馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲鱗片編碼系統(tǒng)及鱗片差異性

郭 策 逯金瑤 李思源 姜宇澤 梁春芳 華 彥 李 波 李 立 唐松元 徐艷春*

(1.東北林業(yè)大學(xué)野生動(dòng)物與自然保護(hù)地學(xué)院，哈爾濱，150040；2.國(guó)家林業(yè)和草原局野生動(dòng)物保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心，哈爾濱，150040；3.湖南省生物多樣性保護(hù)中心，長(zhǎng)沙，410116；4.廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州，510520)

世界上現(xiàn)存8種穿山甲[1-3]，亞洲有4種，分別是菲律賓穿山甲(Manisculionensis)、印度穿山甲(M.crassicaudata)、中華穿山甲(M.pentadactyla)和馬來(lái)穿山甲(M.javanica)；非洲有4種，分別是南非穿山甲(M.temminckii)、大穿山甲(M.gigantea)、樹穿山甲(M.tricuspis)和長(zhǎng)尾穿山甲(M.tetradactyla)。由于棲息地的減少和破碎化，以及大量偷獵等原因[4-5]，穿山甲種群數(shù)量迅速減少，中華穿山甲和馬來(lái)穿山甲減少最為明顯[6]。

穿山甲的鱗片是重要的防衛(wèi)器官，不同種類穿山甲的鱗片形態(tài)存在差異，如非洲大穿山甲的鱗片巨大，樹穿山甲的鱗片狹長(zhǎng)，亞洲穿山甲的鱗片較小、近乎扇形。鱗片形態(tài)差異可能源自對(duì)環(huán)境的不同適應(yīng)，但其適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制尚不清楚，因此，比較研究鱗片的形態(tài)、分布格局、數(shù)量變化等都具有重要的生物學(xué)價(jià)值。同時(shí)，在執(zhí)法過(guò)程中通過(guò)鱗片的形態(tài)比較來(lái)識(shí)別物種、估算個(gè)體數(shù)量也是一項(xiàng)非常重要的手段。

鱗片形態(tài)表現(xiàn)出明顯的種間差異，可以提供個(gè)體信息，但鱗片的幾何形狀在身體各個(gè)部位上呈現(xiàn)出明顯的漸變性[7]，只有同一部位的鱗片才具有可比性[8]。在執(zhí)法實(shí)踐中常常面對(duì)離體鱗片，很難確定一個(gè)鱗片的來(lái)源部位，嚴(yán)重影響鑒定工作，因此，開發(fā)一種確定鱗片位置的工具非常重要。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，穿山甲周身鱗片是有序排列的，排列方向?yàn)閺那跋蚝?、從中線向肢端，均呈覆瓦狀[9]。鱗片形態(tài)沿著排列方向逐漸移行漸變，并有左右對(duì)稱的趨勢(shì)。如果以身體縱軸和四肢建立坐標(biāo)系，就可以對(duì)每一枚鱗片按所處的部位進(jìn)行編碼。有了固定的空間位置，就可以研究形態(tài)變化的規(guī)律，確定鱗片的位置，最終得以把相應(yīng)部位的鱗片進(jìn)行形態(tài)比較，大大簡(jiǎn)化比較過(guò)程，提高可靠性。為此，本研究以馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲為例，建立了鱗片空間編碼方法，并從2個(gè)物種的比較中發(fā)現(xiàn)二者在鱗片排列方式和分布規(guī)律上的差異。

1 材料與方法

1.1 穿山甲鱗片的編碼規(guī)則

1.1.1 體表區(qū)域劃分及編碼方法

用5只馬來(lái)穿山甲和5只中華穿山甲的死體標(biāo)本建立鱗片的編碼系統(tǒng)。把穿山甲軀體分為頭部、頸部、軀干、四肢和尾部5個(gè)區(qū)域(圖1)。因?yàn)轭^部的鱗片小而雜亂，形態(tài)變化缺乏規(guī)律性，故此，編碼系統(tǒng)中未包含頭部鱗片，而是對(duì)頸部、軀干、四肢和尾部的鱗片進(jìn)行編碼。

圖1 穿山甲鱗片位置分區(qū)

