背条螳臂树蛙鸣声的繁殖性状替代

杨悦， 蔡炎林， 李红杰， 赵龙辉， 唐业忠， 崔建国*

(1. 中国科学院成都生物研究所，成都610041； 2. 中国科学院大学，北京100049；3. 四川师范大学生命科学学院，成都610101)

性状替代是物种在生存、繁殖过程中应对其他物种资源竞争的一种解决方案。1956年，Brown和Wilson首次提出了性状替代的概念，将其定义为：在有地理重叠区的近缘物种中，物种间的性状差异在重叠分布区域比非重叠分布区域更大(Brown & Wilson，1956)。这一理论自提出以来，很多研究者在不同类群中都检测到性状替代，并进一步探究性状替代的内涵以及修正性状替代的概念(Pfennig & Pfennig，2012)，本文采用Pfennig和Pfennig在2009年使用的定义(Pfennig & Pfennig，2009)：性状替代是为了减弱种间资源竞争或繁殖干扰而产生的性状进化的现象。根据选择压力类型，性状替代主要分为两类：生态性状替代(ecological character displacement，ECD)——以种间的资源竞争为进化动力，ECD发生在与资源竞争相关的性状中，如喙和颚(Slatkin，1980；Schlüter，2001)；繁殖性状替代(reproductive character displacement，RCD)——以种间繁殖干扰为进化动力，RCD发生在与繁殖相关的性状中，如求偶信号或雌性的选择偏好(Brown & Wilson，1956；Márquez & Bosch，1997；Höbel & Gerhardt，2003)。RCD是物种应对种间繁殖干扰的一种解决方案(Brown & Wilson，1956；Lemmonetal.，2003；Jang & Gerhardt，2006；Pfennig & Ryan，2007；Gröning & Hochkirch，2008；Pfennig & Pfennig，2009)。种间繁殖干扰是在配偶选择过程中由不完整的物种识别引起的，会对其中至少一种物种的适合度产生不利影响的任何种间相互作用(Gröning & Hochkirch，2008)。繁殖干扰造成的适合度损失源自时间、能量、营养或配子的浪费。根据不利影响的程度，种间繁殖干扰可以分为信号干扰、异种竞争、错误的交配尝试、杂交产生后代等多个等级(Gröning & Hochkirch，2008)。RCD与固定作用虽然都是物种增强配子前隔离的一种手段，但固定作用主要发生在可以产生杂种后代的近缘物种间(Pfennig，2003；Pfennig & Rice，2014)，而RCD往往指不能产生杂种后代时的情况。理论上各类繁殖干扰均可能导致物种产生RCD。

动物通讯对物种的识别和繁殖有着至关重要的作用，其中的声音通讯是大多数两栖类、鸟类和部分昆虫的主要通讯手段，且以声音通讯为手段研究RCD具有一定优势。首先，大多数两栖类、鸟类和部分昆虫依赖声音作为性选择的主要甚至唯一通讯媒介(Gerhardt & Huber，2002)；此外，声音通讯研究具有方便定位、容易录制、便于回放、易于分析等优势(Gerhardt，2013)。Höbel和Gerhardt(2003)发现，与单独分布的灰树蛙Hylagratiosa相比，与绿树蛙H.cinerea同域分布的灰树蛙鸣声有明显差异，并且同域分布的雌性灰树蛙对同种声音的辨识能力更强。Lemmon(2009)研究参与RCD的拟蝗蛙属Pseudacris2个物种时发现，RCD只存在于其中一种，验证了RCD的不对称性；并且发现在不同的同域分布区，RCD的方向并不一致。然而，也有研究未得到正面结果(Gerhardt，2013；Leeetal.，2016)。

本文以背条螳臂树蛙Chiromantisdoriae(以下简称背条)为研究对象，在背条和侧条费树蛙Feihylavittata(以下简称侧条)的同域分布区和背条单独分布的异域分布区对其信号系统的变异进行考量。背条和侧条一度被划入螳臂树蛙属Chiromantis(费梁等，2012)，但近期分子证据表明，二者在基因上亲缘关系较远(Lietal.，2013)，侧条及其他2种费树蛙被划分为费树蛙属Feihyla。基因上的亲缘关系较远预示二者可能不存在潜在的基因交流，但二者体型相近、鸣叫频率相似(图1，背条鸣叫主频率：3.99 kHz；侧条鸣叫主频率：4.85 kHz)、繁殖期和繁殖场高度重叠、在野外相遇率高。在野外观察到二者存在求偶鸣叫干扰以及种间错抱的繁殖干扰现象。因此，二者可能会受到减弱繁殖干扰影响的选择压力作用，从而产生RCD。

1 材料和方法

1.1 研究地点

在已有研究(费梁等，2012)的基础上，主要对分布于海南岛的背条和侧条进行了详细调查，结果表明，背条分布较侧条广泛。二者生境十分接近，均为水坑旁的草丛和灌木丛，侧条的繁殖场偏向于水位较深的水坑和灌木丛，而背条的生境更为广泛，在稻田或积水的荒地也有发现。

