不同地區(qū)北樹鼩頭骨幾何形態(tài)特征差異分析

李海軍 賈 婷 高文榮 張 浩 朱萬龍 劉 璐 彭鴻碧 王政昆*

(1.云南省高校西南山地生態(tài)系統(tǒng)動植物生態(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，生物能源持續(xù)開發(fā)利用教育部工程研究中心，云南省生物質(zhì)能與環(huán)境生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明，650500；2.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，昆明，650106；3.昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，昆明，650033)

頭骨的形態(tài)變化與動物生存環(huán)境息息相關(guān)，其生存環(huán)境的不同可引起形態(tài)變異發(fā)生[1-2]。頭骨形態(tài)作為系統(tǒng)演化和分類學(xué)的基礎(chǔ)，在研究種間、種內(nèi)關(guān)系及哺乳動物地理演化等方面有重要意義[3-4]。幾何形態(tài)測量技術(shù)中的一個核心問題是形態(tài)變異[5]，并且?guī)缀涡螒B(tài)測量技術(shù)由于有只需考慮樣本結(jié)構(gòu)而不需考慮樣本大小的優(yōu)點(diǎn)，在嚙齒類動物種間、種內(nèi)的研究中被廣泛應(yīng)用[6-7]。國內(nèi)外學(xué)者將其廣泛用于動物頭骨的測定，國外學(xué)者Rincón和Marugán-Lobón等[8-10]研究報道了4種魚類形態(tài)差異和鳥類骨骼差異的形成與其食性、溫度、經(jīng)緯度、海拔和地理阻隔有關(guān)；國內(nèi)學(xué)者亦有相關(guān)報道，章迪等[11]對高山姬鼠(Apodemuschevrieri)、大絨鼠(Eothenomysmiletus)臼齒和頭骨特征的研究發(fā)表了相關(guān)報告，楊紅等[12]對中華姬鼠(Apodemusdraco)的頭骨特征發(fā)表了相關(guān)報告，闡明了高山姬鼠、大絨鼠和中華姬鼠的形態(tài)差異與其生境的經(jīng)緯度、飲食習(xí)性、海拔、溫度和地理阻隔有關(guān)[11-14]。

北樹鼩(Tupaiabelangeri)屬攀鼩目(Scandentia)樹鼩科(Tupaiidae)，是東洋界特有類群，在國內(nèi)主要分布于云南、四川、貴州、廣西和海南島。在高山、高原和島嶼等生境均有分布，分布地區(qū)的生境具有一定的差異。同一物種在不同的生存環(huán)境中，由于自然環(huán)境的差異，會引起其形態(tài)特征變異[15]。本研究通過對12個不同地區(qū)的北樹鼩頭骨進(jìn)行研究分析，探討各地區(qū)北樹鼩的形態(tài)變異與生存環(huán)境的關(guān)系，為研究北樹鼩的形態(tài)適應(yīng)提供了一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

本研究中所用的134個動物樣本采樣地信息分別采自三亞(n=7，109°21′—109°48′E，18°23′—18°53′N)、大新(n=7，106°39′—107° 29′E，22°29′—23°05′N)、樂業(yè)(n=14，106°10′—106°51′E，24°30′—25°03′N)、興義(n=11，104°51′—104°55′E，24°38′—25°23N)、河口(n=13，103°23′—104°17′E，22°30′—23°02′N)、昆明(n=16，102°10′—103°40′E，24°23′—26°22′N)、西昌(n=11，101°46′—102°25′E，27°32′—28°10′N)、勐臘(n=8，101°05′—101°50′E，21°09′—22°23′N)、大理(n=12，98°52′—101°03′E，24°41′—26°42′N)、片馬(n=13，98°34′—99°09′E，25°33′—26°32′N)、騰沖(n=12，98°05′—98°45′E，24°38′—25°52′N)和祿勸(n=10，98°05′—98°45′E，24°38′—25°52′N)12個地區(qū)。動物斷頸處死，采用左木林等[16]制做頭骨標(biāo)本的方法制備北樹鼩頭骨。性二型在研究樣本形態(tài)時，可以忽略性二型的影響，對樣本統(tǒng)一計數(shù)[17]。

1.2 獲取數(shù)據(jù)

本研究結(jié)合實(shí)際情況，采用幾何形態(tài)測量技術(shù)中的標(biāo)點(diǎn)法對樣本進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)。將所得的樣本標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)化，再進(jìn)一步對已數(shù)據(jù)化的頭骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)整合處理，而形態(tài)變異則可以通過薄片樣條法(thin plate spine，TPS)得以體現(xiàn)[7]。