編碼之前建立坐標(biāo)系。以體背中列(dorsal middle row)鱗片為縱軸，以首行頸鱗為橫軸，建立平面坐標(biāo)系。確定首行頸鱗時(shí)，首先以耳廓兩側(cè)的鱗片(auricle scale，AS)作為頭部最后1行鱗片，其下一行即為頸部的首行鱗片。把位于該行背中列的鱗片定義為背中列上的首枚鱗片，作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)(original point，OP)，也是編碼的起點(diǎn)(圖2)，橫坐標(biāo)設(shè)為0，縱坐標(biāo)設(shè)為1。自此鱗開始，沿背中列向尾部的方向?qū)Ρ持辛猩纤绪[片依次編碼為2、3、4、5……，直至尾端最后1片鱗片。

圖2 穿山甲首行鱗片位置

因頸部與軀干部的鱗片是直接移行過(guò)渡的，故此，頸部和背部使用同一個(gè)編碼方法：背中列右側(cè)鱗片(trunk dorsolateral scale right rows，DLR)和背中列左側(cè)鱗片(trunk dorsolateral scale left rows，DLL)按右正左負(fù)原則編碼，背中列右側(cè)首行(DLR1)鱗片依次編碼為(1，1)、(1，2)、(1，3)……，第2行(DLR2)鱗片編碼為(2，1)、(2，2)、(2，3)……，依次順延至肢端或腹部最后1枚。背中列左側(cè)首行(DLL1)鱗片依次編碼為(1，-1)、(1，-2)、(1，-3)……，第2行(DLL2)鱗片編碼為(2，-1)、(2，-2)、(2，-3)……，依次順延至肢端或腹部最后1枚(圖3)。

圖3 鱗片區(qū)域劃分編碼

1.1.2 前肢邊界的劃分和編碼方法

頸部和軀干部編碼時(shí)，每枚鱗片下均覆蓋1枚鱗片。但從背部向前肢轉(zhuǎn)換處，有1枚鱗片下覆蓋2枚鱗片，由此定義被覆蓋的2枚鱗片所在的行為前肢首行，左右前肢劃分相同，編碼按照右正左負(fù)的原則，右前肢(right forelimb，RFL)首行鱗片編碼為(1，1)、(1，2)、(1，3)……，第2行鱗片編碼為(2，1)、(2，2)、(2，3)……，依次順延至肢端最后1枚；左前肢(left forelimb，LFL)首行鱗片編碼為(-1，-1)、(-1，-2)、(-1，-3)……，第2行編碼為(-2，-1)、(-2，-2)、(-2，-3)……，至肢端最后1枚(圖4)。

圖4 前肢與軀干交接鱗片位置

1.1.3 后肢邊界的劃分和編碼方法

軀干部靠近后肢位置的鱗片陡然變小，變小的首行鱗片即為后肢首行，左右肢相同。編碼時(shí)也根據(jù)右正左負(fù)的原則，右后肢(right hindlimb，RHL)首行編碼為(1，1)、(1，2)、(1，3)……，第2行編碼為(2，1)、(2，2)、(2，3)……，依次順延至肢端最后1枚；左后肢(left hindlimb，LHL)首行編碼為(-1，-1)、(-1，-2)、(-1，-3)……，第2行編碼為(-2，-1)、(-2，-2)、(-2，-3)……，依次順延至肢端最后1枚(圖5)。

圖5 后肢與軀干交接鱗片位置

1.1.4 尾部的劃分和編碼方法

因尾背部與軀干部的鱗片是直接移行過(guò)渡的，因此，尾背部和軀干部使用同一個(gè)編碼方法，尾腹部編碼方法：以尾腹部中列鱗片為縱軸，以首行尾腹部鱗片為橫軸，建立平面坐標(biāo)系。確定首行尾腹部鱗片時(shí)，首先以縱軸上第1片鱗片為原點(diǎn)，遵循每片鱗片覆蓋下一片鱗片的原則，確定第1行鱗片(圖6A)，但如果第1行鱗片上方還有多余行鱗片，則以鱗片上方首行鱗片作為第1行鱗片(圖6B)。自尾腹部縱軸第1片鱗片開始，向尾末端的方向?qū)v軸上所有鱗片依次編碼為1、2、3、4、5……，直至最后1片鱗片。編碼時(shí)也根據(jù)右正左負(fù)的原則，尾腹中列右側(cè)首行(right caudal middle，RCM1)鱗片依次編碼為(1，1)、(1，2)……，第2行(RCM2)鱗片編碼為(2，1)、(2，2)……，依次順延至尾部側(cè)鱗片(但不包括尾部側(cè)鱗片)。尾腹中列左側(cè)首行(left caudal middle，LCM1)鱗片依次編碼為(1，-1)、(1，-2)……，第2行(LCM2)鱗片編碼為(2，-1)、(2，-2)、(2，-3)……，依次順延至尾側(cè)鱗片前1枚鱗片。

