急流水螨背腺毛腺孔位置的几何形态测量学研究

蔡福玲，郭建军，古欣瑶,2*

(1.贵州大学 昆虫研究所/农业农村部贵阳作物有害生物科学观测实验站，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 动物科学学院，贵州 贵阳 550025)

急流水螨科Torrenticolidae隶属于蜱螨亚纲Acari，绒螨目Trombidiformes，寄殖螨股Parasitengonina，水螨亚股Hydrachnidiae，腺水螨总科Lebertioidea[1]。截至2020年12月，急流水螨科共计2亚科7属11亚属605种[2]。急流水螨科属和亚属主要分类特征一直存在较大争议，不少水螨分类学者对急流水螨科进行了分类研究并形成了不同的分类体系[3]。目前，急流水螨存在可用分类性状较少，研究方法单一，分类进程相对滞后等问题，导致急流水螨物种鉴定的可信度偏低，同物异名现象严重[4]。同时，由于水螨的常规保存液Koenike氏液中含有冰醋酸，致使分子数据提取极难，即分子生物技术在水螨分类的应用中受样本类型的限制[5]。因而，急需增加新的分类性状及分类方法来进行整合分类研究，进而提高其分类鉴定的准确性，完善其分类体系。而几何形态测量学就是一个很好的补充方法[6]。

几何形态测量学是将生物体形态信息转化为数字信息[7]，以便对物体形态进行统计分析的方法[8]，该方法能直观准确地展现不同生物体种间的微小形态差异[9]。目前几何形态测量学已被研究者广泛应用于物种分类和系统发育，如刘媛等[10]运用几何形态测量学方法将两个近缘种叶片形状量化，揭示其亲缘关系；陈楠桦等[11]运用几何形态测量学方法进行物种分类鉴定，研究4种滨螺的形态差异和系统发育关系；邓维安等[12]对蚱类昆虫前胸背板进行几何形态测量学分析，以前胸背板形态特征作为蚱类昆虫的种间分类依据；也有学者将几何形态测量学应用于水生动物研究[13]，充分证实几何形态测量学的可行性，而在急流水螨类群中此方面的研究相对较少，仅Becerra和Valdecasas基于急流水螨腹板结构位点初步探索了几何形态测量学在急流水螨分类研究中应用的可行性[14]。

水螨各类群科级甚至属级单元的腺毛分布体位十分稳定，因此背腺毛对于研究水螨类群的系统发育关系具有重要意义[15]，然而在水螨分类研究中却很少使用背腺毛。因此，本文选取急流水螨背腺毛腺孔位置形态作为研究对象，采用几何形态测量学的方法，对采集的急流水螨背板图像进行标点转化，将背腺毛腺孔位置形态信息转换为数字信息，并利用主成分分析、典型变量分析、聚类分析等方法进行相关分析，以明确急流水螨背腺毛腺孔位置的形态变异趋势和属间差异显著性，探索几何形态测量学用于急流水螨分类研究的可行性及背腺毛作为分类性状的可用性，以期为急流水螨乃至整个水螨类群的分类研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究材料

1.1.1数据来源

本研究所用数据材料来源于作者拍摄的标本实物图片、手绘特征图以及从已发表的文献中获取的清晰背板特征图，共计获得2亚科7属11亚属59种129个急流水螨样本，样本信息详见表1。

表1 急流水螨样本信息Tab.1 The sample information of Torrenticolidae

续表1

续表1

1.1.2仪器设备

数码显微镜成像系统(显微镜Nikon ECLIPSE Ni配置Nikon DS-Ri 2拍照系统)(日本，尼康)。

1.1.3分析软件

tpsUtil 1.62、tpsDig 2.31、tpsSmall 1.33、tpsSuper 2.05、MorphoJ 1.06d、ImageJ 1.48V、NTsys 2.10e、Adobe Photoshop CC2018。

1.2 研究方法

1.2.1图像采集

对所研究标本进行解剖、鉴定后，将玻片置于数码显微镜成像系统下，采集特征图片，保存图片为.jpg格式；同时通过查阅文献，收集文献中急流水螨的背腺毛腺孔位置形态(正面观)的照片或手绘特征图。将所有待研究图片保存至同一文件夹内即可完成图像采集。

1.2.2图像标点

将文件夹中的.jpg格式图片正确命名后，利用tpsUtil 1.62软件，创建tps文件；将tps文件导入tpsDig 2.31软件进行图像标点。本研究对急流水螨4对背腺毛(D1、D2、D3、D4)腺孔进行标点(图1)，所有图片标点顺序保存一致即可。

