不同地理種群棘胸蛙的表征與環(huán)境適應(yīng)

蔣澤元，盧俊義，張丹丹，黃思琪，宋靜，翁凌云，鄭榮泉,3*，田葦

(1.浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004； 2.浙江省野生動(dòng)物生物技術(shù)與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 金華 321004；3.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院，浙江 金華 321100； 4.貴州黔東南橋水農(nóng)業(yè)科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 黔東南 556000)

棘胸蛙俗稱石蛙、石雞等，隸屬于兩棲綱，無(wú)尾目，叉舌蛙科，棘胸蛙屬，主要分布在我國(guó)的云貴、華南、華東等長(zhǎng)江以南地區(qū)[1]。

由于棘胸蛙是我國(guó)叉舌蛙科物種中資源利用最廣泛的物種之一，同時(shí)兼具食用和藥用價(jià)值，因此，棘胸蛙遺傳特征及生長(zhǎng)發(fā)育條件的相關(guān)研究已經(jīng)成為學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。利用線粒體及微衛(wèi)星基因標(biāo)記對(duì)棘胸蛙13個(gè)地理種群進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，野生棘胸蛙可分為4個(gè)不同的進(jìn)化支系，并認(rèn)為棘胸蛙可能是一種未發(fā)現(xiàn)形態(tài)變異的物種復(fù)合體[2-4]。在宏觀特征上，不同地理種群棘胸蛙的鳴聲[5]、熱偏好性[6]、形態(tài)大小[7-9]都存在著顯著差異，且不同地理種群的棘胸蛙在熱偏好性以及形態(tài)大小上與緯度相關(guān)[5-6]。本研究旨在分析不同支系棘胸蛙的環(huán)境數(shù)據(jù)與其形態(tài)指標(biāo)之間的關(guān)系，以期尋找棘胸蛙支系分化與溫度適應(yīng)方面的聯(lián)系，同時(shí)也為棘胸蛙規(guī)模化養(yǎng)殖和品種選育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與數(shù)據(jù)采集

2019年6—9月份在韶關(guān)、南昌、鷹潭、池州、黃山、龍巖、德化、遵義共8個(gè)樣地采集二齡性成熟雄性棘胸蛙各15只。采集樣品的環(huán)境一般為靜水的池塘或溪流的緩流處，且均為健康活潑成體。采集的棘胸蛙在實(shí)驗(yàn)室條件下馴養(yǎng)待用。

依據(jù)費(fèi)梁等[10]和Watters等[11]的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，利用電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測(cè)定了所有樣本的16個(gè)形態(tài)特征性狀。所有形態(tài)參數(shù)測(cè)量所用樣本均為活體，形態(tài)學(xué)指標(biāo)均參考《中國(guó)動(dòng)物志》[12]。

1.2 環(huán)境因子數(shù)據(jù)收集

結(jié)合中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)以及樣地野外溫濕度記錄儀的數(shù)據(jù)，對(duì)8個(gè)樣地的12個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行收集。通過(guò)多維變量的降維分析，推斷出影響棘胸蛙適應(yīng)性進(jìn)化的主導(dǎo)因子。

1.3 不同地理種群棘胸蛙形態(tài)分化

為消除樣本個(gè)體年齡差異對(duì)貢獻(xiàn)值分析結(jié)果的影響，本研究中采用棘胸蛙各形態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)與體長(zhǎng)的比值為變量進(jìn)行主成分分析，結(jié)果共得到15個(gè)特征變量，提取變量的主成分，并計(jì)算各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率，最后基于主成分得分值做散點(diǎn)圖。

