高原鼢鼠(Eospalax baileyi)头骨形态的地理分化

苏军虎,南志标,JI Weihong,王海芳

1 甘肃农业大学草业学院,草业生态系统教育部重点实验室, 兰州 730070 2 甘肃农业大学-新西兰梅西大学草地生物多样性研究中心, 兰州 730070 3 兰州大学草地农业科技学院,草地农业生态系统国家重点实验室, 兰州 730020 4 新西兰梅西大学, 自然科学与数学学院, 奥克兰 0632

地理隔离是物种分化的重要原因之一。通过检测不同地理(生态)条件下物种的分化形式,揭示其格局与成因,对理解物种的形成与过程具有重要的意义[1]。头骨是动物有机体内最坚固和稳定的器官,其形态差异能一定程度上反映物种的分化状况[2-4],在物种的形成与演化研究中显示出了极大的应用价值[5-6]。结合头骨形态指标、发育模式和地理分化特征测定和分析,对掌握其物种地位、年龄状况,理解种间、种内变异,认识其生态特征等均具有极大的价值,能为动物的地理演化、发育生物学以及进化生态学的研究提供重要参考[7-10]。研究发现,同一物种在不同区域的种群之间头骨形态往往会表现出一定的差异,如生活在不同地理环境中的高山姬鼠(Apodemuschevrier)[11]、中国巨松鼠(Ratufabicolor)[12]和塔里木兔(Lepusyarkandensis)[13]等啮齿类动物在头骨形态上有显著的差异。更多的这类研究对于分析各种群地理分化、物种形成具有重要意义[14]。

高原鼢鼠(Eospalaxbaileyi)是鼢鼠亚科(Myospalactinae),凸颅鼢鼠属(Eospalax)啮齿动物[15],是广泛分布于青藏高原[16]。终年活跃在海拔3000多米的耕地、草滩、森林和阳坡草场上,靠啃食耕地作物、牧草根茎、幼树根皮等为生,且在取食、交配、构筑巢窝洞道的挖掘活动中推土造丘,导致农牧作物死亡减产等,一直以来作为害鼠加以例行防治[17-18]。但高原鼢鼠处于生态系统的关键环节,对疏松草地土壤,加速能量流动和物质循环方面具有积极的作用,被誉为“生态系统工程师”[16]。高原鼢鼠具有较大的生态和经济意义,是关注度较高的物种,加之其多样的栖息地环境、特有的地下生活方式,以及低氧、潮湿等特殊环境的适应,使其成为研究分化、选择、物种形成等科学问题的优良模型[9,19-20]。唐利洲等比较了高原鼢鼠甘肃、四川和青海不同地理种群的形态变异,发现构成两个大的地域性群体：甘肃群体,以及青海和四川混合群体[21]。鲁庆彬等发现甘肃鼢鼠(E.cansus)不同地理种群发生了明显的地理分化[22]。我们在实验过程中发现,在小范围尺度上,高原鼢鼠形态特征具有较明显的差异。在不同的尺度上做进一步分析,可揭示更多物种特征的形成机制与微进化方式,能为理解生态特征对物种分化和形成的影响提供有意义的参考。本文从高原鼢鼠的头骨形态特征入手,系统比较青藏高原东缘甘肃境内8个不同种群头骨形态的异同,综合运用单因素方差分析、主成分分析、判别分析和聚类分析,比较头骨特征变量的地理分化,挖掘形态特征的主要变量,并用判别系数与聚类结果进行检验,分析其形态变异与环境的关系,探讨地理隔离与环境因子对高原鼢鼠种群分化的影响。旨在阐明高原鼢鼠头骨形态分化的地理学因素,为其物种形态特征的分化与形成以及区域生物多样性形成与演化等提供参考。

1 材料和方法

1.1 样本采集与气象数据来源

本研究所用鼢鼠头骨标本采自于甘肃临潭、天祝、玛曲和碌曲4个地区,采集地具体信息见表1。依据解剖后的生理特征及其体格大小,选取成年个体,通过烹煮、解剖及其酒精处理等制作头骨标本共226号(表1)。

