用Adobe Photoshop CS將圖片設(shè)置為灰度模式，并調(diào)整翅脈的角度。

1.2.2 數(shù)據(jù)提取及標準化處理用tps Util將翅脈圖片格式文件轉(zhuǎn)化為tps格式文件，然后分別對樣本進行同源標點，每個樣本均按照同樣的位置、順序標注14個標點(圖1)：(1)前緣脈(C)與肩脈(h)交點，(2)C與亞前緣脈(Sc)交點，(3)Sc與第一徑脈(R1)交點，(4)第二、三合徑脈(R2+3)與翅緣交點，(5)第四、五合徑脈(R4+5)與翅緣交點，(6)第一中脈(M1)與翅緣交點，(7)第一肘臀合脈(CuA1)與翅緣交點，(8)第二臀脈(A2)末端，(9)第二肘臀合脈(A1+CuA2)末端，(10)徑中橫脈(r-m)與R4+5交點，(11)r-m與M1交點，(12)中肘橫脈(dm-cu)與M1交點，(13)dm-cu與CuA1交點，(14)翅外緣黑色短鬃的末端。

表1 縞蠅科標本種類統(tǒng)計Table 1 Statistics of specimens in Lauxaniidae family

1.2.3 數(shù)據(jù)分析利用MorphoJ基于主成分分析(principal component analysis，PCA)和典型變量分析(canonical variate analysis，CVA)對翅脈的幾何形態(tài)學數(shù)據(jù)進行分析。先進行原始數(shù)據(jù)的主成分分析，再從不同方向分組進行不同階級的主成分分析和典型變量分析，并通過PCA和CVA的薄板樣條圖，詳細解析每個標點所代表的翅脈的差異性。

2 結(jié)果

2.1 縞蠅科總體分析

全部樣本的PCA結(jié)果(圖2)顯示：在提取的24個主成分中，第一主成分(PC1)占總變異量的30.010%，第二主成分(PC2)占總變異量的18.698%，第三主成分(PC3)占總變異量的15.377%，前三個主成分的特征值占總變異量的64.085%，能夠說明各樣本之間的主要差異。

薄板樣條分析結(jié)果(圖3)顯示：在PC1中，扭曲度最大的是標點4和14；在PC2中，標點10和11的扭曲度相對較大。說明在縞蠅科的進化與變異中，R2+3、黑色短鬃和r-m是變異度較高的翅脈，在進化中相對較不穩(wěn)定。

圖1 縞蠅科昆蟲翅的標點Fig. 1 14 landmarks on the wing of Lauxaniidae

C. 前緣脈， h. 肩脈， Sc. 亞前緣脈， R1. 第一徑脈， R2+3. 第二、三合徑脈， R4+5. 第四、五合徑脈， M1. 第一中脈， CuA1. 肘脈(Cu)與第一臀脈(A1)的部分段合并而成的第一肘臀合脈， A2. 第二臀脈， r-m. 徑中橫脈， dm-cu. 中肘橫脈， A1+CuA2. Cu與第一、二臀脈(A1、A2)合并而成的第二肘臀合脈

C. costa， h. humeral vein， Sc. subcosta， R1. first radial vein， R2+3. combined vein of second and third radial vein， R4+5. combined vein of fourth and fifth radial vein， M1. first medial vein， CuA1. combined vein of cubital and first anal vein， A2. second anal， r-m. radial-median crossvein， dm-cu. median-cubital crossvein， A1+CuA2. combined vein of cubital， first and second anal vein

圖2 縞蠅科昆蟲翅脈主成分分析Fig. 2 Principal component analysis for the wing veins of Lauxaniidae

圖3 縞蠅科昆蟲翅脈PC1與PC2的薄板樣條Fig. 3 Thin plate spline of PC1 and PC2 for the wing veins of Lauxaniidae