圖6 穿山甲尾腹部鱗片位置

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

將全身各部位鱗片的編碼坐標(biāo)輸入Excel 2010的數(shù)據(jù)表中，采用R 3.6.3程序包的tidyverse、readxl、ggnewscale分別將每種穿山甲的5只個(gè)體，以及2物種所有樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，用ggplot2程序包生成熱圖，以顯示種內(nèi)變異和種間差異。統(tǒng)計(jì)每種穿山甲各部位鱗片數(shù)量，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析種間的差異。描述性統(tǒng)計(jì)和t檢驗(yàn)均采用IBM SPSS 19.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 全身鱗片分布的保守區(qū)與可變區(qū)

通過(guò)全身鱗片的編碼，得到馬來(lái)穿山甲(n=5)和中華穿山甲(n=5)鱗片分布的熱圖。身體背面熱圖(圖7)中顏色越深表示該區(qū)域的鱗片分布越保守，即個(gè)體間的差異越小。2個(gè)物種都表現(xiàn)出相似的分布格局：軀干部越靠近背中列的部位個(gè)體間越保守，越靠近腹側(cè)邊緣的部位個(gè)體間變化越大。四肢部位比軀干部的變化大，四肢背側(cè)較腹側(cè)保守。具體而言，四肢的第1行鱗片數(shù)量在個(gè)體間變化最大，第2行次之；最后2或3行變異度也較大，而中間的4或5行相對(duì)保守；四肢靠近遠(yuǎn)端的鱗片變異度大，靠近軀干的鱗片比較保守。四肢的保守性基本左右對(duì)稱。尾背前8行表現(xiàn)出較大的個(gè)體差異性，鱗片數(shù)量的增減情況呈左右對(duì)稱。

圖7 穿山甲全身鱗片分布的熱圖(n=5)

尾腹部?jī)蓚?cè)邊緣處2個(gè)物種差異明顯，馬來(lái)穿山甲尾腹部前端鱗片呈“凹”字排列，中華穿山甲尾腹部前端鱗片呈“凸”字排列(圖8)。尾腹部鱗片越靠近中列越保守。

圖8 穿山甲尾腹部鱗片分布熱圖(n=5)

2.2 鱗片分布的差異

將馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲鱗片分布熱圖疊加，發(fā)現(xiàn)2個(gè)物種鱗片分布的差異主要在尾部和四肢(圖9)。馬來(lái)穿山甲體背鱗片的保守區(qū)范圍略大于中華穿山甲，但體背鱗片排列行數(shù)基本一致；馬來(lái)穿山甲尾部和四肢的鱗片數(shù)量和行數(shù)均明顯多于中華穿山甲。

2.3 鱗片數(shù)量的差異

馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲全身鱗片的總數(shù)和各個(gè)區(qū)域鱗片數(shù)量都存在極顯著的差異(表1)。馬來(lái)穿山甲全身鱗片的總數(shù)(793～913枚)明顯多于中華穿山甲(548～623枚)?？v向來(lái)看，二者軀干部背中列的鱗片數(shù)沒(méi)有顯著差異，但尾部背中列的鱗片數(shù)前者顯著多于后者；橫向來(lái)看，軀干部體周鱗片的列數(shù)和前后肢的鱗片數(shù)，前者都顯著大于后者，這與鱗片分布熱圖顯示的差異相一致。2種穿山甲背中列兩側(cè)的鱗片在向左或右移行過(guò)程中，會(huì)偶有缺失一行的現(xiàn)象，使身體左右的鱗片行數(shù)不完全對(duì)稱。當(dāng)一行鱗片缺失時(shí)，其下一行的鱗片通常明顯變大，補(bǔ)足缺失的空間(圖10)。在編碼系統(tǒng)中，這種缺失現(xiàn)象可以清晰地反映出來(lái)(圖9)。