通過(guò)逐步法對(duì)8個(gè)地理種群棘胸蛙的形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別式分析，從而探討棘胸蛙不同地理種群間形態(tài)差異情況。逐步判別刪除或保留變量是由變量的F值決定，當(dāng)F值大于Entry默認(rèn)值3.84時(shí)，該變量就會(huì)進(jìn)入模型；當(dāng)變量的F值小于默認(rèn)的Removal值2.71時(shí)，該變量就會(huì)從模型中剔除。利用SPSS 21.0計(jì)算所測(cè)量形態(tài)數(shù)據(jù)的特征值、典型相關(guān)系數(shù)、Wilks’λ和非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，并根據(jù)判別系數(shù)計(jì)算各種群棘胸蛙的判別函數(shù)，最后利用判別函數(shù)的得分值繪制散點(diǎn)圖。樣本的歸屬判別則是通過(guò)馬氏距離判斷，馬氏距離指每個(gè)樣本在圖中的位置到每個(gè)分組組心的距離，樣本到哪個(gè)分組組心的馬氏距離最短，該樣本則被判為該組。利用交互檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)判別函數(shù)的正確率。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)學(xué)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)8個(gè)地理種群的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)形式標(biāo)出，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同地理種群棘胸蛙形態(tài)特征的描述性統(tǒng)計(jì)值

2.2 主成分分析

對(duì)15個(gè)形態(tài)指標(biāo)量度與體長(zhǎng)的比值進(jìn)行主成分分析，分析顯示，數(shù)據(jù)的KMO值為0.926，Barttlett’s球形檢驗(yàn)拒絕零假設(shè)，變量之間存在相關(guān)性，可以進(jìn)行主成分分析。前3個(gè)主成分的特征根分別為7.467、1.241和1.02，貢獻(xiàn)率分別為49.781%、8.271%和6.802%。3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為64.854%，涵蓋了全部數(shù)據(jù)的大部分信息，所以，我們只對(duì)前3個(gè)主成分進(jìn)行分析。3個(gè)主成分因子負(fù)荷值見(jiàn)表2。依據(jù)所得的第一主成分和第二主成分得分值繪制PCA散點(diǎn)圖(圖1中A)，結(jié)果顯示，不同地理種群的棘胸蛙在散點(diǎn)圖上明顯可分為2個(gè)組。而黃山、德化、鷹潭等種群樣本差異不大。在PC2軸上，廣東韶關(guān)的棘胸蛙樣本特征指標(biāo)值范圍大于其他地理種群，說(shuō)明在吻長(zhǎng)/體長(zhǎng)、鼻間距/體長(zhǎng)、眼間距/體長(zhǎng)和眼瞼寬/體長(zhǎng)等與頭部橫向形態(tài)量度相關(guān)的特征上，廣東韶關(guān)樣本多樣性較高。

表2 棘胸蛙外部可量度性狀主成分分析的因子負(fù)荷值

A—不同地區(qū)棘胸蛙外形數(shù)據(jù)聚類分析；DH—德化；NC—南昌；YT—鷹潭；SG—韶關(guān)；LY—龍巖；HS—黃山；CZ—池州；ZY—遵義；B—不同地區(qū)棘胸蛙外形數(shù)據(jù)判別分析散點(diǎn)。圖1 不同地區(qū)棘胸蛙分子形態(tài)與身體形態(tài)分析

2.3 判別式分析

對(duì)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種，傳統(tǒng)意義上的測(cè)量及計(jì)算就能得到有效的鑒別特征描述，然而對(duì)于表型特征相近或者相似的物種，傳統(tǒng)的分類方法無(wú)法鑒定分類。聚類分析可以量化相似個(gè)體的細(xì)微差異，因此，能夠用來(lái)作物種初步鑒別歸類的依據(jù)，因而該方法在相似程度較大的物種辨別分析中應(yīng)用廣泛。本研究中對(duì)15個(gè)樣本形態(tài)指標(biāo)與體長(zhǎng)的比值進(jìn)行聚類分析(圖1中A)，顯示各地區(qū)間無(wú)明顯差異。進(jìn)一步對(duì)15個(gè)形態(tài)指標(biāo)量度與體長(zhǎng)的比值進(jìn)行對(duì)數(shù)變換的逐步判別分析，其中頭長(zhǎng)/體長(zhǎng)，鼻間距/體長(zhǎng)，眼徑/體長(zhǎng)，脛寬/體長(zhǎng)，吻長(zhǎng)/體長(zhǎng)，手長(zhǎng)/體長(zhǎng)和跗褶長(zhǎng)/體長(zhǎng)7個(gè)指標(biāo)對(duì)判別貢獻(xiàn)率較高，被選擇進(jìn)入函數(shù)。使用7個(gè)性狀的特征值建立了不同地理種群棘胸蛙的判別函數(shù)。其中，函數(shù)式中的X1至X7分別代表上述7個(gè)判別貢獻(xiàn)率高的性狀。8個(gè)地理種群的判別公式如下：

