横断山五个地区大绒鼠头骨的几何形态学研究

张海姬 张 浩 秦雪雪 王政昆 朱万龙*

(1.云南省高校西南山地生态系统动植物生态适应进化及保护重点实验室，云南师范大学生命科学学院，昆明，650500；2.陇东学院生命科学与技术学院，庆阳，745000)

头骨和臼齿的形态变化与环境息息相关[1]，生境的变化可能引起其形态上的变化[2]。几何形态测量技术(geometric morphometric techniques)是一套统计分析方法，主要应用于分析物体的几何形状和形状的变化，可以把样本的大小和形状相互独立开来，提高结果的可信度，它可以对生物体及其器官的形态进行定量分析[3]。国外广泛将其应用于测量鱼类、鸟类及兽类骨骼等[4-8]。国内亦有贾婷等和朱万龙等对北树鼩(Tupaiabelangeri)头骨的相关报告[2，9]；杨红和张子慧关于中华姬鼠(Apodemusdraco)与大林姬鼠(Apodemuspeninsulae)头骨的研究[10]；朱万龙等和高文荣等对高山姬鼠(Apodemuschevrieri)头骨的相关报告等[11-12]。

大绒鼠(Eothenomysmiletus)主要分布于我国横断山脉及其附近地区，是横断山区的典型代表和固有物种，营地表浅层洞道生活，多夜间活动，以草的根茎和鲜嫩的浆汁植物为主要食物[13]。本次采样地横断山脉地区乃是我国特有的高山峡谷地区[14]，主要受山体南北走向及海拔的影响，随海拔升高气温降低，降水增加，具有干湿两季分明，年温差小，日温差大，立体气候显著等特点[15]。本研究组之前的研究表明：横断山地区特殊的地理环境使栖息于该地的大绒鼠身体的各项指标发生变化[16-17]，但关于横断山脉不同地点大绒鼠头骨几何形态学方面还没有相关研究。故在本研究中，我们假设不同采样地之间大绒鼠头骨形态存在差异，对此，本研究从横断山区自北向南选择大绒鼠的5个分布地点，以几何形态学测量技术对5个不同地点大绒鼠的头骨形态差异及大绒鼠的适应意义进行了研究，来阐明同一物种在不同环境中的适应对策。

1 研究方法

1.1 实验动物

实验动物于2016年夏季分别捕自横断山地区的5个地点(表1)，自北向南依次为：德钦、香格里拉、丽江、剑川和哀牢山。每个地点样本数均为7只，共计35只，实验动物均为非繁殖期的健康成年个体。

表1 5个采样点的海拔、坐标、年平均气温和降水量

Tab.1 Altitude，coordinate，annual average temperature and precipitation of E.miletus in five regions

1.2 数据获取

本研究采用的是标点法(landmark methods)，具体操作过程见贾婷等[2]。数据变量的形态差异可利用栅格的变形来表示[18]，即为薄片样条法(thinplate spline，TPS)[19]。

1.2.1 图片获取、数字化

数码相机SAMSUNG NX1000固定距离头骨标本 10 cm，以微距分别拍摄头骨侧面、头骨背面 、头骨腹面、下颌侧面、上臼齿和下臼齿。

利用软件 TPSDIG 2对拍摄完成的图片数字化处理[20]，之后根据相关头骨标记的方法[4，8，21-23]，并且结合大绒鼠头骨的真实情况，对相应照片进行打点标记(图 1～2)。在图片数字化处理之后，整理各界标点对应的坐标数据，且仅对样本左侧面打点标记，避免重复，由一人重复标记 6次及以上打点来提高准确度。

图1 大绒鼠头骨背面(a)、 头骨腹面(b)、 头骨侧面(c)及下颌侧面(d)界标点标记图Fig.1 Landmark configurations on the dorsal cranium(a)，ventral cranium(b)，lateral cranium(c)and lateral mandible(d)of E.miletus

图2 大绒鼠上臼齿(a)、 下臼齿(b)界标点标记图Fig.2 Landmark configurations on the upper molar(a)，lower molar(b)of E.miletus

