中國盤腹蟻屬19 種螞蟻的形態(tài)測量學(xué)研究

段加煥，徐正會，張新民

(西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性保護學(xué)院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224)

螞蟻是陸地上最常見的昆蟲，也是評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生物多樣性的重要指示生物[1]。目前全世界已記載16 亞科346 屬14 110 種[2]。隨著研究的不斷深入，種類不斷增加，研究學(xué)科和方向也不斷擴展，可橫跨分類學(xué)、生態(tài)學(xué)和生物學(xué)等[3]。螞蟻具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟價值，在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著重要的位置，但有些螞蟻也會帶來危害，例如入侵性的螞蟻會占領(lǐng)、破壞入侵地的生態(tài)環(huán)境和資源，有些則可能傳播病毒或通過取食植物根莖造成經(jīng)濟損失[1,4-5]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對螞蟻的研究取得了很大的進步，尤其在分類、多樣性和分布格局等方面[6-13]，但總體來說與西方發(fā)達國家還有一定的差距，有待進一步深入研究。

盤腹蟻屬（AphaenogasterMayr），隸屬于膜翅目（Hymenoptera）、蟻科（Formincidae）、切葉蟻亞科（Myrmicinae）[14]，于1853 年由科學(xué)家Mayr 建立。截至目前，盤腹蟻屬全世界有效命名206 種[1]，國內(nèi)記錄31 種[15]。該屬已知的大多數(shù)物種主要來自北半球，以古北區(qū)最多，東洋區(qū)次之[16-19]，許多種類均是落葉林和針葉林中的常見種或優(yōu)勢種[19-20]。

形態(tài)測量學(xué)（morphometrics）是對某一性狀定量描述和分析的一種統(tǒng)計研究方法。該方法能夠定量表現(xiàn)昆蟲的某些特征值，利用因子分析、主成分分析和聚類分析等相結(jié)合的統(tǒng)計學(xué)方法，對物種進行分類和系統(tǒng)發(fā)育分析。例如谷博[21]、黃海燕[22-23]、張榮嬌[24]、Weiseri & Kaspari[25]、Hazarika[26]和Samung[27]等利用形態(tài)測量學(xué)方法對蟻科昆蟲進行了研究，發(fā)現(xiàn)該方法有助于厘定已知的螞蟻種類及有效分區(qū)形態(tài)相似的物種。Cs?sz 等用分子系統(tǒng)學(xué)和形態(tài)測量學(xué)方法對盤腹蟻屬A.swammerdami組群進行分析，基于系統(tǒng)聚類將該組群聚劃分成5 組，并發(fā)表了3 個新種[28]。由此可見，形態(tài)測量學(xué)方法在蟻科昆蟲的分類中具有重要價值。

本研究以分布于中國的19 種盤腹蟻屬螞蟻作為研究材料，選取14 個形態(tài)特征為變量，通過因子分析、主成分分析和聚類分析，對該類群進行了形態(tài)測量學(xué)研究，區(qū)分近緣種類，以期為該屬螞蟻的分類提供新的信息。

1 材料與方法

1.1 研究材料

研究材料來源于本文作者采集的標(biāo)本和實驗室多年積累的標(biāo)本，所有實驗標(biāo)本均收藏于西南林業(yè)大學(xué)標(biāo)本館。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)本的采集及制作 所用的螞蟻標(biāo)本是前期研究時通過樣地調(diào)查法和搜索調(diào)查法采集[1,29]，采集時標(biāo)本儲存于裝有無水乙醇的2 mL 凍存管內(nèi)。之后通過清洗標(biāo)本→初步分類→顯微鏡下初步整姿→用中性樹膠粘在三角紙上→再次調(diào)整螞蟻姿態(tài)→書寫標(biāo)簽等步驟，將其制作成針插標(biāo)本，備用。