表1 馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲身體各區(qū)域鱗片的數(shù)量差異

圖9 馬來(lái)穿山甲(紅色)和中華穿山甲(藍(lán)色)鱗片分布格局的比較

圖10 馬來(lái)穿山甲鱗片正常格局(左)和缺失(右)

尾腹部區(qū)域的顏色差異明顯，馬來(lái)穿山甲尾腹部鱗片明顯比尾背部鱗片顏色淺(圖11A、B)，中華穿山甲尾腹部鱗片與尾背部鱗片顏色一致，呈深褐色(圖11C、D)。

圖11 馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲尾部顏色比較

四肢是鱗片變異度較高的區(qū)域，也是種間差異的主要區(qū)域。馬來(lái)穿山甲的前后肢鱗片的行數(shù)、前后足背面鱗片的行數(shù)、腕關(guān)節(jié)處的鱗片數(shù)都多于中華穿山甲，且差異顯著(表2)。馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲四肢的首行鱗片的縱坐標(biāo)(相對(duì)于背中列的位置)、腕關(guān)節(jié)首行鱗片相對(duì)于前肢的首行鱗片，以及踝關(guān)節(jié)首行鱗片相對(duì)后肢首行鱗片的位置之間也表現(xiàn)出一定的差異(表3)。從前肢腕關(guān)節(jié)處到前掌末端覆鱗的數(shù)量，以及后肢踝關(guān)節(jié)處到后掌末端覆鱗數(shù)量都呈逐漸減少的趨勢(shì)。

表2 馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲四肢鱗片數(shù)量的差異

表3 馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲四肢鱗片相對(duì)背中列的位置

此外，馬來(lái)穿山甲前肢最后一縱列鱗片逆向生長(zhǎng)，與相鄰縱列鱗片呈“人”字狀拱起，而中華穿山甲無(wú)此縱列鱗片(圖12)。因此，這一縱列鱗片可作為鑒別馬來(lái)穿山甲和中華穿山甲的特征。

圖12 馬來(lái)穿山甲(左)和中華穿山甲(右)前肢鱗片

3 討論

本研究通過(guò)定義一個(gè)平面坐標(biāo)系，將穿山甲全身鱗片進(jìn)行逐一編碼，將不同個(gè)體、不同物種全身的鱗片放進(jìn)一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行比較。這種歸一化處理不僅可以比較鱗片空間分布格局的差異，還可以比較鱗片數(shù)量的差異。用熱圖這一直觀方式展現(xiàn)比較結(jié)果，獲得了較好的識(shí)別效果。

通過(guò)熱圖比較發(fā)現(xiàn)：2種穿山甲軀干部位的鱗片均比較保守，但在體側(cè)存在橫向缺失的現(xiàn)象；鱗片變化最大的區(qū)域在四肢，同一個(gè)物種，四肢鱗片相對(duì)于背中列的起始位置以及腕、踝關(guān)節(jié)鱗片相對(duì)前后肢首行鱗片的位置均存在差異，而且四肢同一區(qū)域鱗片的數(shù)量也會(huì)有很大的變化。這在以往的研究中，面對(duì)數(shù)量眾多、形態(tài)各異的鱗片，很難做到如此直觀和簡(jiǎn)化。隨著樣本量的不斷增加，鱗片位置和數(shù)量的變異性會(huì)越來(lái)越清晰地展現(xiàn)出來(lái)，種內(nèi)、種間的比較也變得更加容易。例如，可根據(jù)任意位置上的兩個(gè)或多個(gè)鱗片的熱值進(jìn)行定量比較，揭示種內(nèi)的變異度或種間的差異。把鱗片的位置和數(shù)量作為形態(tài)表型進(jìn)行定量，與遺傳學(xué)、環(huán)境因子等進(jìn)行聯(lián)合分析，可以挖掘出物種、群體和個(gè)體等多水平的信息。因此，這種方法可以成為穿山甲形態(tài)學(xué)比較的便捷工具，在形態(tài)學(xué)、分類學(xué)、鑒定學(xué)等方面發(fā)揮作用。