图1 背腺毛腺孔标记图Fig.1 Marking picture of dorsalglandular pore

1.2.3相关性检验

利用tpsSmall 1.33软件对样本形态原始数据内部相关性进行检验，通过该软件，可获取数据散点图，以及相关系数信息，初步判断是否适合进行后续分析。

1.2.4相关分析

使用MorphoJ 1.06d软件，对急流水螨背腺毛腺孔位置的标记点进行叠印处理，获取全部样本4对背腺毛腺孔位置形态的叠印图，并通过ImageJ 1.48V创建Outline文件；将标点后的tps文件和Outline文件导入MorphoJ 1.06d软件中进行主成分分析(Principal Component Analysis)，明确其腺孔位置形态特征的主成分及其变异趋势；同时在PCA的基础上，进行典型变量分析(Canonical Variate Analysis)，以马氏距离(Mahalanobis distance)来评估急流水螨属间背腺毛腺孔位置形态差异的显著程度。并运用tps-Super 2.05软件计算各样本间普氏距离(Procrustes distance)，并基于普氏距离矩阵，通过软件NTsys 2.10e，利用UPGMA法进行聚类分析。将分析结果输出后，利用Adobe Photoshop CC2018进行注解。

2 结果与分析

2.1 主成分分析

测试急流水螨背腺毛腺孔位置形态数据集转换前后数据相关性系数为0.999997。经过主成分分析，获得12个主成分(各主成分变异量见表2)。前3个主成分PC1、PC2、PC3分别占总变异的49.765%、23.071%、15.005%，共占总变异的87.842%。用第1主成分(49.765%)作为横坐标，分别用第2主成分(23.071%)、第3主成分(15.005%)作为纵坐标，获得背腺毛腺孔位置变异的主成分散点图(图2；图3)。

表2 急流水螨背腺毛腺孔位置差异主成分分析结果Tab.2 PCA of variation among the position change of dorsalglandular pore of Torrenticolidae

在PC1 vs PC2散点图中，不同的图形代表不同的属，不同的点代表不同的样本，具有相似背腺毛腺孔位置形态的样本在图中分布位置相对较近，即图中聚合到一起的样本点代表的背腺毛腺孔位置形态相似。图2、图3中，急流水螨分别沿PC1、PC2、PC3方向分布于坐标(-0.2，0.2)范围内。其中，龟水螨亚科的龟水螨属Testudacarus与贝氏急流水螨属Debsacarus聚集在右上方，而急流水螨亚科的各属聚集在散点图中部靠左侧。

图2 急流水螨背腺毛腺孔位置形态变异的主成分分析散点图(PC1 vs PC2)Fig.2 Scatter plots of the position change of dorsalglandular pore of Torrenticolidae(PC1 vs PC2)

图3 急流水螨背腺毛腺孔位置变异的主成分分析散点图(PC1 vs PC3)Fig.3 Scatter plots of the position change of dorsalglandular pore of Torrenticolidae (PC1 vs PC3)

将PC1、PC2、PC3主成分可视化后的具体情况如图4所示。由图4可知：PC1代表的是D2由靠近螨体外侧向螨体中部移动的变化；PC2代表的是D1由螨体内侧向螨体外侧移动的变化；PC3代表的是D4由螨体后部向螨体中部前移。同时，结合主成分分析的散点图可知，龟水螨亚科的物种D2比急流水螨亚科的物种腺孔位置更靠近螨体中心，而D1反之，较急流水螨亚科物种更靠近外侧。

图4 急流水螨背腺毛腺孔位置变异模式：从左到右，对应着相应主成分轴上尺度-0.2和0.2的图形Fig.4 Patterns of diversification in the position of dorsalglandular pore in Torrenticolidae:for each PC,the diagrams to the left and right show the shape for a score of -0.2 and 0.2 respectively

2.2 典型变量分析

对急流水螨7个属的背腺毛腺孔位置进行CVA分析，探讨急流水螨属间背腺毛腺孔位置形态差异的大小，其结果见图5。

图5 急流水螨7属间背腺毛腺孔位置的典型变量分析散点图(CV1 vs CV2)Fig.5 Scatter plots of the variations of dorsalglandular pore position among 7 genera of Torrenticolidae (CV1 vs CV2)

由图5可知，龟水螨亚科的龟水螨属Testudacarus与贝氏急流水螨属Debsacarus聚集在坐标的最右侧，急流水螨亚科各属聚集在左侧。这与PCA结果相一致。因此，急流水螨的背腺毛腺孔着生的相对位置在亚科阶元就具有明显的差别。各属间虽具有交叉现象，但仍具有明显的聚集现象。

急流水螨科7属间背腺毛腺孔位置的马氏距离比较结果和马氏距离P值(基于10 000次重复)比较结果见表3、表4。

由表3可知，贝氏急流水螨属Debsacarus(A)与冥急流水螨属Stygotorrenticola(E)马氏距离最大，表明两者的背腺毛腺孔位置形态差异最大；新曲水螨属Neoatractides(C)与拟急流水螨属Pseudotorrenticola(D)马氏距离最小，表明两者的背腺毛腺孔位置形态差异最小。由表4可知，急流水螨科7属间背腺毛腺孔位置马氏距离P值两两比较均为P﹤0.05，具有统计学意义。综上可知：急流水螨科7属间背腺毛腺孔位置形态差异均显著。