1.2.2 形態(tài)測量 螞蟻標(biāo)本的測量使用SOPTOP SZM 連續(xù)變倍體視顯微鏡。具體步驟：打開顯微鏡，旋轉(zhuǎn)目鏡使測微尺水平→調(diào)節(jié)最合適的倍數(shù)→將標(biāo)本插于泡沫紙板→顯微鏡下觀察，移動泡沫板，使測量部位與目鏡測微尺在同一水平面→讀出測量數(shù)值→記錄。為減少實驗測量誤差，每個形態(tài)特征值重復(fù)測量3 次后取平均值，精確度為0.01 mm。以此方法測量盤腹蟻屬19 種螞蟻14 個形態(tài)特征值，每個物種各測量5 頭標(biāo)本。14 個形態(tài)特征分別為體長（TL）、頭長（HL）、頭寬（HW）、觸角柄節(jié)長（SL）、前胸背板寬（PW）、胸長（MSL）、腹柄寬（DPW）、腹柄長（PL）、腹柄高（PH）、頭比（CI）、觸角柄節(jié)比（SI1）、觸角柄節(jié)比（SI2）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比（DPI），測量內(nèi)容以及標(biāo)準(zhǔn)參考了Borowiec &Salata[30]、Salata & Borowiec[31]，Salata 等[18]以及Cs?sz 等[28]等（表1）。

表1 盤腹蟻屬螞蟻的14 種性狀Table 1 Measured 14 morphological characters of the genus Aphaenogaster

1.2.3 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 為了消除數(shù)據(jù)單位不同、自身變異或數(shù)值相差較大所造成的影響，使用SPSS 26.0 軟件將原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到無單位的矩陣。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析方法 因子分析：將具有一定相關(guān)關(guān)系的多個變量綜合為幾個因子，是一種處理多變量問題的常用統(tǒng)計方法[21]。以每個變量作為一個因子，運用SPSS 26.0 軟件以“降維”的模式進行因子分析。

主成分分析：在不丟失大量信息的前提下，利用多個變量之間的相關(guān)性，通過降維技術(shù)，用少數(shù)的變量來代替多個變量的統(tǒng)計分析方法[32]。當(dāng)因子間具備一定相關(guān)性時，通過研究眾多因子之間的內(nèi)部依賴關(guān)系，提取主成分，運用SPSS 26.0 軟件以主成分的因子得分制作三維散點圖。

系統(tǒng)聚類分析：按照一定的數(shù)據(jù)連接規(guī)則和一定的層次結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)聚合，形成一個層次的聚類，從而辨別各種群之間的親疏關(guān)系[33]。本文選擇SPSS 26.0 軟件中的系統(tǒng)聚類方法，以平方歐氏距離為距離度量，選擇離差平方和為法聚類規(guī)則，得出19 種盤腹蟻屬螞蟻的系統(tǒng)聚類樹狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 測量結(jié)果

將盤腹蟻屬19 種螞蟻標(biāo)本的14 個形態(tài)特征測量結(jié)果用Excel 進行處理（n=5），取每種螞蟻各性狀的平均值（表2）。

表2 盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態(tài)特征值的平均值Table 2 The average value of 14 morphological characteristics of 19 species of the genus Aphaenogaster

2.2 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

將盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態(tài)特征值的平均值運用SPSS 26.0 軟件進行標(biāo)準(zhǔn)化處理的結(jié)果（表3）。

表3 盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態(tài)特征值的平均值標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果Table 3 The average of standardized results from14 morphological characteristic values in the 19 studied Aphaenogaster species

2.3 因子分析

選取盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態(tài)特征為變量，運用SPSS 26.0 軟件進行因子分析（表4～6）。

表4 KMO 和Bartlett 檢驗Table 4 KMO and Bartlett's Test

KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗統(tǒng)計量可以檢驗各個變量是否各自獨立。由表4 可知，KMO=0.61＞0.6 時，原有變量滿足因子分析的前提條件，說明可做因子分析。Bartlett's 球狀檢驗結(jié)果顯示：顯著性=0＜0.05，說明各變量間具有很強的相關(guān)性，因子分析有效。

第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分的特征值分別為：6.14、4.52、1.28、1.04，這4 個成分各自累計值都超過1，其余成分的累計值都遠(yuǎn)小于1，有的成分累計值接近或等于1；第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分的貢獻率分別為43.84%，32.35%、9.14%、7.43%；這4 個成分累積貢獻率達到92.76%，因子分析效果理想（表5）。由此可見，抽取這4 個成分可以綜合反映14 個形態(tài)特征值，能夠涵蓋大多數(shù)變量的基本信息，同時也可分析得到4 個主成分的因子負(fù)荷值（表5）。