1.2.1 圖片獲取

用索尼DSC-HX400相機(jī)對北樹鼩頭骨背面、腹面、側(cè)面和下頜側(cè)面統(tǒng)一拍照，拍照時需將可控因素固定統(tǒng)一，這樣有利于盡可能地減少誤差，如，將照相機(jī)的位置和角度固定安置，擺放頭骨的平面選擇在同一個位置等。在頭骨的拍照過程中僅對頭骨左半側(cè)部分拍照分析以避免不對稱造成的影響，這樣得到的數(shù)據(jù)更加具有可行性。

1.2.2 圖片數(shù)字化

首先對標(biāo)準(zhǔn)條件下拍攝的4種標(biāo)記頭骨圖進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)記[17](圖1)，再將其通過TPSDIG2軟件進(jìn)行數(shù)字化處理[18]。至少對每種標(biāo)記圖中的每一個樣本數(shù)字化6次，標(biāo)點(diǎn)的數(shù)字化均由同一個人完成，避免不同的人數(shù)字化造成的誤差。利用標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)平面圖檢測重復(fù)次數(shù)變化較大的標(biāo)點(diǎn)，應(yīng)用算數(shù)平均數(shù)的非加權(quán)成組配對法UPGMA(unweighted pairgroup method using anarithmetic average)對6次重復(fù)的標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聚類分析，相對于標(biāo)本形狀差異，數(shù)字化引起的誤差可以忽略不計。

圖1 北樹鼩頭骨背面、腹面、側(cè)面和下頜側(cè)面標(biāo)點(diǎn)標(biāo)記Fig.1 Landmark configurations on the dorsal，the ventral，the lateral and the lateral mandible of cranium of Tupaia belangeri

1.2.3 頭骨12項指標(biāo)的測量

對每個頭骨樣本測定12項指標(biāo)：顱全長、顱基長和枕鼻長等各項指標(biāo)均參照獸類頭骨測量標(biāo)準(zhǔn)和嚙齒類動物頭骨測量方法進(jìn)行測量[19-22]。

1.2.4 去除非形態(tài)變異

在數(shù)據(jù)采集過程中，通過對樣本的尺寸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，本研究采用廣義普魯克分析GPA(generalized procrustes analysis)去除由于為因素造成位置不同而產(chǎn)生的誤差。

1.2.5 薄片樣條法

形狀差異采用Thompson等[23]的變形網(wǎng)格表示，即薄片樣條法，通過計算機(jī)嚴(yán)格計算，使變形網(wǎng)格進(jìn)行可視化，將一個頭骨實(shí)物變形為可視化的物體，用描述物體之間差異的變形網(wǎng)格來描述形狀特征[24]。應(yīng)用薄片樣條法得出的參數(shù)可以作為樣本間和樣本內(nèi)形態(tài)變異統(tǒng)一比較時的參數(shù)變量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 19.0軟件包對頭骨12項指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和聚類分析，采用薄片樣條分析(TPS)和主成分分析(PCA)對北樹鼩頭骨進(jìn)行分析；對得到的前3個主成分值做判別函數(shù)分析，再將4個面組合得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多維尺度分析[25]。

2 結(jié)果

2.1 頭骨背面

通過主成分分析顯示：前3個主成分的特征值占89.1%(表1)；根據(jù)第一和第二主成分作散點(diǎn)圖，結(jié)果顯示8個地區(qū)(樂業(yè)、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)的頭骨側(cè)面聚集在一起，三亞和大新各自為一塊，片馬和騰沖聚集在一起(圖2)。從薄片樣條分析結(jié)果中得出：顴弓、鼻骨和眼眶是頭骨背面中形態(tài)變異多發(fā)生的部位(圖3)。

表1 北樹鼩頭骨背面主成分分析Tab.1 Principal component analysis of the dorsal cranium of Tupaia belangeri

圖2 北樹鼩頭骨背面第一和第二主成分散點(diǎn)Fig.2 First and second principle component of scatter points for dorsal cranium of Tupaia blangeri

圖3 頭骨背面薄片樣條分析(a.三亞，b.興義，c.西昌，d.騰沖，e.大新，f.河口，g.大理，h.勐臘，i.樂業(yè)，j.昆明，k.片馬，l.祿勸)Fig.3 Plots of TPS of dorsal cranium in Tupaia belangeri(a.Sanya，b.Xingyi，c.Xichang，d.Tengchong，e.Daxin，f.Hekou，g.Dali，h.Mengla，i.Leye，j.Kunming，k.Pianma，l.Luquan)

2.2 頭骨側(cè)面

通過主成分分析顯示：前3個主成分的特征值占全部變量的90.5%(表2)；根據(jù)第一和第二主成分作散點(diǎn)圖，結(jié)果顯示8個地區(qū)(樂業(yè)、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)的頭骨側(cè)面聚集在一起，三亞和大新各自為一塊，片馬和騰沖聚集在一塊(圖4)。從TPS分析結(jié)果中得出：眼眶、鼻骨、顴骨和前臼齒是北樹鼩頭骨側(cè)面中形態(tài)變異多發(fā)生的部位(圖5)。