经纬度及海拔来自于采样时GPS记录仪的测定,降水量、年均温度数据选自于当地的县志。其中天祝地区的4个样地降水量和年均温度相同。

1.2 形态测量

通过参照杨奇森等的兽类头骨测量标准[23],运用游标卡尺共计测量如下13个头骨形态指标(精确到0.01 mm)：颅全长(Skull length,SL)、颅基长(Basal length,BL)、腭长(Median palatal length,MPL)、颧宽(Zygomatic breadth,ZB)、眶间宽(Least breadth between the orbits,LBO)、齿隙长(Diastemalength,DL)、鼻骨长(Greatest length of the nasals,GLN)、听泡长(Length of tympanic bulla,LTB)、听泡宽(Width of tympanic bulla,WTB)、上齿列长(Length of tooth row,LTR)、后头宽(Greatest mastoid breadth,GMB)、下齿列长(Length of lower tooth row,LLTR)、下颌长(Total length,TL) 等13个变量。为了减少系统误差,所有数据均有同一个人测量完成。

1.3 统计分析

通过Kolmogorov-Smirrnov检验变量的正态分布。在满足正态分布的条件下,运用SPSS 19.0分析软件对所有头骨的各形态指标的测量值进行系统分析。在数据分析之前并不依据现有任何亚种分类结论对所有标本进行归类,而是基于上述13个头骨测量性状,运用单因素方差分析对所有测量性状进行标本个体间的差异的显著性进行分析,以期探讨所分析标本的总体相似性,并通过主成分分析、判别分析和聚类分析,依据各头骨性状的相似性对其进行归类分析。并利用Pearson 相关系数分析做环境因子与高原鼢鼠头骨指标的相关性分析。以上所有分析均通过SPSS 19.0进行,显著性水平定为0.01和0.05[24]。

表1 高原鼢鼠采集信息Table 1 Collecting data of Plateau zokor in this study

Lt: 临潭(Lintan)、Lq: 碌曲(Luqu)、 Mq: 甘南玛曲(Maqu)、Tz: 天祝(Tianzhu);不同序号为同一地区不同种群

2 结果与分析

2.1 高原鼢鼠头骨形态的单因素方差分析

经Kolmogorov-Smirrnov检验可知,所测得的13个指标变量均满足正态分布分布(P>0.05)。通过单因素方差分析(One-way ANOVA)比较不同地域高原鼢鼠头骨的形态特征,并采用Duncan法对有显著差异的变量进行多重比较。发现甘肃4个不同地区高原鼢鼠头骨形态上存在显著差异。

单因素方差分析结果表明,在所测的13个指标变量中除了颧宽在四个地区间的不同高原鼢鼠种群中差异显著外(P<0.05),颅全长、颅基长、上齿列长、下颌长、齿隙长、听泡宽、听泡长、眶间宽、下颌长、腭长、齿隙长和后头宽等指标都存在极显著差异(P<0.01)。

通过表2总体分析表明碌曲两地区所采鼢鼠头骨的颅全长、颅基长、上齿列长、颧宽、鼻骨长和后头宽等指标的平均值均大于其他地区种群的指标。

表2 不同地区高原鼢鼠头骨形态量度及Duncan法多重比较Table 2 Measurement of E. baileyi and Duncan multiple comparisons in the areas

注：颅全长SL, Skull length; 颅基长BL, Basal length; 腭长MPL, Median palatal length; 颧宽ZB, Zygomatic breadth; 眶间宽LBO, Least breadth between the orbits; 齿隙长DL, Diastemalength; 鼻骨长GLN, Greatest length of the nasals; 听泡长LTB, Length of tympanic bulla; 听泡宽WTB, Width of tympanic bulla; 上齿列长LTR, Length of tooth row; 后头宽GMB, Greatest mastoid breadth; 下齿列长LLTR, Length of lower tooth row; 下颌长TL, Total length。相同字母表示差异不显著,不同字母表示差异显著(P< 0.05)

Duncan法多重比较结果表明：在所测量的13项变量指标中所有的变量指标都存在显著差异,Tz1和Tz2两个种群之间具有显著差异和极显著差异的性状只有鼻骨长一项变量指标。Tz1和Tz3两个种群之间有9项,Tz1和Tz4两个种群之间有8项。Tz1种群与其他种群的存有2—11项差异,Tz1和Lt两个种群之间差异最大,达11项。Tz2种群与其他种群的存有2—7项差异,Tz3种群与其他种群的存有2—10项差异,其中Tz3和Lq2两个种群之间有10项。Tz4和Lq2两个种群之间有10项,Lq2和Lt两个种群之间有10项,Mq和Lt两个种群之间有6项。

