峨眉齒蟾蝌蚪功能性狀種內(nèi)變異的研究

吳小清， 柳夢雨， 伍勇， 王剛， 2*

(1. 成都師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，成都611130； 2. 成都師范學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護研究所，成都611130)

在傳統(tǒng)的生物多樣性研究中，生態(tài)學(xué)家主要關(guān)注物種本身，強調(diào)物種豐富度在生態(tài)系統(tǒng)中的重要性(Tilman，1997)。但實際上生物多樣性是一個集合的概念，涵蓋了諸多方面(Gaston，1996；Purvis & Hector，2000)。因為每一個物種在生態(tài)系統(tǒng)中扮演的角色和功能各不相同，單純的關(guān)注物種豐富度不能準確地解析生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系(Lavorel & Garnier，2002；Bolnicketal.，2011)。因此，近20年來，越來越多的生態(tài)學(xué)家提出了功能生態(tài)學(xué)的概念，建議用功能多樣性這一生物多樣性的重要組成部分來解析種群生態(tài)學(xué)和群落生態(tài)學(xué)的諸多問題，如物種與物種之間的關(guān)系、群落形成機制、生物多樣性對干擾的響應(yīng)，以及生產(chǎn)率和營養(yǎng)循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)過程等(Rudolf，2006，2008；Yangetal.，2014；Zhaoetal.，2019a)。

功能多樣性需要根據(jù)物種的功能性狀和其在群落中所占的豐度來進行計算(Villégeretal.，2008)。而功能性狀則指那些能夠影響生物體自身狀況的生物體特性，如植物的功能性狀涉及其生長(如植物高度和植物結(jié)構(gòu))、形態(tài)(如葉片面積和厚度)和營養(yǎng)組成(如C∶N比值和葉片干重)等(Díazetal.，2013)。而大多數(shù)動物的功能性狀主要通過生態(tài)形態(tài)學(xué)性狀(即形態(tài)學(xué)性狀的比值)來獲取，以反映其在生態(tài)系統(tǒng)中的重要功能(Zhaoetal.，2017)，如蝌蚪的攝食和棲息地利用(Strau?etal.，2010)、鳥類的覓食運動(Ricklefs，2012)，以及魚類的攝食和運動(Zhaoetal.，2014)等。在最初的功能生態(tài)學(xué)研究中，生態(tài)學(xué)家常常假設(shè)功能性狀的種內(nèi)變異遠遠小于種間變異，因而采用同一物種多個個體功能性狀的平均值來進行計算(Villégeretal.，2010；Ricklefs，2012)。但隨著研究的深入，生態(tài)學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)同一物種不同個體的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)性狀也存在差異(如繁殖力、壽命和大小等；Bolnicketal.，2011)。針對這一發(fā)現(xiàn)，生態(tài)學(xué)家進一步揭示了功能性狀種內(nèi)變異和種間變異的程度可能同樣重要，并據(jù)此提出了基于個體的功能生態(tài)學(xué)(individual based functional ecology)的概念(Bolnicketal.，2011)。