安徽池州地理種群：Y=-52.83+48.62X1+63.53X2+117.03X3-60.80X4+56.57X5+195.97X6+

111.42X7；

安徽黃山地理種群：Y=-58.43+82.80X1+18.86X2+79.93X3+66.01X4+122.35X5+103.07X6+

88.19X7；

福建德化地理種群：Y=-51.20+23.91X1-18.78X2+90.12X3+129.19X4+157.17X5+113.07X6+

57.05X7；

江西鷹譚地理種群：Y=-55.61+93.26X1-36.12X2-29.96X3+125.12X4+132.35X5+130.72X6+

52.45X7；

江西南昌地理種群：Y=-57.96+59.20X1-55.82X2+102.00X3+229.08X4+113.72X5+109.29X6+

66.97X7；

福建龍巖地理種群：Y=-63.21+14.27X1+11.32X2+192.80X3+120.05X4+98.33X5+166.24X6+

97.16X7；

廣東韶關(guān)地理種群：Y=-61.74+66.73X1-53.26X2+101.01X3+158.56X4+99.42X5+153.76X6+

94.27X7；

貴州遵義地理種群：Y=-61.90+49.47X1+12.10X2-59.65X3+174.65X4+126.10X5+152.69X6+

103.64X7。

依據(jù)判別函數(shù)的得分值分別作為X軸和Y軸，繪制不同地理種群棘胸蛙外形數(shù)據(jù)判別分析的散點(diǎn)圖(圖1中B)。依據(jù)各個(gè)樣本中心到各組中心的馬氏距離長(zhǎng)短來(lái)判別樣本組別，樣本到哪組組心的馬氏距離最短，該樣本則被判為該組。判別分析散點(diǎn)圖顯示，8個(gè)不同地理種群的棘胸蛙樣本被區(qū)分為三組，通過(guò)主成分分析對(duì)8個(gè)地理種群棘胸蛙進(jìn)行了形態(tài)上相似性和差異性的分析和比對(duì)，在判別分析散點(diǎn)圖中(圖1中B)，遵義地區(qū)一組，德化、龍巖、鷹潭、韶關(guān)、南昌、黃山地區(qū)一組，池州地區(qū)一組。結(jié)果說(shuō)明，這三組地理種群的棘胸蛙在形態(tài)學(xué)度量數(shù)據(jù)上存在較大差異。

2.4 環(huán)境因子與形態(tài)特征

6種主要環(huán)境因子分別與棘胸蛙各形態(tài)特征相關(guān)性分析的結(jié)果表明，手長(zhǎng)與體長(zhǎng)的比值與溫度因子呈顯著正相關(guān)，與年均降水因子、氣壓因子、緯度因子呈顯著負(fù)相關(guān)；眼徑與體長(zhǎng)的比值與溫度因子呈顯著正相關(guān)，與年均降水因子、緯度因子呈顯著負(fù)相關(guān)；跗褶長(zhǎng)與體長(zhǎng)的比值與經(jīng)度因子呈極顯著負(fù)相關(guān)(表3)。

表3 環(huán)境因子與形態(tài)特征的關(guān)系

3 小結(jié)與討論

形態(tài)學(xué)方法是最早進(jìn)行物種分類的基本方法之一，在兩棲動(dòng)物的物種分化及新種界定研究中應(yīng)用廣泛，例如早在1991年，魏剛等[13]就通過(guò)脛長(zhǎng)與體長(zhǎng)的比例，頭長(zhǎng)與頭寬等形態(tài)特征的比較，將不同地理種群的中國(guó)林蛙進(jìn)行區(qū)分及定種。費(fèi)梁等[14]在中國(guó)西北地區(qū)中國(guó)林蛙各居群的分類學(xué)研