1.2.2 去除非形态变异和薄片样条法

在头骨标本上，标记点的位置、图片拍摄角度等人为因素会引起分析的误差，采用 GPA(generalized procrustes analysis)法[2]去除非形态变异对分析的干扰。采用薄片样条法绘制样本间形态的差异[2]。

1.3 数据分析

将数据归类[2]，之后用软件Morphologika 2v2.5对上述数据进行主成分分析和薄片样条分析，比较不同采样地点头骨的相似性和变异程度。

将上述分析后的数据进行整合[2]，运用软件SPSS 22.0对不同采样地的头骨整合数据进行多维尺度(multidimensional scaling，MDS)分析。

2 结果

2.1 头骨背面分析

在本次研究中，共分析了来自不同地区的35个大绒鼠头骨。首先对大绒鼠头骨背面进行主成分分析，结果显示(表2)，前3个主成分特征值累计占总体变异量的96.54 %。将第一主成分和第二主成分作图，结果显示4个地区(德钦、香格里拉、剑川和丽江)的大绒鼠头骨背面相互重叠，哀牢山地区单独聚在一起(图3)。TPS图显示，5个地区大绒鼠头骨背面的形变主要表现在两个位置，分别为：鼻骨处和颧弓处。

表2 大绒鼠头骨背面主成分分析前3个主成分的特征值、占总体变异量及其累计值

Tab.2 Eigenvalues，percentage of total variance and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of dorsal cranium of E.miletus

图3 大绒鼠头骨背面第一主成分和第二主成分散点图及薄片样条分析Fig.3 Plots of principal component factors 1 and 2 for dorsal cranium and TPS of E.miletus

2.2 头骨侧面分析

对大绒鼠头骨侧面进行主成分分析，结果显示(表3)，前3个主成分特征值累计占总体变异量的51.11%。对第一主成分和第二主成分作图，结果显示5个地区(德钦、香格里拉、剑川、丽江和哀牢山)的大绒鼠相互重叠(图4)。TPS图显示，5个地区大绒鼠头骨侧面的形变差异不显著。

2.3 头骨腹面分析

大绒鼠头骨腹面主成分分析结果显示(表4)，前3个主成分特征值累计占总体变异量的51.38%。对第一主成分和第二主成分作图，结果显示5个地区(德钦、香格里拉、剑川、丽江和哀牢山)的大绒鼠头骨腹面相互重叠(图5)。TPS图显示，5个地区大绒鼠头骨腹面的形变差异不显著。

2.4 下颌分析

大绒鼠头骨下颌侧面主成分分析结果显示(表5)，前3个主成分特征值累计占总体变异量的47.05%。对第一主成分和第二主成分作图，结果显示5个地区(德钦、香格里拉、剑川、丽江和哀牢山)的头骨下颌侧面相互重叠(图6)。TPS图显示，5个地区大绒鼠头骨下颌侧面的形变差异不显著。

表3 大绒鼠头骨侧面主成分分析前3个主成分的特征值、占总体变异量及其累计值

Tab.3 Eigenvalues，percentage of total variance and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of lateral cranium of E.miletus

图4 大绒鼠头骨侧面第一主成分和第二主成分散点图及薄片样条分析Fig.4 Plots of principal component factors 1 and 2 for lateral cranium and TPS of E.miletus

表4 大绒鼠头骨腹面主成分分析前3个主成分的特征值、占总体变异量及其累计值

Tab.4 Eigenvalues，percentage of total variance and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of ventral cranium of E.miletus

表5 大绒鼠下颌侧面成分分析前3个主成分的特征值、占总体变异量及其累计值

2.5 上臼齿分析

大绒鼠上臼齿主成分分析结果显示(表6)，前3个主成分特征值累计占总体变异量的34.92 %。对第一主成分和第二主成分作图，结果显示5个地区(德钦、香格里拉、剑川、丽江和哀牢山)的上臼齿相互重叠(图7)。TPS图显示，5个地区大绒鼠上臼齿的形变差异不显著。