隨著這一概念的提出，生態(tài)學(xué)家們陸續(xù)對植物和動物功能性狀的種內(nèi)變異進行了研究，不僅揭示了生物體功能性狀種內(nèi)變異的產(chǎn)生可能由多種原因造成，還發(fā)現(xiàn)這種變異同樣會對生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生重要影響。如Auger和Shipley(2013)對加拿大高特自然保護區(qū)落葉喬木林群落的功能性狀進行了研究，發(fā)現(xiàn)種內(nèi)變異占群落中功能性狀總變異的28%，主要與棲息地及其外界環(huán)境因子相關(guān)。而Zhao等(2014)揭示了大口黑鱸Micropterussalmoides功能性狀的種內(nèi)變異系數(shù)在5%～32%之間，主要與其個體發(fā)育和食性分化相關(guān)。但現(xiàn)有功能性狀種內(nèi)變異的研究集中于植物、無脊椎動物和魚類等，對兩棲動物特別是其幼體蝌蚪的關(guān)注較少。蝌蚪在淡水生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的作用，通過攝食和運動影響水體中初級消費者的豐度和組成，進而影響生態(tài)系統(tǒng)功能和過程(Ranvesteletal.，2004；Connellyetal.，2008)。因此，揭示蝌蚪功能性狀的種內(nèi)變異不僅可以為我們提供兩棲動物多樣性保護的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還能幫助我們更好地了解蝌蚪多樣性和淡水生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系，豐富生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的理論。本研究以峨眉齒蟾Oreolalaxomeimontis蝌蚪為研究對象，通過計算該物種不同發(fā)育階段在功能生態(tài)位中占據(jù)的空間，采用3個指標(功能豐富度、功能定位和不同發(fā)育階段功能生態(tài)位的重疊度)對其功能性狀的種內(nèi)變異進行研究。

1 材料與方法

1.1 模式動物和標本

峨眉齒蟾隸屬兩棲綱Amphibia無尾目Anura角蟾科Megophryidae齒蟾屬Oreolalax，主要分布在四川峨眉、洪雅等地(費梁等，2012)，被世界自然保護聯(lián)盟(IUCN)瀕危物種紅色名錄列為瀕危(EN)等級(IUCN，2016)、《中國兩棲動物受威脅現(xiàn)狀評估》(江建平等，2016)列為易危(VU)物種，亟需開展保護生物學(xué)的相關(guān)研究工作。為了不對動物的野生資源造成破壞，從中國科學(xué)院成都生物研究所兩棲爬行動物標本館借閱了85號峨眉齒蟾蝌蚪福爾馬林浸制標本開展相關(guān)研究工作。這些標本均在1963年9月由研究人員采用手抄網(wǎng)隨機采集于四川峨眉山扁擔溝，能較好地代表當?shù)氐亩朊箭X蟾蝌蚪野生種群。隨著全球生物多樣性的急速下降，福爾馬林浸制標本在科學(xué)研究中扮演著越來越重要的角色，已經(jīng)被全球科學(xué)家廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)學(xué)(Huangetal.，2016)、形態(tài)學(xué)(Arratia & Quezada-Romegialli，2017)、生態(tài)學(xué)(Zhaoetal.，2017；許丹等，2020)和骨骼學(xué)(Zhangetal.，2019)研究。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

動物在生態(tài)系統(tǒng)中具有多種功能性表現(xiàn)，如攝食、運動、營養(yǎng)循環(huán)、繁殖和反捕食等，而每一種功能性表現(xiàn)均可采用對應(yīng)的功能性狀來進行描述(Villégeretal.，2017)。在蝌蚪功能生態(tài)學(xué)研究中，常常關(guān)注其在水生生態(tài)系統(tǒng)中最主要的2個功能性表現(xiàn)，即攝食和運動(Zhaoetal.，2017；許丹等，2020)。因此，一般采用多個生態(tài)形態(tài)學(xué)性狀對蝌蚪的這2個功能性表現(xiàn)進行描述。一方面這些性狀被廣泛認為能在某種程度上反映蝌蚪的功能性表現(xiàn)，另一方面也滿足功能生態(tài)學(xué)研究中選取功能性狀的準則：即功能性狀需要較為容易地在大批量樣本中獲取以便于開展計算和研究(Dumayetal.，2004)。參考Zhao等(2017)和許丹等(2020)的研究，共選取了10個蝌蚪的生態(tài)形態(tài)學(xué)性狀作為其功能性狀(表1)。作為無單位的比值，這些功能性狀能夠較好地排除蝌蚪個體大小對形態(tài)學(xué)變化的干擾(Winemiller，1991；Villégeretal.，2010)。在這10個功能性狀中，體質(zhì)量的對數(shù)轉(zhuǎn)換值同時與蝌蚪的攝食和運動功能相關(guān)；口器形狀、口器位置和眼睛位置等3個功能性狀和蝌蚪的攝食功能相關(guān)；而尾部形狀、尾部位置、尾部控制方式、身體形狀、軀干彎曲形狀和出水孔位置等6個功能性狀與蝌蚪的運動功能相關(guān)。每一個功能性狀都具有其特殊的生態(tài)學(xué)意義，如口器位置反映了蝌蚪在水體中捕食的位置，口器形狀反映了蝌蚪的主要食物來源及獲取，而尾部控制方式則反映了蝌蚪在水體中運動的推進能力和機動性。

