基于多元比例分析研究4种潜蝇姬小蜂(膜翅目:姬小蜂科)的形态特征差异——附2中国新纪录种

张 楠,周 乐,康 宁,赵 倩,胡红英

(新疆大学生命科学与技术学院,乌鲁木齐 830017)

潜蝇姬小蜂属Diglyphus隶属于小蜂总科Chalcidoidae姬小蜂科Eulophidae,1844年Walker以卡布潜蝇姬小蜂Diglyphuschabrias为模式种建立该属。迄今,该属全世界已知42个有效种,中国已知14种(Noyes, 2023)。潜蝇姬小蜂是危害蔬菜等经济作物的重要小型害虫——潜叶蝇的优势寄生性天敌(刘万学等,2013)。目前,利用自然天敌对潜叶蝇类害虫进行防治是“绿色防控”的有效途径,可减少杀虫剂的使用,降低杀虫剂对环境的污染程度(顾丁等,2007)。寄生性天敌在农业生产中普及使用的前提是属种级水平的准确鉴定。挖掘潜蝇姬小蜂种间的细微差异,将为潜蝇姬小蜂的物种进化、系统演化、动物地理等方面研究提供形态学依据。

国内外学者对潜蝇姬小蜂的生物学、生态学特性以及应用等方面做了许多研究(冯红云,2003;顾丽新,2010;Akutseetal., 2015),而对潜蝇姬小蜂的分类研究报道则相对较少,仅有少数学者对中国、土耳其以及欧洲种类进行过分类研究,并在这些种间筛选出多个具有分类学意义的特征,诸如触角索节长宽比、中胸盾片长宽比、前翅长宽比等(Zhuetal., 2000;Yefremovaetal., 2011;Hansson and Navone, 2017)。特征比值是小蜂分类中重要的形态特征之一(Graham, 1969),而现有的量化的特征,难以用于体型微小、形态相似的同形潜蝇姬小蜂D.isaea、波氏潜蝇姬小蜂D.poppoea、安纳潜蝇姬小蜂D.anadolucus、卡布潜蝇姬小蜂D.chabrias的分类鉴定。

目前,国内外学者已开始将多元比例分析(Multivariate ratio analysis, MRA)应用于异金小蜂属Anisopteromalus、刷盾短缘跳小蜂Encyrtussasakiicomplex、淡足常室茧蜂Peristenuspallipescomplex近似种的分类(Bauretal., 2014;Wangetal., 2016;Zhangetal., 2017)。多元比例分析是一种依靠主成分分析(Principal component analysis, PCA)和线性判别分析(Linear discriminant analysis, LDA)的形态分类学研究方法,其主要构成包括:1. 线性判别分析比例提取器(Linear discriminant analysis ratio extractor, LDA ratio extractor),利用判别分析从多个组中筛选出最佳比值;2. PCA比例图谱(PCA Ratio Spectrum),可将主成分各载荷因子间的关系从矩阵转换为线性(Baur and Leuenberger, 2011)。

本研究采用非参数检验和MRA对40头标本的25个形态特征的测量数据进行分析,研究4种潜蝇姬小蜂的种间形态差异,筛选出了多个具有分类学意义的特征,以期为今后潜蝇姬小蜂属的形态分类和系统发育研究提供更多的分类依据。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

本研究所用标本均采自新疆伊犁西天山野果林,共4种40头(表1),经形态鉴定后保存于新疆大学生命科学与技术学院昆虫研究室。形态结构的术语遵循Gibson(1997),文中形态特征缩写(表2)。

表1 本研究采集信息Table 1 Information of the specimens used in this study

表2 形态特征及其缩写Table 2 Characteristics and abbreviations used in this study

1.2 拍摄图像

使用Nikon SMZ745体式显微镜和Nikon ECLIPSE-Ci数码生物显微镜对所研究的标本进行观察,通过Nikon SMZ25-DSU3图像采集系统对小蜂形态进行图像信息采集,之后使用NIS-Elements D对选取的形态特征(表2)进行测量,最后使用Adobe photoshop CC和Adobe illustrate对图像进行处理和排版。