1～14見圖1

1-14 see Fig.1

2.2 同脈縞蠅亞科與縞蠅亞科的分析

在總體分析的基礎(chǔ)上，已知前3個主成分的特征值占總變異量的64.085%。縞蠅科2亞科的PCA結(jié)果(圖4)顯示：同脈縞蠅亞科主要聚集在PC1軸的0點以左(-0.10～0)，而縞蠅亞科主要聚集在PC1軸的0點以右(0～0.01)；兩者在PC2方向上并沒有明顯差異。縞蠅科2亞科的CVA結(jié)果(圖5)顯示：同脈縞蠅亞科與縞蠅亞科僅在橫軸的0點附近有小部分重合，而絕大部分區(qū)間是非重合的。同脈縞蠅亞科與縞蠅亞科在PC1和CV1方向上具有明顯的差異，說明這2個亞科能夠通過幾何形態(tài)學方法分析翅脈特征來進行分類鑒定。

圖4 同脈縞蠅亞科(紅色)與縞蠅亞科(藍色)翅脈的主成分分析散點
Fig. 4 Principal component analysis for the wing veins of Homeoneuriae (red) and Lauxaniinae (blue)

圖5 同脈縞蠅亞科(紅色)與縞蠅亞科(藍色)翅脈的典型變量分析柱形Fig. 5 Canonical variate analysis for the wing veins of Homeoneuriae (red) and Lauxaniinae (blue)

CV1與PC1的薄板樣條圖(圖6)顯示：扭曲度最大的點均為標點4、14，扭曲度較小的均為標點1、5和6。說明R2+3和黑色短鬃的變異度最大，而C、R4+5和M1的變異度較大。

2.3 縞蠅科4屬間的分析

為了找出縞蠅科在屬級特征上的翅脈變化，本試驗選擇了4個樣本數(shù)量相對較多的屬(表2)，即同脈縞蠅屬Homoneura、黑縞蠅屬Minettia、四帶縞蠅屬Tetroxyrhina和斑縞蠅屬Trypetisoma進行CVA。在CVA中，前3個典型變量分別占總變異量的74.767%、18.956%和6.277%，共計100%。

CVA結(jié)果(圖7)顯示：不同屬各自聚集在不同區(qū)域，說明這4屬在翅脈上能作出明顯區(qū)分。

薄板樣條圖(圖8)顯示：在CV1薄板樣條中，標點4和14相對扭曲度較大，且它們的變異趨勢相反，說明R2+3與翅緣的交點向上變異，黑色短鬃則越來越靠近標點5，R2+3與短鬃間的距離是逐漸增大的。在CV2薄板樣條中，扭曲度較大的是標點10和11，說明r-m有相對右移且增長的變異趨勢；標點1、2、6和7的變異度極小，說明這些點所對應(yīng)的C、Sc、M1和CuA1是相對穩(wěn)定、不易變異的。

圖6 同脈縞蠅亞科與縞蠅亞科翅脈CV1和PC1的薄板樣條
Fig. 6 Thin plate spline of CV1 and PC1 for the wing veins of Homeoneuriae and Lauxaniinae

表2 縞蠅科4屬間分析的樣本數(shù)量Table 2 Number of samples for the 4 genera of Lauxaniidae

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

總體分析、兩大亞科分析和4個常見屬分析結(jié)果顯示，R2+3與翅緣交點、黑色短鬃端點和r-m端點是變異度較大的位點，R4+5與翅緣交點、M1與翅緣交點、CuA1與翅緣交點為穩(wěn)定的位點；翅緣黑色短鬃端點可作為亞科的重要鑒別特征，這與傳統(tǒng)的縞蠅科分類標準相吻合，證明了本次試驗的可行性與科學性；4屬分析中屬間離散度較高，說明標點法能較好地進行屬級階元的鑒別。