表1 峨眉齒蟾蝌蚪的10個功能性狀Table 1 Ten functional traits of Oreolalax omeimontis tadpoles

實際上，這些功能性狀是由10個蝌蚪外部形態(tài)學(xué)性狀計算所得，包括了全長、體長、體高、體寬、尾長、尾肌寬、尾高、口寬、眼間距和吻到出水孔距離。每1號蝌蚪標本的這些外部形態(tài)學(xué)性狀均結(jié)合游標卡尺和帶有圖像分析系統(tǒng)(Mc50-N)的體式解剖鏡(JSZ8T；江南永新，中國)在實驗室中測量所得，精確到0.01 mm。同時采用電子天平稱量了每1號蝌蚪標本的體質(zhì)量，精確到0.01 g。此外，每1號蝌蚪標本所處的發(fā)育時期根據(jù)Gosner(1960)的方法進行判定。為保證一致性，形態(tài)學(xué)性狀的測量和發(fā)育時期的判定工作均由同一人完成。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

首先計算每一個功能性狀的變異系數(shù)以反映單個性狀種內(nèi)變異的強度。然后參照趙爾宓(1990)的方法，將85號峨眉齒蟾蝌蚪標本按照其所處的Gosner時期分為3個不同的發(fā)育階段，即胚胎發(fā)育期(Gosner 1～25期)、后肢芽發(fā)育期(Gosner 26～30期)和五趾分化期(Gosner 31～37期)。采用Kruskal-Wallis秩和檢驗計算各發(fā)育階段的每一個功能性狀之間的差異是否有統(tǒng)計學(xué)意義。接著參照許丹等(2020)的方法，通過計算3個指標(功能豐富度、功能定位和不同發(fā)育階段功能生態(tài)位的重疊度)來反映峨眉齒蟾蝌蚪功能性狀在不同發(fā)育階段的種內(nèi)變異狀況。

將85號峨眉齒蟾標本的10個功能性狀進行離差標準化，以賦予每個功能性狀相同的權(quán)重，得到均值為0，方差為1的功能性狀矩陣(Villégeretal.，2008)。接著對這個功能性狀矩陣進行主成分分析(PCA)，選取特征值大于1的主成分構(gòu)建多維功能生態(tài)位，將每一個個體投放在功能生態(tài)位中。采用快速凸包算法(quickhull algorithm)計算每一個發(fā)育時期在功能生態(tài)位中所占據(jù)的空間(即凸多邊形的體積)，得到每一個發(fā)育時期功能豐富度的實際測量值(Villégeretal.，2008)。通過計算每一個發(fā)育時期功能性狀的豐度加權(quán)平均值來反映其功能定位(FIde)：

式中，Pm表示個體m在其對應(yīng)的發(fā)育階段中的相對豐度，n表示個體數(shù)，Tm表示個體m的功能性狀值。

采用非參數(shù)多元方差分析(PERMANOVA)檢驗3個發(fā)育階段的功能定位差異是否有統(tǒng)計學(xué)意義。峨眉齒蟾蝌蚪3個發(fā)育階段之間功能生態(tài)位的重疊度(FOve)是其兩兩之間所占據(jù)的功能生態(tài)位的共享體積，