表3 急流水螨科7属间背腺毛腺孔位置的马氏距离比较(基于10 000次重复)Tab.3 Comparison of the position change of dorsalglandular pore in 7 genera of Torrenticolidae based on the Mahalanobis distance (based on 10 000 permutation rounds)

表4 急流水螨7属间背腺毛腺孔位置的马氏距离显著性比较(10 000次重复)Tab.4 Position change of dorsalglandular pore in 7 genera of Torrenticolidae based on the Mahalanobis distance significant test (based on 10 000 permutation rounds)

2.3 聚类分析

根据各属、各亚属背腺毛腺孔位置的平均形态数据计算普氏距离，基于普氏距离矩阵，运用UPGMA法构建属间背腺毛腺孔位置的表型树(图6)。

图6 基于普氏距离的急流水螨科7属间背腺毛腺孔位置的表型树Fig.6 Phonetic tree of dorsalglandular pore position among 7 genera of Torrenticolidae based on Procrustes distance

由图6可知，属间背腺毛腺孔位置表型树可分为两大支：(1)急流水螨亚科各属为1支，其中单曲跗螨属Monatractides与急流水螨属Torrenticola距离最近，表明两者背腺毛腺孔位置的结构最为相似。(2)龟水螨亚科的龟水螨属Testudacarus与贝氏急流水螨属Debsacarus为1支，与形态学结果相一致。

综合CVA散点图、马氏距离比较分析及聚类分析结果，初步明确了几何形态测量学的方法在急流水螨分类研究中应用的可行性，同时可利用背腺毛腺孔位置特征对急流水螨高级阶元进行分类研究。

3 结论与讨论

本研究通过几何形态测量学方法，对急流水螨2亚科7属11亚属59种129个急流水螨样本进行相关分析，结果表明，急流水螨科7属间背腺毛腺孔位置形态差异显著。其中主成分分析结果表明急流水螨亚科和龟水螨亚科的背腺毛腺孔位置相对螨体中心的距离有区别，龟水螨亚科的物种D2比急流水螨亚科的物种腺孔位置更靠近螨体中心，而D1反之，较急流水螨亚科物种更靠近外侧，即2亚科的背腺毛腺孔位置形态有差异，且D1和D2的位置特征起主要分类作用；典型变量分析可得急流水螨2亚科的腺孔位置形态差异显著，与主成分分析结果吻合，且其属间腺孔位置有明显的聚集现象，比较分析其属间腺孔位置的马氏距离，结果表明急流水螨7属间背腺毛腺孔位置形态差异均显著；在聚类分析中，具有相似结构特征的属种聚集在一起，表明可通过聚类分析来判断所分析的特征间的相似度及属种间的亲缘关系[41]。综上可得：几何形态测量学可用于急流水螨的分类研究，且背腺毛腺孔位置形态特征可作为其属级阶元的分类依据。

关于急流水螨的几何形态测量学分析，仅有Becerra和Valdecasas基于急流水螨腹板结构位点初步探索了几何形态测量学在急流水螨分类研究中应用的可行性[14]。本研究也再次验证了这一结论，这与几何形态测量学在切叶蜂[42]、库蠓[41]、瘿螨[43]等类群的研究结果相一致。本研究虽取得了部分阶段性成果，但也存在一定的不足之处：部分属的样本数量较少，代表性较弱，如：冥急流水螨属Stygotorrenticola和贝氏急流水螨属Debsacarus。但这是由于急流水螨科超过90%的已知种集中于急流水螨属Torrenticola与单曲跗螨属Monatractides，存在较多的单种属及单种亚属的缘故；同时，部分属物种由于建立时间过早，缺少清晰可用的特征图，针对这部分属物种，本研究已包含所有含雌雄两性标本的可利用样本，共计2亚科7属11亚属59种129个急流水螨样本，其中包括：急流水螨属Torrenticola47个样本、单曲跗螨属Monatractides31个样本，寡种属新曲水螨属Neoatractides、拟急流水螨属Pseudotorrenticola、龟水螨属Testudacarus样本数分别为23个、12个、12个，而单种属冥急流水螨属Stygotorrenticola和贝氏急流水螨属Debsacarus各具有2个样本。尽管本研究使用了所有可用的样本，但其代表性仍然较弱，因而本文仅是利用几何形态测量学对急流水螨形态特征比较分析初步探索，在未来的研究中需要进一步完善，以期为几何形态测量学在急流水螨分类工作中的应用提供更为精准的论据，促进急流水螨乃至整个水螨分类的快速发展。