1.3 数据处理

运用SPSS 16.0对25个形态特征的平均值进行方差分析和Kaiser-Meyer-Olkin检验以及Bartlett’s检验,利用MRA对数据进行下一步分析,MRA是运用R语言version 3.6.1实现,其中数据可视化使用程缉包“ggplot2”,脚本参照Hannes等(Baur and Leuenberger, 2011;Bauretal., 2014)。

2 结果与分析

2.1 形态测量分析

以25个形态特征为检验变量,4种小蜂为分组变量,进行方差齐性验证,结果显示25个特征sig.值均小于0.05,方差不齐,随后进行非参数检验Kruskal-wallis test。在25个形态特征中,4种小蜂种间差异显著(P<0.05)(图1)。

2.2 多元比例分析

以25个形态特征的测量值为变量进行Kaiser-Meyer-Olkin检验,KMO检验系数为0.81,Bartlett’s检验所得P值小于0.05,认为变量间的相关程度无太大差异,适合作主成分分析。随后进行下一步分析,从碎石图分析可知,前2个主成分累计方差贡献率达99.8%,包含了原始变量的大部分信息。主成分1的贡献率达95.3%,代表指标为hw.l、fw.l和b.l,主成分2的贡献率为4.5%,代表指标为hw.w和b.l。将主成分1和2分别作为X、Y轴,作40个标本的散点分布图(图2)。主成分分析结果显示,4种潜蝇姬小蜂的散点都落于置信椭圆内;同一物种散点能聚集在同一区;仅D.poppoea与D.anadolucus散点聚集区域出现部分重叠。

以25个形态特征为变量进行PCA ratio spectrum,通过比值解释特定主成分内的变量间关系(图3)。图谱显示,主成分1的图谱比值主要是由ppd.l/hw.w决定;主成分2的图谱比值主要是由mst.l/pmv.l决定,这些都与并胸腹节(ppd.l)、前翅(mst.l、pmv.l)和后翅(hw.w)形态有关。

使用LDA ratio extractor对数据进行分析,筛选出各自分组间具有分类学意义的形态特征(表3)。各组将第1最佳比和第2最佳比分别作为X、Y轴,作20个标本的散点分布图(图4)。散点图显示,2种间无散点重叠,表明这些特征比值均可用于物种的区分和鉴定。

图2 4种潜蝇姬小蜂主成分1和主成分2的散点图Fig.2 Scatter plots of PC1 and PC2 of the four Diglyphus species

图3 主成分1和2的比值图谱Fig.3 PCA Ratio Spectrum for shape component principal 1 and 2注:A,主成分1比值图谱;B,主成分2比值图谱。Note: A, PCA Ratio Spectrum for shape PC1; B, PCA Ratio Spectrum for shape PC2.

表3 4种潜蝇姬小蜂的第1和第2最佳比例Table 3 First-and second-best ratios found by the LDA ratio extractor for separating the four Diglyphus species

图4 区分潜蝇姬小蜂2个最佳性状特征比例散点图Fig.4 Scatterplots of the two most discriminating ratios for the four Diglyphus species

3 结论与讨论

研究结果表明,并胸腹节、前翅和后翅的大小可作为区分上述4种小蜂的主要特征。通过多元比例分析,本研究筛选出种级具有分类学意义的形态特征12个:体长与触角棒节长之比,后翅宽与腹柄长之比可用于同形潜蝇姬小蜂和波氏潜蝇姬小蜂的分类鉴定;后翅宽与前翅翅缘毛长之比,并胸腹节长与腹柄长之比可用于安纳潜蝇姬小蜂和同形潜蝇姬小蜂的分类鉴定;后翅长与后缘脉长之比,后翅宽与痣脉长之比可用于卡布潜蝇姬小蜂和同形潜蝇姬小蜂的分类鉴定;后缘脉长与痣脉长之比,后翅宽与中胸宽之比可用于卡布潜蝇姬小蜂和波氏潜蝇姬小蜂的分类鉴定;体长与腹柄长之比,前翅长与腹柄长之比可用于安纳潜蝇姬小蜂和波氏潜蝇姬小蜂的分类鉴定;前翅翅缘毛长与痣脉长之比,中胸宽与腹柄长之比可用于安纳潜蝇姬小蜂和卡布潜蝇姬小蜂的分类鉴定。