表5 盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態(tài)特征值的總方差解釋Table 5 Interpretation of the total variance of 14 morphological characteristic values of 19 species of the genus Aphaenogaster

由表6 可知，盤腹蟻屬19 種螞蟻中第1 主成分的負(fù)荷值較第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分大，且第1 主成分各變量間負(fù)荷值大多相差較大，少部分變量間負(fù)荷值相差較小，說明第1 主成分能夠較好的反應(yīng)14 個形態(tài)特征值，但并不能反應(yīng)全部形態(tài)特征值，有必要進行進一步的分析。在第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分中，具有最大因子負(fù)荷值的性狀分別是胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI），所以第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分分別由胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI），同時，由于腹柄長寬比（LPI）是腹柄長（PL）與腹柄寬（DPW）的比值，所以第3 主成分在一定程度上間接受到了腹柄長（PL）與腹柄寬（DPW）的影響，同理，第4 主成分受到了腹柄長（PL）與腹柄高（PH）的影響。

表6 盤腹蟻屬19 種螞蟻的形態(tài)特征主成分負(fù)荷值Table 6 Loading of principal components on the morphological characteristics of 19 species of the genus Aphaenogaster

2.4 主成分分析

根據(jù)因子分析結(jié)果，計算主成分特征向量負(fù)荷值，然后根據(jù)主成分特征向量負(fù)荷值計算（表7）4 個主成分的得分，表達式中Z 表示標(biāo)準(zhǔn)化后的變量。主成分的表達式如下：

表7 特征向量矩陣Table 7 The matrix of feature vector

Y1=0.31×ZHL - 0.06×ZHW + 0.36×ZSL -0.27×ZCI + 0.28×ZSI1+ 0.27×ZSI2+ 0.34×TL +0.39×ZMSL + 0.31×ZPL + 0.10×ZPH + 0.06×ZPW +0.19×ZDPW + 0.29×ZLPI + 0.24×ZDPI

Y2=0.21×ZHL + 0.45×ZHW - 0.12×ZSL +0.33×ZCI - 0.33×ZSI1- 0.28×ZSI2+ 0.20×TL +0.07×ZMSL + 0.21×ZPL + 0.37×ZPH + 0.38×ZPW +0.28×ZDPW - 0.04×ZLPI + 0.02×ZDPI

Y3=0.19×ZHL + 0.16×ZHW + 0.30×ZSL +0.02×ZCI + 0.09×ZSI1+ 0.28×ZSI2+ 0.22×TL +0.15×ZMSL - 0.39×ZPL + 0.15×ZPH + 0.04×ZPW -0.10×ZDPW - 0.54×ZLPI - 0.46×ZDPI

Y4= - 0.08×ZHL - 0.04×ZHW + 0.02×ZSL +0.02×ZCI - 0.04×ZSI1+ 0.06×ZSI2+ 0.01×TL +0.03×ZMSL + 0.05×ZPL + 0.45×ZPH - 0.04×ZPW -0.56×ZDPW - 0.31×ZLPI + 0.60×DPI

在上述表達式中各變量是標(biāo)準(zhǔn)化變量，負(fù)荷值的絕對值越大，貢獻也就越大；根據(jù)表7，結(jié)合主成分的表達式可得到19 種螞蟻4 個主成分的得分。

胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI）是主要性狀。此外，柄節(jié)長（SL）、柄節(jié)比（SI1）和腹柄高（PH）3 個性狀對數(shù)據(jù)有著間接的影響。這7 個性狀基本涵蓋了所涉及的14 個性狀特征，利用上述主要性狀能夠明顯區(qū)分19 種螞蟻。由于第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分的累積貢獻率為85.33%，超過了85%，且第4 主成分形態(tài)特征負(fù)荷值大多小于0.1，所以本文選取了1 主成分、第2 主成分、第3 主成分的因子得分?jǐn)?shù)據(jù)制作三維散點圖（圖1）。