2.2 主成分分析

对高原鼢鼠各地理种群13项头骨指标的主成分分析结果显示,前 3个主成分的累积贡献率为96.981%(表3),表明前3个主成分已基本包含了高原鼢鼠头骨性状的全部信息,可用前3 个主成分对其进行综合评价。第1主成分的特征值为6.212,贡献率为47.786%。决定第 1 主成分的主要是除听泡长、听泡宽、下颌长外的10个指标,其载荷值均为正值。第 2主成分的特征值为4.320,贡献率为33.234%。决定第2主成分的主要是听泡长、下颌长、上齿列长和腭长；第 3主成分的特征值为2.075,贡献率为15.961%。决定第3主成分的主要是听泡宽、眶间宽和颅全长。

2.3 判别函数分析

逐步判别函数分析得到了6个典型判别函数,有6个头骨形态特征,即颅全长、上齿列长、齿隙长、听泡宽、眶间宽和腭长进入了最终的逐步判别函数中,其中,颅全长在判别函数1和3中判别系数绝对值相对较大,函数2和5中判别系数绝对值最大的是齿隙长,函数4中判别系数绝对值最大的是上齿列长,函数6中判别系数绝对值最大的是听泡宽(表4)。这表明高原鼢鼠头骨形态在地域之间的差异主要来自于颅全长、上齿列长、齿隙长和听泡宽的影响。

表3 3个主成分的特征值、贡献百分率、累计贡献率及其特征向量Table 3 Eigen values, contribution, accumulative contribution, and eigen vector of three principal components

表4 进入逐步判别函数的变量及其相应的判别系数Table 4 Variables entered stepwise discriminant functions and their standardized canonical discriminant function coefficients

对第一和第二判别函数作散点图,可以显示出不同地域高原鼢鼠头骨样本在空间的分离与重叠情况。从不同判别函数下各种群重心坐标可知,判别分析散点图区分度良好(图1)。Tz1,Tz2,Tz4种群,Lt种群能很好的区分开来,但不能把Tz3和Mq种群判别开来。Tz1,Tz2,Tz4种群重叠度较高,但Tz3种群和Mq种群较为分散。

2.4 聚类分析

通过计算8个不同高原鼢鼠种群中所有个体头骨形态各变量指标的平均值,通过聚类分析得出聚类分析树状图。由图2可知,8个不同的种群可聚为2类,天祝的4个群体和碌曲的2个群体聚为一大类,Mq和Lt两个种群聚为另一类,前者在聚类时,首先Tz2和Tz3两个群体先聚为一类,后Tz4和Lq1聚为一类,最后Tz1和Lq2聚为一类,说明天祝和碌曲的鼢鼠种群头骨形态相似,Mq与Lt两个种群头骨形态较相似,这与判别分析结果相同。

图1 4个地区高原鼢鼠头骨样本的判别分析Fig.1 Plot on discriminant functions of Plateau zokor skulls

图2 聚类分析树Fig.2 Dendriform combine plot of cluster analysis

2.5 头骨形态与地理因子的相关性分析

结合海拔、经纬度、年均温和降水量等地理因子，分析高原鼢鼠头骨形态特征与地理因子的相关性,结果发现：头骨大小与海拔成正相关,除听泡宽为负相关关系外,其余均为正相关,齿隙长与海拔的Pearson相关系数为0.908,且达到极显著正相关水平(P<0.01),颧宽和鼻骨长达到显著相关(P<0.05)。眶间宽与纬度达到显著负相关(P<0.05),高原鼢鼠头骨指标与经度、年平均温度和降水量均不存在显著相关性。

3 讨论

本研究发现,高原鼢鼠种群头骨形态具有明显的地理分化,13个特征变量在不同种群之间都存有显著差异。主成分分析发现,3个主成分已基本包含了高原鼢鼠13项头骨指标的全部信息,第 1 主成分的主要是除听泡长、听泡宽、下颌长外的10个指标,第 2主成分主要是听泡长、下颌长、上齿列长和腭长,第3主成分主要是听泡宽、眶间宽和颅全长。利用判别分析中判别系数的绝对值进一步缩小了主要变量,发现高原鼢鼠头骨形态地域之间的的差异主要来自于颅全长、上齿列长、齿隙长和听泡宽。这与进一步的聚类分析结果一致,玛曲及临潭种群和其他种群亲缘关系较远,而天祝和碌曲种群亲缘关系比较近。天祝和碌曲、与玛曲和临潭的鼢鼠种群之间头骨形态已经发生了明显的分化,天祝不同种群之间头骨形态也存有地理变异,但程度相对较小。