式中，F(xiàn)Ric(Sn)是發(fā)育階段n所占據(jù)的凸多邊形體積，F(xiàn)Ric(Sm)是發(fā)育階段m所占據(jù)的凸多邊形體積，F(xiàn)Ric(Sn∩Sm)是2個發(fā)育階段占據(jù)的凸多邊形體積的交集。FOve值越低，表示2個發(fā)育階段所占據(jù)的功能生態(tài)位差異越大，反之則表明2個發(fā)育階段所占據(jù)的功能生態(tài)位差異越小。

85號峨眉齒蟾蝌蚪標本處于Gosner 24～37期之間。其中有34號標本處于胚胎發(fā)育期(Gosner 24～25期)、22號標本處于后肢芽發(fā)育期(Gosner 26～28期)、29號標本處于五趾分化期(Gosner 31～37期)。為了消除每個發(fā)育階段個體數(shù)的不同對功能豐富度和功能生態(tài)位的重疊度產(chǎn)生的影響，進一步采用了自助法(bootstrap)從初始樣本中進行隨機替換抽樣，每次從3個發(fā)育階段中分別抽取15號(前期忽略功能性狀種內(nèi)變異的研究常測量計算同一物種15號個體的平均值來代表該物種的功能性狀值；Masonetal.，2008；Villégeretal.，2010)、22號(后肢芽發(fā)育期個體總數(shù))和29號(五趾分化期個體總數(shù))個體并重新計算每個發(fā)育階段的功能豐富度和每2個發(fā)育階段之間的功能生態(tài)位的重疊度。通過重復(fù)10 000次計算產(chǎn)生的平均值和95%置信區(qū)間來判定3個發(fā)育階段的功能豐富度之間的差異是否有統(tǒng)計學(xué)意義。所有的計算和統(tǒng)計分析均在R中進行(R Development Core Team，2011)。

2 結(jié)果

85號峨眉齒蟾蝌蚪標本中有34號標本處于胚胎發(fā)育期，體全長為43.54 mm±7.13 mm；22號標本處于后肢芽發(fā)育期，體全長為61.00 mm±7.39 mm；29號標本處于五趾分化期，體全長為83.82 mm±10.18 mm。Kruskal-Wallis秩和檢驗的結(jié)果表明，隨著個體發(fā)育的進行，10個功能性狀中的體質(zhì)量、眼睛位置、尾部形狀、尾部位置、尾部控制方式和軀干彎曲形狀等6個功能性狀之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，而口器位置、口器形狀、身體形狀和出水孔位置等4個功能性狀雖然也會出現(xiàn)一定的變化，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。根據(jù)PCA分析結(jié)果，選取前4個主成分構(gòu)建四維功能生態(tài)位。前4個主成分的特征值>1，共解釋了75.12%的總變異量(PC1=30.16%，PC2=19.97%，PC3=14.20%，PC4=10.79%)。其中，PC1主要與描述蝌蚪攝食功能與運動功能的功能性狀相關(guān)，隨著PC1值的增加，個體表現(xiàn)為體質(zhì)量更大，口器大而圓，尾部高但尾柄較薄，多采取背腹彎曲運動的方式，雖然游泳時的耐力較差，但卻具有較強的推進能力和靈活性。PC2主要與描述蝌蚪攝食功能的功能性狀相關(guān)，隨著PC2值的增加，個體表現(xiàn)為體質(zhì)量減小，口器大而圓，因此能捕獲的食物范圍越廣(表2)。

表2 前4個主成分與10個功能性狀的Pearson相關(guān)系數(shù)分析Table 2 Pearson correlation coefficients between the first 4 principalcomponents analysis axes and the 10 functional traits