圖1 盤腹蟻屬19 種螞蟻形態(tài)測量學(xué)主成分得分三維散點圖Fig.1 Three-dimensional scatter plot of principal component scores of 19 species of the genus of Aphaenogaster

從主成分的三維散點分布圖（圖1）可以看出，以第1 主成分、第2 主成分和第3 主成分構(gòu)成的散點圖能夠較明顯區(qū)分盤腹蟻屬19 種螞蟻，但費氏盤腹蟻和王天盤腹蟻存在重疊現(xiàn)象；包公盤腹蟻、貝卡盤腹蟻和小刺盤腹與其他幾組分開最遠(yuǎn)。此外，散點圖總體表現(xiàn)為形態(tài)相似的物種其散點分布是相互靠近的，而那些形態(tài)相差較大的物種，其散點分布也呈現(xiàn)出不同程度的遠(yuǎn)離。由此可見，以3 個主成分做出的散點圖能夠?qū)?9 種螞蟻區(qū)分開。

2.5 系統(tǒng)聚類分析

基于歐式距離，利用SPSS 26.0 軟件，以14 個性狀為變量，對盤腹蟻屬19 種螞蟻進行系統(tǒng)聚類分析。由圖2 可知，以20 為標(biāo)度將盤腹蟻屬19 種螞蟻聚成了2 個大支。費氏盤腹蟻、王天盤腹蟻、包公盤腹蟻、貝卡盤腹蟻和小刺盤腹蟻聚成1 支，其余14 種聚成1 支。以15 為標(biāo)度則被聚成了4 支。第一支有舒爾盤腹蟻、雕刻盤腹蟻和角盤腹蟻等9 個種；第二支有5 種，分別為史氏盤腹蟻、韋氏盤腹蟻、王爺盤腹蟻、塞奇盤腹蟻和西藏盤腹蟻；第三支只有費氏盤腹蟻和王天盤腹蟻兩種；第四支有包公盤腹蟻、貝卡盤腹蟻和小刺盤腹蟻3 種。根據(jù)系統(tǒng)聚類樹狀圖中的種間距離判斷彼此間的親緣關(guān)系得出：第一支與第二支的相似度最高，親緣關(guān)系最近；與第三支的相似度次之，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)；與第四支的相似度最低，親緣關(guān)系最遠(yuǎn)。同理，第三和第四支之間的親緣關(guān)系最近。各支種間相似度最高，親緣關(guān)系最近，與其他支的物種親緣關(guān)系最遠(yuǎn)。結(jié)果表明：形態(tài)特征相似的種類會聚到一起，距離越近，親緣關(guān)系越近。

圖2 盤腹蟻屬19 種螞蟻系統(tǒng)聚類Fig.2 Systematic clustering of 19 species of the genus of Aphaenogaster

3 討論

本文選取19 種盤腹蟻的14 個形態(tài)特征值作為變量，通過因子分析和主成分分析，抽取了胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI）4 個成分進行綜合分析，4 個主成分累積貢獻率達到了92.76%，說明因子分析效果明顯。而張榮嬌在研究厚結(jié)猛蟻屬13 種的時候，抽取的主成分是頭長（HL），頭寬（HW），頭比（CI），觸角柄節(jié)比（SI）[24]；谷博在中國蟻亞科形態(tài)測量學(xué)研究中抽取的主成分為體長（TL）、觸角柄節(jié)比（SI）、前胸比（PI）[21]。不同類群的螞蟻由于形態(tài)特征、棲息生境等方面存在較大差異，導(dǎo)致了不同類群分類由不同的性狀特征所決定。雖然各類群所抽取的主成分不同，但均可以實現(xiàn)區(qū)分物種的目的，因此我們認(rèn)為形態(tài)測量學(xué)的研究在物種分類方面具有一定的價值，可以在其它類群間推廣應(yīng)用。