以海南岛为主要研究地，在海南及广东共选取12个样点，其中4个为背条和侧条的同域分布点(主要集中在海南岛东南部)，8个为背条单独分布的异域分布点(图2)，各样点具体信息见表1。

1.2 野外录音

2015年8月与2017年5—9月共采集12个样点150只个体的鸣声数据。鸣声统一录制于背条求偶活跃，且便于数据采集的20∶00—24∶00。采用录音机(Marantz PMD 660，16 bit，44.1 kHz)连接指向性麦克风(Sennheiser ME66 with K6 power module)录音。录音时，将麦克风置于鸣叫雄性头部前方约0.5 m处，对其连续录制3 min。

1.3 声音参数提取

背条的广告鸣声是多音节鸣声(图1)，为准确获取其声音特征在鸣声(call)和音节(note)2个层面的信息，分别对鸣声参数与音节参数进行提取和统计分析。

图1 背条螳臂树蛙和侧条费树蛙的波谱及频谱Fig. 1 Amplitude-modulated waveforms and spectrograms of Chiromantis doriae and Feihyla vittata

图2 背条螳臂树蛙12个采样分布点Fig. 2 Geography locations of 12 populations of Chiromantis doriae

编号采样点分布类型地理坐标海拔/m个体数量/只鸣声样本数6音节鸣声样本数1广东省湛江市海安镇异域110.22°E, 20.28°N972162海南省儋州市白马井镇异域109.23°E, 19.70°N111037153海南省定安县排岭坡村异域110.34°E, 19.67°N10662884海南省五指山市冲山镇异域109.51°E, 18.79°N3171765155海南省乐东市千家镇异域109.08°E, 18.56°N1241349146海南省陵水县南喜村异域109.93°E, 18.66°N240114387海南省东方市零公里村异域108.80°E, 19.12°N491761148海南省三亚市番园村异域109.52°E, 18.34°N361248129海南省万宁市北大镇同域110.32°E, 18.92°N4314511410海南省五指山市水满乡同域109.67°E, 18.88°N65119701411海南省陵水县吊罗山同域109.87°E, 18.72°N93316342912海南省定安县黄竹镇叶田村同域110.40°E, 19.44°N1118199合计150526158

共选取8个鸣声参数，其中与声音频域相关的参数4个：主频、高频、低频和调频幅度；与声音时域相关的参数4个：鸣声时长、音节数量、鸣声速率和鸣声间隔(表2)。将野外录音获取的数据首先导入Adobe Audition 3.0(CA，USA)中，查看鸣声录制情况，并对每只个体选取3～5个清晰连续的鸣声进行后续参数提取。在鸣声参数中，主频、高频和低频的提取需将1个选定的鸣声单独截取保存，之后将截取的单独鸣声导入Praat(Boersma， 2002)，运行Praat脚本自动获得，其余参数在Adobe Audition 3.0中读取获得。

背条的鸣声是多音节鸣声(图3)，4～8音节的鸣声比例均超过总数的10%，且总和占全部鸣声的80.5%。其中，6音节鸣声比例最高，达20.4%，5音节次之，达20.3%。鸣声的平均音节数量为6.28。6音节是鸣声音节数量的众数，同时也最接近平均音节数量，因此涉及不同鸣声音节间相互比较时，均使用最具代表性的6音节鸣声进行数据提取和分析。共选取3个音节参数，包括音节时长、音节间隔和音节主频(表2)。

图3 背条螳臂树蛙音节数分布比例Fig. 3 The distribution proportion of notes per call of Chiromantis doriae

1.4 统计分析

共统计12个样点150只个体的526号鸣声(表1)。所有统计均在R 3.4.2(R Core Team，2017)中完成。为降低鸣声参数(因变量)维度，消除各参数间的交互作用，对鸣声参数进行主成分分析(principal component analysis，PCA)，获得3个主成分。同域或异域分布对鸣叫特征的影响是检测RCD的关键，因此，以是否为同域分布(sympatry or allopatry， SA)为固定因子；样点间变异和个体间变异是本研究希望排除的作用，因而“个体嵌套于样点”作为随机因子，对鸣声主成分进行混合线性模型分析(mixed linear model analysis)。函数表达式为lmer[RC_n～SA+(1|site/ID_num)，Data]。

表2 鸣声和音节参数描述Table 2 Description of call and note parameters

以6音节鸣声为代表统计音节参数，样本量见表1。以音节时长、音节间隔和音节主频为因变量进行混合线性模型分析，同鸣声参数一致，SA是检测RCD的关键，因此，将SA作为混合线性模型分析的固定因子。除此之外，音节编号对音节特征影响显著，如1音节鸣声与后续音节相比，往往主频较低，时长和间隔较短，因此在分析音节参数变化时，将音节编号作为另一固定因子，并考虑音节编号与SA的交互作用。随机因子的设定同鸣声分析一致，即以“个体嵌套于样点”作为随机因子。函数表达式为lmer[Parameter_n～SA×Note_num+(1|site/ID_num)，Data]。