在10個功能性狀中，體質(zhì)量對數(shù)值的變異系數(shù)最大，達到48.78%；出水孔位置的變異系數(shù)最小，為5.38%；口器位置為10.78%，口器形狀為9.64%，眼睛位置為7.08%，尾部形狀為13.60%，尾部位置為9.97%，尾部控制方式為11.27%，身體形狀為8.30%，軀干彎曲形狀為6.15%(圖1)。全部功能性狀變異系數(shù)的平均值為13.95%±12.79%。功能豐富度實測值的計算結(jié)果表明，峨眉齒蟾蝌蚪胚胎發(fā)育期為31.08%(n=34)，后肢芽發(fā)育期為11.29%(n=22)，五趾分化期為18.76%(n=29)。功能豐富度bootstrap的計算結(jié)果表明，當從3個發(fā)育階段內(nèi)分別隨機抽樣15號個體時，胚胎發(fā)育期的功能豐富度為9.09%±3.47%，后肢芽發(fā)育期的功能豐富度為5.99%±1.45%，五趾分化期的功能豐富度為7.52%±2.00%。通過比較95%置信區(qū)間，3個發(fā)育階段的功能豐富度之間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義。當隨機抽樣22號個體時，胚胎發(fā)育期的功能豐富度為17.44%±4.14%，五趾分化期的功能豐富度為13.52%±1.83%。通過比較95%置信區(qū)間，二者的功能豐富度之間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(表3)。當隨機抽樣29號個體時，胚胎發(fā)育期的功能豐富度為25.51%±3.33%。非參數(shù)多元方差分析結(jié)果表明，峨眉齒蟾蝌蚪3個發(fā)育階段在四維功能生態(tài)位中的功能定位之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001；圖2)。此外，胚胎發(fā)育期和后肢芽發(fā)育期之間功能生態(tài)位重疊度的實測值為17.08%，胚胎發(fā)育期和五趾分化期之間功能生態(tài)位重疊度的實測值為1.12%，后肢芽發(fā)育期和五趾分化期之間功能生態(tài)位重疊度的實測值為4.41%。隨機抽樣15號個體時，胚胎發(fā)育期和后肢芽發(fā)育期之間的功能生態(tài)位重疊度為8.24%±4.77%，胚胎發(fā)育期和五趾分化期之間為0.08%±0.20%，后肢芽發(fā)育期和五趾分化期之間為1.24%±1.31%。隨機抽取22號個體時，胚胎發(fā)育期和五趾分化期之間的功能生態(tài)位重疊度為0.33%±0.40%。

圖1 不同發(fā)育階段峨眉齒蟾蝌蚪10個功能性狀的平均值和標準差Fig. 1 Bar plots of the mean and SD values of 10 functional traits belonging to different stages of Oreolalax omeimontis tadpoles

圖2 峨眉齒蟾蝌蚪不同發(fā)育階段在功能生態(tài)位中的分布情況Fig. 2 The distribution of different stages of Oreolalax omeimontis tadpoles in the 4 dimensional functional niche

表3 峨眉齒蟾蝌蚪各發(fā)育階段的個體數(shù)，功能豐富度的實測值、自助法隨機抽樣值的95%置信區(qū)間Table 3 Number of individuals in different stages of Oreolalax omeimontis tadpoles， observed and bootstrapped functional richness values (95% confidence interval)

3 討論

本研究探討了峨眉齒蟾蝌蚪功能性狀的種內(nèi)變異情況，通過變異系數(shù)揭示了各功能性狀的種內(nèi)變異大小存在差異，但約14%的平均變異系數(shù)提示我們在未來的蝌蚪功能生態(tài)學(xué)研究中不能簡單采用平均值來反映物種的功能性狀，而應(yīng)充分考慮物種功能性狀的種內(nèi)變異。盡管這種種內(nèi)的變異并非在全部功能性狀中呈現(xiàn)出顯著性差異，但大多數(shù)與運動相關(guān)的功能性狀均隨個體發(fā)育在不同階段呈現(xiàn)顯著性差異(如體質(zhì)量、尾部形狀、尾部位置、尾部控制方式和軀干彎曲形狀等)，表明峨眉齒蟾蝌蚪的運動方式和運動能力隨著發(fā)育的進行而出現(xiàn)了明顯的變化。這與其他類群的動物在個體發(fā)育中的表現(xiàn)一致，如魚類(Zhaoetal.，2014)和哺乳類(Wells & Turnquist，2001)等，即隨著個體發(fā)育的進行，動物會改變與運動相關(guān)的功能性狀以增強其運動能力，從而更好地適應(yīng)其生存的棲息地(Prondvaietal.，2018)。