表6 大绒鼠上臼齿成分分析前3个主成分的特征值、占总体变异量及其累计值

Tab.6 Eigenvalues，percentage of total variance and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of upper molar of E.miletus

图6 大绒鼠下颌侧面第一主成分和第二主成分散点图及薄片样条分析Fig.6 Plots of principal component factors 1 and 2 for lateral mandible and TPS of E.miletus

图7 大绒鼠上臼齿第一主成分和第二主成分散点图及薄片样条分析Fig.7 Plots of principal component factors 1 and 2 for upper molar and TPS of E.miletus

2.6 下臼齿分析

大绒鼠下臼齿主成分分析结果显示(表7)，前3个主成分特征值累计占总体变异量的33.92 %。对第一主成分和第二主成分作图，结果显示5个地区(德钦、香格里拉、剑川、丽江和哀牢山)的下臼齿相互重叠(图8)。TPS图显示，5个地区大绒鼠下臼齿的形变差异不显著。

表7 大绒鼠下臼齿成分分析前3个主成分的特征值、占总体变异量及其累计值

Tab.7 Eigenvalues，percentage of total variance explained and cumulative variance explained by first three principal components for the principal component analysis of lower molar of E.miletus

图8 大绒鼠下臼齿第一主成分和第二主成分散点图及薄片样条分析Fig.8 Plots of principal component factors 1 and 2 for lower molar and TPS of E.miletus

2.7 多维尺度分析

本研究将5个采样地大绒鼠样本的头骨背面、头骨侧面、头骨腹面和下颌侧面数据整合，进行多维尺度分析，结果发现：5个采样地大绒鼠的头骨有明显差异，德钦、香格里拉、哀牢山、丽江和剑川在图9中第一维度方向上的排列趋势对照表1可知，与经度趋势相同；而在第二维度方向上5个地区的排列趋势对照表1可知，除哀牢山以外，其余地区与纬度、海拔和温度变化趋势相同(图9)。个体权重空间分布图显示，头骨背面评分(0.632，0.022)对第一维度的贡献较大；头骨侧面评分(0.403，0.464)对第二维度的贡献较大，头骨腹面评分(0.335，0.514)对第二维度的贡献较大；下颌侧面评分(0.292，0.515)对第二维度的贡献较大(图 10)。

图9 大绒鼠各采样点头骨组合数据的多维尺度分布图Fig.9 Diagram of multidimensional scaling for combined datasets of skull in different regions of E.miletus

图10 大绒鼠头骨背面、头骨腹面、头骨侧面及下颌侧面个体权重空间分布图Fig.10 Diagram of dimension weights for dorsal cranium，lateral cranium，ventral cranium and lateral mandible of E.miletus

将5个采样地大绒鼠样本的上臼齿和下臼齿数据整合，进行多维尺度分析，结果发现：在第一维度各采样地大绒鼠的臼齿形态都有差异，各个种群分开；在第二维度除香格里拉外，其余地点排列趋势与降水量趋势相同(图11)。个体权重空间分布图显示，上臼齿评分(0.461，0.410)对第 1 维度的贡献较大；下臼齿评分(0.433，0.441)对第 2 维度的贡献较大(图12)。

图11 大绒鼠各采样点臼齿组合数据的多维尺度分布图Fig.11 Diagram of multidimensional scaling for combined datasets of molar in different regions of E.miletus

图12 大绒鼠上臼齿和下臼齿个体权重空间分布图Fig.12 Diagram of dimension weights for upper molar and lower molar of E.miletus

3 讨论

几何形态学方法运用广泛，可用于反映环境因子对物种表型性状的作用结果以及物种分类等。例如：相同环境下南欧水鼩(Neomysanomalus)和水鼩鼱(N.fodiens)的头骨、下颌骨和臼齿性状发生相似的改变[24]；杨红和张子慧通过几何形态学分析方法将北京地区的姬鼠头骨分为中华姬鼠(Apodemusdraco)和大林姬鼠(A.peninsulae)两类[10]；而贾婷等用该方法将栖息在不同环境的北树鼩的头骨形态区分开来[2]。