3.2 討論

本試驗得到的幾何形態(tài)學分析結(jié)果與傳統(tǒng)形態(tài)學鑒定結(jié)果相一致，即二者的相互印證度較好，證明了幾何形態(tài)學方法在縞蠅分類中應(yīng)用的可行性。但本試驗采用的部分縞蠅屬的樣本數(shù)量較少，且每種僅選取了1個樣本，可能會對試驗結(jié)果有一定影響。在屬間分析中，4個常見屬不足以代表整個縞蠅科，下一步可以增加各個種的樣本數(shù)量，擴充樣本后進一步在低級階元如屬間或種間進行分析研究。此外，本試驗選取的標點數(shù)量較少，且未結(jié)合翅輪廓的變化進行比較，研究結(jié)果只能確定一些差異性較大的翅脈。而翅的輪廓特征也是相對較重要的翅特征之一，曾有用半標點法結(jié)合翅輪廓對蟻蛉科Myrmeleontidae昆蟲進行幾何形態(tài)學分析的研究(詹慶斌，2014)，所以可以更進一步結(jié)合縞蠅翅輪廓的研究來補充證明翅在分類依據(jù)上的重要性。

圖7 縞蠅科4屬翅脈的典型變量分析散點
Fig. 7 Canonical variate analysis for the wing veins of the 4 genera of Lauxaniidae

H. 同脈縞蠅屬Homoneura， M. 黑縞蠅屬Minettia， TET. 四帶縞蠅屬Tetroxyrhina， TRY. 斑縞蠅屬Trypetisoma

圖8 縞蠅科4屬翅脈的CV1與CV2薄板樣條Fig. 8 Thin plate spline of CV1 and CV2 for the wing veins of 4 genera of Lauxaniidae

1～14見圖1

1-14 see Fig.1

除了將翅作為分析對象，幾何形態(tài)學方法還能夠通過昆蟲其他部位的特征來進行分類鑒定等研究。在關(guān)于昆蟲分類地位的研究中，李榮榮等(2019)通過幾何形態(tài)學方法對二星蝽屬Eysarcoris及其近緣屬昆蟲的小盾片形狀進行了分析，并根據(jù)試驗結(jié)果將二星蝽屬劃歸于二星蝽族。在有關(guān)昆蟲進化發(fā)育的研究中，曾有利用幾何形態(tài)學方法對鍬甲的前胸背板與鞘翅進行分析從而探究其演變進化的試驗，該研究使用半標點法標注了鍬甲前胸背板與鞘翅的外輪廓，并結(jié)合分子數(shù)據(jù)建立了系統(tǒng)發(fā)育樹，對鍬甲的外部形態(tài)演變作出了推斷(Zhangetal.，2019)。在昆蟲形態(tài)與功能關(guān)系的研究中，佟一杰等(2016)對蜣螂后胸叉骨的形態(tài)多樣性進行了幾何形態(tài)學定量評估，證明滾糞球或直接掘洞的行為會對蜣螂后胸叉骨的形態(tài)有顯著性影響?；谏鲜龀晒Φ难芯堪咐?，本試驗下一步考慮將除了翅以外的其他部位特征作為幾何形態(tài)學分析對象。在縞蠅科昆蟲中，背中鬃著生位點是一個顯著的形態(tài)分類特征，所以本試驗將嘗試用幾何形態(tài)學方法分析中鬃著生位點，以期能夠與翅的分析結(jié)果相結(jié)合，對縞蠅科昆蟲進行更準確的分類。

近年來，昆蟲學依據(jù)其獨有的特性及后發(fā)優(yōu)勢，將幾何形態(tài)學的應(yīng)用推向一個新的高度，未來將不斷開拓新的研究模式與方向。昆蟲占領(lǐng)了眾多生態(tài)位，并產(chǎn)生了極為多樣的形態(tài)適應(yīng)，通過幾何學與發(fā)育生物學、支序系統(tǒng)學、古生物學、生態(tài)學等方面證據(jù)的深度結(jié)合與相互印證，可從獨特的角度對相關(guān)科學問題進行解讀(Baylacetal.，2003)。