盤腹蟻屬19 種螞蟻系統(tǒng)聚類結(jié)果與主成分得分散點圖結(jié)果基本一致，與傳統(tǒng)的形態(tài)分類的結(jié)果大致吻合。根據(jù)系統(tǒng)聚類結(jié)果費氏盤腹蟻、王天盤腹蟻、包公盤腹蟻、貝卡盤腹蟻和小刺盤腹蟻5 種頭在復(fù)眼后明顯收縮延伸的物種，具有更近的親緣關(guān)系，這與傳統(tǒng)形態(tài)分類結(jié)果十分符合；溫雅盤腹蟻和角盤腹蟻以及西藏盤腹蟻和塞奇盤腹蟻等在形態(tài)特征上較相似的物種，在系統(tǒng)聚類結(jié)果和主成分得分散點圖上也均表現(xiàn)出較近的親緣關(guān)系，且散點圖上它們均未出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，由此可見，形態(tài)測量方法物種分類、區(qū)分相似種、研究物種間親緣關(guān)系等方面具有一定價值。系統(tǒng)聚類結(jié)果中史氏盤腹蟻和王爺盤腹蟻的親緣關(guān)系要比王爺盤腹蟻和韋氏盤腹蟻更近，而在散點圖中，史氏盤腹蟻距離王爺盤腹蟻和韋氏盤腹蟻要更遠(yuǎn)，與系統(tǒng)聚類結(jié)果存在微小差異；同樣，大林盤腹蟻在系統(tǒng)聚類中的親緣關(guān)系與凱氏盤腹蟻、風(fēng)伯盤腹蟻和玄天盤腹蟻要比家盤腹蟻、角盤腹蟻、溫雅盤腹蟻和雕刻盤腹蟻更近，在散點圖中，大林盤腹蟻與角盤腹蟻、溫雅盤腹蟻和雕刻盤腹蟻的距離比較接近，沒有顯示出與凱氏盤腹蟻、風(fēng)伯盤腹蟻和玄天盤腹蟻的親緣關(guān)系更近。本研究分析認(rèn)為，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因可能是由于標(biāo)本來源多樣化導(dǎo)致的，即同一種螞蟻，由于生境的不同導(dǎo)致了外部形態(tài)差異以及測量過程中可能存在視覺誤差，致使個別性狀測量結(jié)果具有一定誤差，影響了數(shù)據(jù)的分析，但總體上與形態(tài)分類結(jié)果一致。

總體而言，形態(tài)特征測量值能夠?qū)ハx外部形態(tài)的細(xì)微變異結(jié)構(gòu)進行量化分析，可以反映物種在生態(tài)學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育史上的差異，從而區(qū)分同源類群[25]。黃海燕[22-23]、張榮嬌[24]、谷博[21]、Weiseri &Kaspari[25]、Cs?sz等[28]、Hazarika[26]和Samung[27]等都采用了形態(tài)測量學(xué)的方法開展了相關(guān)的研究，均證明該方法可用于螞蟻物種分類。形態(tài)測量學(xué)方法對物種分類、區(qū)分相似種、研究物種間親緣關(guān)系等方面均具有重要意義。但是同一種螞蟻的形態(tài)特征是由內(nèi)在基因和外部環(huán)境共同決定的，形態(tài)測量學(xué)不能對螞蟻的外部特征進行完整描述和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，不能單一的使用形態(tài)測量學(xué)進行分類學(xué)研究，需要同傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)方法相結(jié)合，才能進一步確定螞蟻的分類地位。

4 結(jié)論

19 種盤腹蟻在14 個性狀變量上存在差異，主要表現(xiàn)在胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI）這4 個性狀上，這4 個性狀基本涵蓋該屬19 種螞蟻形態(tài)測量學(xué)研究中所涉及的14 個性狀特征；主成分得分散點圖能夠明顯區(qū)分該屬19 種螞蟻；通過系統(tǒng)聚類，將盤腹蟻屬19 種螞蟻分為4 支，第一支與第二支的相似度最高，親緣關(guān)系最近，與第四支的相似度最低，親緣關(guān)系最遠(yuǎn)；各支種間親緣關(guān)系則最近，與其他支的種親緣關(guān)系最遠(yuǎn)，其結(jié)果與主成分得分散點圖的聚類情況以及形態(tài)特征分類結(jié)果基本一致。運用形態(tài)測量學(xué)方法對蟻科昆蟲進行物種分類鑒定是可行的，具有重要應(yīng)用前景，可為分類鑒定提供新的方法。