表2 北樹鼩頭骨側(cè)面主成分分析Tab.2 Principal component analysis of the lateral cranium of Tupaia belangeri

圖4 北樹鼩頭骨側(cè)面第一和第二主成分散點(diǎn)Fig.4 First and second principle component of scatter points for lateral cranium of Tupaia belangeri

圖5 中緬樹鼩頭骨側(cè)面薄片樣條分析

2.3 頭骨腹面

通過主成分分析顯示：前3個主成分的特征值占78.1%(表3)；根據(jù)第一和第二主成分作散點(diǎn)圖，結(jié)果顯示：各個地區(qū)的北樹鼩樣本有不同程度的重疊，其中8個地區(qū)(樂業(yè)、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)聚集在一起，三亞和大新地區(qū)各自為一塊，片馬和騰沖地區(qū)聚集在一起(圖6)。從TPS分析結(jié)果中得出：聽泡、第一臼齒上頜骨外側(cè)最內(nèi)凹點(diǎn)和第一臼齒齒冠內(nèi)側(cè)緣點(diǎn)是北樹鼩頭骨腹面中形態(tài)變異多發(fā)生的部位(圖7)。

表3 北樹鼩頭骨側(cè)面主成分分析Tab.3 Principal component analysis of the ventral cranium of Tupaia belangeri

圖6 北樹鼩頭骨腹面第一和第二主成分散點(diǎn)Fig.6 First and second principle component of scatter points for ventral cranium of Tupaia belangeri

圖7 中緬樹鼩頭骨腹面薄片樣條分析

2.4 下頜側(cè)面

通過主成分分析顯示：前3個主成分的特征值占全部變量的86.2%(表4)；根據(jù)第一和第二主成分作散點(diǎn)圖，結(jié)果顯示(樂業(yè)、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)聚集在一起，三亞和大新地區(qū)各自為一塊，片馬和騰沖地區(qū)單獨(dú)聚在一起(圖8)。從TPS分析結(jié)果中得出：角突前最上凹點(diǎn)、下頜中部最低點(diǎn)和臼齒齒槽是北樹鼩下頜側(cè)面中形態(tài)變異多發(fā)生的位置(圖9)。

表4 北樹鼩頭骨側(cè)面主成分分析Tab.4 Principal component analysis of the lateral mandible of Tupaia belangeri

圖8 北樹鼩頭骨下頜側(cè)面面第一和第二主成分散點(diǎn)Fig.8 First and second principle component of scatter points for lateral mandible of Tupaia belangeri

圖9 北樹鼩下頜側(cè)面薄片樣條分析

2.5 多維尺度分析

將所有樣本數(shù)據(jù)整合進(jìn)行多維尺度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：12個地區(qū)的北樹鼩頭骨形態(tài)存在差異，對照表1中的信息和圖10中第一維方向上的排列次序可知，三亞、大新、10個地區(qū)(樂業(yè)、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)以及片馬和騰沖4個集群與經(jīng)度趨勢相同，而對照表1和第二維度方向上的排列趨勢可知，除三亞地區(qū)外，其余11個地區(qū)的趨勢與海拔、溫度、維度相同(圖10)。個體權(quán)重空間分布圖顯示評分見表5，頭骨背面和頭骨側(cè)面評分第一維度的貢獻(xiàn)較大；頭骨腹面和下頜側(cè)面評分對第二維度貢獻(xiàn)較大(圖11)。

表5 頭骨4個面的評分Tab.5 Evaluation of four sides on the skull

圖10 北樹鼩12個地區(qū)頭骨數(shù)據(jù)綜合的多維尺度分布Fig.10 Diagram of Multidimensional scaling for combined datasets of skull in 12 regions of Tupaia belangeri

圖11 北樹鼩頭骨個體權(quán)重空間分布Fig.11 Diagram of dimension weights for cranium of Tupaia belangeri