2 结果

8个鸣声参数的主成分分析显示，PC1主要解释时域参数，PC2主要解释频域参数，PC3主要解释时域参数和调频特征。3个主成分共解释整体方差的72%(表3)，以其为因变量分别进行混合线性模型分析，结果显示(表4)，PC3存在SA差异(P=0.042)，而PC1和PC2不存在SA差异。

以6音节为代表对音节参数进行混合线性模型分析，发现音节参数随着音节编号不同而显著变化。本研究以检测RCD为目的，主要考虑SA以及SA与音节编号之间的交互作用(SA∶音节编号)是否对音节参数有显著性影响。结果显示(表5)，音节间隔不存在SA差异，而音节主频和音节时长都与音节编号存在显著的交互作用，故不能做双因素的混合线性模型分析。建立各个音节的数据集，在每个数据集下，以SA作为固定因子，探讨这2项参数是否存在SA差异。结果表明，音节主频在3音节和4音节上存在SA差异；音节时长在6音节上存在SA差异。

表3 鸣声主成分载荷矩阵和方差贡献表Table 3 Principal component analysis component matrix and variance explained of call parameters

表4 鸣声混合线性模型分析结果Table 4 Mixed linear model analysis of call statistics

表5 音节混合线性模型分析结果Table 5 Mixed linear model analysis of note statistics

背条各音节主频见图4。整体上同域背条的音节主频低于异域背条，但仅3、4音节的差异有统计学意义。从音节最低频到音节最高频的调频幅度上，同域背条略大于异域背条。

图4 背条螳臂树蛙各音节主频示意图Fig. 4 Note dominant frequencies of Chiromantis doriae

*P<0.05

3 讨论

本研究在同域/异域背条的求偶鸣声中检测到RCD的存在。对于同域/异域背条种群，首先在鸣声参数中，反映鸣声速率、鸣声间隔和调频幅度的主成分PC3存在SA差异；在音节参数中，音节主频和音节时长存在显著差异，同域背条的音节主频更低。侧条鸣声是频率更高的单音节鸣声，同域背条的鸣声比异域背条频率更低、调频幅度更宽，这些特征变化加大了背条与侧条鸣声间的差异，是降低种间繁殖干扰、提高适合度的有效途径。

无尾两栖类依赖声音作为主要通讯手段，而环境中的生物和非生物噪音会降低信号的传递效率(信噪比)，与其他类型的噪音相比，异种鸣声不仅会降低信噪比，还可能产生繁殖干扰(Siegertetal.，2013)，因此，物种受到的来自异种鸣声的潜在选择压力更大。在物种繁殖信号进化的过程中，除近缘物种的影响外，较远缘物种间的相互干扰也起着重要作用(Gröning & Hochkirch，2008)，本研究也证明了这一点。背条在声音信号特征方面产生的RCD主要与调频幅度、鸣叫速率和鸣声间隔相关。鸣叫速率和鸣声间隔属于声音的时域特征，时域特征往往是无尾两栖类区分不同鸣声类型和鸣叫物种的信号特征(Klump & Gerhardt，1987；Schwartz，1987；Pennaetal.，1997；Kimeetal.，2004)。在拟蝗蛙属中也发现鸣声在时域特征上产生的RCD现象(Lemmon，2009)。背条产生RCD的另一方向是音节调频特征变异，声音信号的调频特征携带重要信息，如，在峨眉仙琴蛙Babinadaunchina的研究中证明，调频可以帮助雌性仙琴蛙突破韦伯定律的限制，识别更多有效音节(Cuietal.，2016)。在调频特征上产生RCD，使同域背条鸣声更复杂，加大了背条鸣声与单音节的侧条鸣声间的差异。本研究在背条鸣声信号中检测到RCD，鸣声信号在声音通讯系统中往往具有较强的可塑性，其发生替代的速度可能会超过我们的预期。Gordon等(2017)在绿树蛙和灰树蛙的研究中发现，8年时间足以使同域物种在求偶鸣声上发生RCD。

本研究发现，背条在通讯过程中存在RCD现象，表明RCD现象不仅适用于近缘物种，也可以广泛产生于存在繁殖干扰的较远缘物种中，这拓展了RCD的概念。研究结果将为探索RCD的形成机制提供重要的指示作用，也为研究物种分化过程提供了启示。本研究以背条为研究对象证明在背条-侧条种间相互作用的过程中，背条存在RCD现象，后续研究若能将侧条的鸣声替代也考虑在内，将为背条-侧条的RCD研究提供更完整的蓝图。