究中發(fā)現(xiàn)，中國(guó)林蛙與高原林蛙后肢與體長(zhǎng)之比存在顯著性差異，因此，將該特征作為高原林蛙的鑒別特征之一。費(fèi)梁等[15]對(duì)分布于廣西龍勝和湖南宜章的龍勝臭蛙作了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)分布于湖南宜章的龍勝臭蛙前臂寬與體長(zhǎng)之比與龍勝種群產(chǎn)生了顯著性差異，因此，將其命名為宜章臭蛙。本研究中，不同地理種群棘胸蛙形態(tài)特征存在顯著的分化，其中安徽池州種群棘胸蛙的形態(tài)特征最為清晰穩(wěn)定，江西南昌、福建龍巖可能處于種群形態(tài)分化的過(guò)渡帶，安徽池州與其他地理種群的棘胸蛙形態(tài)分化最為明顯，尤其是與貴州遵義種群形態(tài)差異顯著，已達(dá)到種間可區(qū)分的水平。

生態(tài)過(guò)渡帶中棲息地的多樣性形成了各種各樣的生物形式，然后形成了帶有可以遺傳的多種生物物種。環(huán)境梯度變化產(chǎn)生形態(tài)變異、交配方式變異，生殖隔離通常經(jīng)歷生態(tài)過(guò)渡帶的演化并保持[16]。不同棲息地選擇比地理隔離更能引起適應(yīng)性形態(tài)分化。依賴棲息地的選擇影響一些具有生態(tài)意義的特征，形成形態(tài)和行為分化，這些分化特征促進(jìn)了相應(yīng)的交配，從而建立沿著環(huán)境梯度的遺傳分化的機(jī)制[17]。近年來(lái)隨著全球氣候的變化，兩棲類的物種或種群數(shù)量受到嚴(yán)重威脅，了解環(huán)境因素對(duì)群落成員的影響是確定物種在空間中分布方式的重要部分[18]。從環(huán)境因素的角度解釋物種的地理布局模式，可以對(duì)物種在其分布區(qū)域的適應(yīng)機(jī)制提供見(jiàn)解，同時(shí)通過(guò)整合環(huán)境和生態(tài)變量，可以更好地解釋物種分布格局[19]。例如，Amador等[20]研究了空間和環(huán)境因素對(duì)南美洲兩棲動(dòng)物物種分布格局的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降水和海拔對(duì)保持當(dāng)?shù)貎蓷珓?dòng)物物種多樣性起著關(guān)鍵的作用。在中國(guó)林蛙中發(fā)現(xiàn)，體型及四肢隨著緯度的增加、溫度的降低而逐漸增長(zhǎng)[21]。生活于溫度較低的高海拔紅瘰疣螈，會(huì)增長(zhǎng)四肢及頭部以獲取更多的食物[22]。在本研究中探究了不同支系棘胸蛙形態(tài)特征與環(huán)境因子間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示，與個(gè)體大小相關(guān)的形態(tài)特征與當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)，即生活于溫度更高的較低緯度棘胸蛙顯示出前肢更長(zhǎng)，眼徑更大，從而其整體體形偏大的趨勢(shì)，該趨勢(shì)符合“初級(jí)生產(chǎn)力假說(shuō)”。同時(shí)棘胸蛙作為叉舌蛙科資源利用最廣泛的類群之一，早期對(duì)其生物學(xué)特征地理變異的研究已較為普遍，比如，體形大小、鳴聲、性二態(tài)性、熱生理學(xué)特征等，本文中僅探討了棘胸蛙形態(tài)特征與環(huán)境因子間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于闡述其適應(yīng)性進(jìn)化的問(wèn)題研究還不夠全面，因此，對(duì)于棘胸蛙適應(yīng)性分化及其影響因子的研究需要進(jìn)一步增加綜合特征指標(biāo)及環(huán)境因子種類并使用更科學(xué)的分析方法。