环境是导致物种形态发生变异的主要原因。生物为了适应生存环境,每一个物种都会随气候、土壤以及食物等环境因子的不同而在各方面都会呈现出相应的地理分化[25]。很早就有学者发现在自然界中存在着所谓的“距离隔离”现象,即物种分化的程度往往会随着地理距离的增加而增加[26]。地理隔离,阻断了不同物种之间的基因交流,通常认为是导致种群分化的先决条件[27]。蔡振媛等发现高原鼢鼠的遗传分化与地理距离呈正相关[28]。同时生物种群栖息地的范围随着地理距离的增加,环境的异质性也会逐渐的增大[29]。本研究中玛曲种群和临潭种群相距较近,而与其他种群相距较远。结果也发现玛曲种群和临潭种群与其他种群几乎无重叠,显示完全分化。

本研究发现高原鼢鼠头骨特征与海拔的关系,除与听泡宽为负相关关系外,高原鼢鼠头骨大小与海拔均为正相关,齿隙长与海拔的Pearson相关系数为0.908,且达到极显著正相关水平(P<0.01),颧宽和鼻骨长达到显著相关(P<0.05)。我们在采样过程中也发现玛曲与碌曲的高原鼢鼠样本个体尺寸比其他两个县区的大。而采自同一地域较小尺度上的天祝4个种群,其栖息地的海拔高度均不相同,头骨形态也表现出一定的分化。鲁庆彬等研究发现甘肃鼢鼠(E.cansus)的形态分化与海拔高度之间存在明显的线性相关关系,随着海拔的升高,甘肃鼢鼠的身体尺寸有逐渐增大的趋势[22]。李惠萍等发现草兔体型大小、头骨大小均与海拔呈显著正相关,与年均温显著负相关,身体大小与纬度的相关性不显著,而大多头骨指标与纬度相关性不显著,结果表明与贝格曼规律相符[29]。本研究发现高原鼢鼠眶间宽与纬度达到显著负相关(P<0.05)。分析认为,纬度越高太阳高度角越小,平均温度越低,较低气温下微生境的变化,可能导致了高原鼢鼠不同生活方式,而眶间宽大小影响下的头骨三维空间结构变化,代表了头骨部分形态功能的变化。本研究中未检测到降水量、经度与高原鼢鼠头骨指标的相关性。可能是各采集群体地理距离较小,环境尺度不大,未能在统计学意义上检测到。

本研究中所采样本来自甘肃4个不同的县区,及同一县区不同地域的不同群体,各个群体之间相距很远,地理上完全隔离。造成高原鼢鼠地理分化的原因主要与种群之间的地理隔离密切相关。在不同的地理环境下,物种所面临的自然选择压力存有差异,物种的形态、生理和生活史等特征往往在不同地区的种群间发生地理变异[30]。何锴等认为栖息地复杂的地形、气候和生境很可能是引起白尾鼹(Parascaptorleucura)地理分化的主要因素[31]。高原鼢鼠长期生活在地下潮湿、缺氧、食物相对匮乏的洞道环境中,在挖掘活动中头骨主要接受土壤带来的阻力较大,其取食、交配、扩散等活动均需要挖掘推土来实现,土壤环境中土壤湿度等对其形态有一定影响[32-33]。而随着海拔的升高,温度等与能量代谢相关的选择压力会得到加强,这也符合贝格曼规律。本研究发现,生活在临潭的高原鼢鼠,主要栖息在农耕区,食物丰富,土壤疏松,头骨明显的比其他地区的小。而生活在天祝和碌曲的鼢鼠种群多栖居于山地,土壤比较坚固,为了拱土挖掘活动的需要,头骨明显比其他地区的高原鼢鼠牢固坚硬(在头骨标本制作过程中能发现),而且颧弓有明显的扩张趋势。综合分析认为,地理隔离,栖息地海拔因子影响下的生态条件等是高原鼢鼠头骨分化的主要因素。

本研究中采集的部分区域甘肃鼢鼠和高原鼢鼠同域分布,研究中有没有杂交个体的影响还需进一步分析,同时高原鼢鼠等特有的地下生活方式具有相似的环境选择压力,可能会导致物种的趋同适应,杂交个体的形态特征可能有别于其他物种,杂交个体等检测还需要结合遗传学指标进行确证。此外,种间作用对高原鼢鼠种群的地理变异有无影响,尚需进一步研究。

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