此外，盡管峨眉齒蟾蝌蚪不同發(fā)育階段功能豐富度的實測值和隨機抽樣值之間的差異均不具有統(tǒng)計學(xué)意義，但其功能定位之間的差異卻有統(tǒng)計學(xué)意義。而三者之間功能生態(tài)位重疊度的實測值和隨機抽樣值均較低。以上3個指標的計算結(jié)果反映了峨眉齒蟾蝌蚪的不同發(fā)育階段在功能性狀空間中占據(jù)了不同的功能生態(tài)位。因此，建議在未來的功能生態(tài)學(xué)研究中，應(yīng)當考慮將不同發(fā)育階段的蝌蚪作為獨立的功能性單元。同時，本研究證明了峨眉齒蟾蝌蚪和魚類(Zhaoetal.，2014，2019b)類似，個體發(fā)育是造成其功能性狀的種內(nèi)變異形成的重要原因。這可能跟不同發(fā)育階段蝌蚪食性的轉(zhuǎn)化和運動方式的轉(zhuǎn)變有關(guān)，并且由各發(fā)育階段所占據(jù)的功能生態(tài)位位置所反映。具體來說，和大多數(shù)蝌蚪類似，胚胎發(fā)育期的峨眉齒蟾蝌蚪個體表現(xiàn)為個體和口器均較小，主要利用卵黃囊中的營養(yǎng)物質(zhì)，自我攝食的能力較弱，能通過自我攝食所選擇的食物較少(Randrianiainaetal.，2009；Strau?etal.，2010；Grosjeanetal.，2011)。同時，該發(fā)育階段蝌蚪的尾巴較短且尾高較小，主要采取背腹彎曲的游泳方式，表明其游泳能力較弱(Eidietis，2006；Azizietal.，2007)。但隨著個體發(fā)育的進行，峨眉齒蟾蝌蚪逐漸進入后肢芽發(fā)育期，這個發(fā)育階段的個體表現(xiàn)為更大且更強壯，口器也變得圓而大，不僅運動能力越來越強，也能主動捕食更多更大潛在的食物(Mainaraetal.，2019)。當進入到到五趾分化期，個體的功能性狀進一步變化并開始為登陸準備，以進一步適應(yīng)水陸兩棲生活的需要(趙爾宓，1990)。盡管本研究揭示了峨眉齒蟾蝌蚪功能性狀的種內(nèi)變異，但在未來的研究中，應(yīng)該更多地關(guān)注蝌蚪功能性狀種內(nèi)的變異對生態(tài)系統(tǒng)功能造成的潛在影響(Rudolf & Rasmussen，2013)。

本文詳細解析了峨眉齒蟾蝌蚪功能性狀的種內(nèi)變異，揭示了個體發(fā)育是造成這種變異的重要原因。因此，在進行蝌蚪種群內(nèi)的功能生態(tài)學(xué)研究和計算群落的功能多樣性研究時，采用平均值代表單個物種的功能性狀是不準確的，這是因為蝌蚪功能性狀的平均值會隨著其種群結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化而變化。鑒于個體發(fā)育是造成蝌蚪功能性狀種內(nèi)變異的重要原因，我們建議未來應(yīng)更多采用基于發(fā)育階段的功能生態(tài)學(xué)研究方法，以便增強生態(tài)學(xué)家了解和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)功能和宏觀生態(tài)格局的能力(Violleetal.，2012)。