本次采样点自北向南依次为德钦、香格里拉、丽江、剑川和哀牢山，年平均气温由北向南依次从低到高。海拔自德钦、香格里拉、剑川、丽江和哀牢山依次降低。5个地区大绒鼠头骨仅头骨背面的形变显著，这可能与本次采样地的地理分布有关，5个采样地相距较近，没有形成明显的地理隔离。其中，头骨背面形变主要在两个位置，分别为：鼻骨处和颧弓处。具体形变为：高纬度、高海拔且低温的德钦地区大绒鼠鼻骨较长；海拔相对较低、降水量较大且年平均气温较高地区大绒鼠头骨的颧弓外侧向外扩最为明显。两个形变点主要为鼻子和眼睛两个器官所在处，对于感知外界环境变化起着很重要的作用[25]。鼻骨的形变与动物的呼吸作用有关，鼻骨形态变化可以有效缓解环境中冷空气对身体内部的刺激[12]；另外，水分的散失又与环境温度相关[26]，故鼻骨的形态变化可以侧面反映水分的散失情况[27]。颧弓的形变与动物的视觉有关[27]，大绒鼠营地表浅层洞道生活且多在夜间活动[13]，生存在不同环境中的大绒鼠视觉存在不同程度的退化，颧弓形态变化的规律与贝格曼定律相悖，但与先前研究趋势相同[28]。因此，鼻骨和颧弓形态变化可能与纬度、海拔、环境温度和降水量的变化有关。

对头骨进行多维尺度分析发现：德钦、香格里拉、丽江、剑川和哀牢山5个地区大绒鼠头骨均有差异，在第一维度上，5个地区的排列趋势与经度趋势相同，故推测5个地区大绒鼠头骨差异可能是受到经度变化的影响，而第二维度方向上的排列趋势除哀牢山以外，其余地区与纬度、海拔和温度变化趋势相同，故推测可能受到纬度、海拔和温度变化的影响。自头骨各面个体权重空间分布图可以见，大绒鼠头骨背面的评分在第二维度的贡献相对较大，整合多维尺度分析结果可知：大绒鼠头骨背面的变化受纬度影响较大；而大绒鼠的头骨侧面、 头骨腹面及下颌侧面对第一维度的贡献较大，并且头骨腹面和下颌侧面的比较接近，整合多维尺度分析结果可知：头骨侧面、头骨腹面及下颌侧面受经度影响较大。整合头骨的4个面来看，5个地区的大绒鼠头骨形态的变化与经纬度、海拔和温度等的变化可能有密切的关系。

对臼齿的多维尺度分析发现，在第二维度上，除香格里拉外，剑川、丽江、德钦和哀牢山降雨量依次降低，且与5个地区臼齿排列顺序相同，故推测5个地区臼齿差异可能受到降雨量的影响。自大绒鼠臼齿个体权重空间分布图可见，下臼齿的评分对第二维度的贡献较大，整合多维尺度分析结果可知：下臼齿受降水量变化影响较大，结合薄片样条分析图发现，降水量较大的采样地大绒鼠下臼齿齿列较长；上臼齿对第一维度的贡献较大，但多维尺度分析结果显示上臼齿排列顺序无规律，且结合散点图与薄片样条分析结果可知，5个地区上臼齿存在差异，但不显著，这可能是由于受到温度、海拔、纬度等多重影响因子的共同作用，不同因子可能对上臼齿形态具有不同影响。结合上下臼齿的变化来看，5个地区的大绒鼠的臼齿形态的变化可能与降雨量的变化密切相关，并且可能同时受到其余环境因子的影响。

综上所述，香格里拉、德钦、丽江、剑川和哀牢山5个采样地大绒鼠头骨均有差异，仅头骨背面的眶下孔至上颌骨段、上颌骨至颧骨段、眶后突处和乳突至顶间骨段4个位置形变显著。另经纬度、温度、海拔和降雨量可能与头骨形态与臼齿形态变化密切相关。