3 討論

幾何形態(tài)學(xué)可反映物種在不同生存條件下的進(jìn)化特征和進(jìn)化模式，并且為物種分類提供依據(jù)。目前，幾何形態(tài)測量技術(shù)被學(xué)者廣泛應(yīng)用于不同的研究方向[26]，例如：蜜蜂前翼的大小和形狀是從無翼蜜蜂的近親中演變而來[27]；根據(jù)人類飲食的差異，牙分成3種牙合類型[28]；攝影測量法和幾何形態(tài)測量法相互結(jié)合可準(zhǔn)確地估計出大型哺乳動物鼻子的大小和形狀[29]；橫斷山高山姬鼠頭骨的形態(tài)差異與各種群生存的維度和海拔有關(guān)[25]。此外，在研究土撥鼠頭骨中發(fā)現(xiàn)，顱骨和下頜骨在發(fā)育過程中以一種高度整合的方式發(fā)生共變[30]，并且結(jié)合頭骨背面和下頜骨的研究以及其行為的觀察，強(qiáng)調(diào)了基因分析與形態(tài)學(xué)和行為學(xué)研究相輔相成，表明在評估種群獨(dú)特性和仔細(xì)規(guī)劃保護(hù)策略方面具有重要作用[31-33]。

本研究采樣點(diǎn)自西向東依次為騰沖、片馬、大理、勐臘、西昌、祿勸、昆明、河口、興義、樂業(yè)、大新和三亞，其中相對偏東方向的三亞和大新兩個地區(qū)的海拔較低且年均溫度較高。主成分分析顯示：北樹鼩頭骨背面、側(cè)面、腹面和下頜側(cè)面中8個地區(qū)(樂業(yè)、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)的頭骨側(cè)面聚集在一起，三亞和大新各自為一塊，片馬和騰沖聚集在一起。薄片樣條分析顯示：12個地區(qū)的頭骨背面、側(cè)面、腹面和下頜側(cè)均有形態(tài)差異，這可能與其生境的地理分布有關(guān)。其中，顴弓、鼻骨和眼眶是頭骨背面中形態(tài)變異多發(fā)生的部位；眼眶、鼻骨、顴骨和前臼齒是北樹鼩頭骨側(cè)面中形態(tài)變異多發(fā)生的部位；聽泡、第一臼齒上頜骨外側(cè)最內(nèi)凹點(diǎn)和第一臼齒齒冠內(nèi)側(cè)緣點(diǎn)是北樹鼩頭骨腹面中形態(tài)變異多發(fā)生的部位；角突前最上凹點(diǎn)、下頜中部最低點(diǎn)和臼齒齒槽是北樹鼩下頜側(cè)面中形態(tài)變異多發(fā)生的位置。這些形態(tài)變異發(fā)生的位置均在鼻腔、眼眶和聽泡器官部位，這3個部位對外界的感知極其敏感，對感知外界環(huán)境有及其重要的作用。例如，動物鼻腔的形態(tài)可直接顯示水分的散失程度來反映其生存環(huán)境溫度[34]。

多維尺度分析顯示：騰沖、片馬、大理、勐臘、西昌、祿勸、昆明、河口、興義、樂業(yè)、大新和三亞12個地區(qū)北樹鼩頭骨形態(tài)均有差異，在第一維度方向上，三亞、大新、8個地區(qū)(樂業(yè)、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)以及片馬和騰沖4個集群與經(jīng)度趨勢相同，由此推測經(jīng)度可能是影響4個北樹鼩集群形態(tài)差異的因素，而在第二維度方向上，除三亞地區(qū)外，其余11個地區(qū)的趨勢與海拔、溫度、維度相同，由此推測海拔、溫度、維度可能是其影響因素。頭骨各個面經(jīng)個體權(quán)重分布圖顯示：頭骨背面和側(cè)面對第一維度評分的貢獻(xiàn)相對較大，頭骨腹面和下頜側(cè)面對第二維度評分的貢獻(xiàn)相對較大，綜合多維尺度分析結(jié)果得出：北樹鼩頭骨背面和側(cè)面形態(tài)差異受經(jīng)度影響較大，頭骨腹面和下頜側(cè)面形態(tài)差異受海拔、緯度和溫度的影響較大。說明12個地區(qū)北樹鼩頭骨形態(tài)差異均受經(jīng)緯度、海拔和溫度的影響，在這些因素的共同作用下引起形態(tài)的顯著差異，使得12個地區(qū)的北樹鼩可分為4支亞群。即，三亞地區(qū)為一枝亞群，大新地區(qū)為一枝亞群，騰沖和片馬為一枝亞群，其余8個地區(qū)(樂業(yè)、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)為一枝亞群，其中地理阻隔增加了三亞地區(qū)亞群和其他3枝亞群的差異。

綜上所述，騰沖、片馬、大理、勐臘、西昌、祿勸、昆明、河口、興義、樂業(yè)、大新和三亞地區(qū)北樹鼩的頭骨形態(tài)有顯著差異，且頭骨背面、側(cè)面、腹面和下頜側(cè)面中均有形態(tài)變異顯著的位置。由經(jīng)緯度、海拔、溫度影響而引起形態(tài)差異的結(jié)果可將12個地區(qū)的北樹鼩分為4個亞群，這反映了北樹鼩應(yīng)對不同生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性形態(tài)變異。