潜蝇姬小蜂是潜叶害虫的优势寄生性天敌,由于其体型微小,形态相似;同时,在传统分类鉴定过程中易受鉴定者的经验和主观因素影响,故很难对其进行准确区分。MRA方法弥补了传统分类鉴定中单一变量比较的不足,满足了单位和的约束;通过PCA实现数据降维,把多个原始变量合并成若干主成分,从中筛选出少量的具有代表性的变量;使用LDA ratio extractor从整体出发,将所有形态特征进行多重比较,从中筛选出具有代表性的最佳比例(Baur and Leuenberger, 2011)。MRA方法较几何形态学方法和椭圆傅里叶分析,突破了固有思维,对来自全身的测量数据进行统一分析比较,筛选出具有代表性的差异特征(Baur and Leuenberger, 2011);但MRA方法也存在局限性,常受研究者所选特征变量框架限制,所以采用此方法时,应尽可能包含较全面的特征信息量。

在PCA分析中,安纳潜蝇姬小蜂与波氏潜蝇姬小蜂的置信椭圆出现部分重叠(图2),说明二者形态特征近似;本研究通过多元比例分析,获得了二者的差异特征,b.l∶ptl.l和fw.l∶pt.l,前者体长和腹柄长比值为23.77～24.88,前翅长和前胸长比值为4.73～5.74;后者体长与腹柄长比值为44.72～52.12,前翅长与前胸长比值为9.46～13.45。在研究过程中发现,筛选出的差异特征多集中于前翅和后翅,后续可通过几何形态方法对其开展下一步研究,探寻种间前后翅的细微差异。δ值是用于衡量特征比受个体大小或形态差异的影响程度(Bauretal., 2014)。从表3可知,上述δ值都接近0,说明上述特征比差异主要受形态差异影响,而不是体型大小的影响。

Le等(2020)利用多元比例分析和DNA分子标记对大痣小蜂属Megastigmus的种类进行了修订,并将M.judikingae、M.sichuanensis以及M.icipeensis作为M.zvimendeli的同物异名;Sugawara等利用多元比例分析和几何形态学从2个长索跳小蜂Anagyrus近缘种中筛选出多个具有分类学意义的特征(Sugawaraetal., 2020)。本研究运用多元比例对上述4种小蜂的形态特征的测量数据进行分析,筛选出了多个具有分类学意义的特征,证实了该方法可辅助应用于姬小蜂的形态比较研究,对分类学厘定和新阶元的发现具有重要意义。

4种潜蝇姬小蜂分种检索表(雌)

1. 触角柄节深棕色具金属光泽,各足腿节基部3/4深色具金属光泽,其余浅色

2

触角柄节基部1/4～1/3浅色,其余深棕色,各足腿节颜色各异

3

2. 前翅无透明斑,后翅长为前翅后缘脉长的16.11～17.54倍,后翅宽为前翅痣脉长的7.88～9.41倍

同形潜蝇姬小蜂DiglyphusisaeaWalker, 1838

前翅透明斑大,约伸达缘脉中部下方,下端闭合;后翅长为前翅后缘脉长的4.89～5.02倍,后翅宽为前翅痣脉长的1.96～2.06倍

卡布潜蝇姬小蜂Diglyphuschabrias(Walker, 1844)

3.各足胫节基部1/4深色具金属光泽,其余浅色;体长为腹柄长的23.77～24.88倍,前翅长为前胸长的4.73～5.74倍

波氏潜蝇姬小蜂DiglyphuspoppoeaWalker, 1848

后足胫节基部具深色环带,体长为腹柄长的44.72～52.12倍,前翅长为前胸长的9.46～13.45倍

安纳潜蝇姬小蜂DiglyphusanadolucusDoganlar, 1982

附:中国新纪录种

安纳潜蝇姬小蜂DiglyphusanadolucusDoganlar,1982

DiglyphusanadolucusDoganlar, 1982: 75-78. New species, Holotype.

雌性(图5-A):体长1.09～1.49 mm,体绿色,具蓝绿色金属光泽。上颚黄色,单眼红色,复眼红色;触角柄节基部或腹面浅黄色,其余深棕色;中胸绿色,具蓝绿色金属光泽;前、后足基节和转节同体色,其余浅黄色,后足腿节基部1/2深色具金属光泽,前、中足胫节浅黄色,后足胫节有一深色环带;腹部绿色,具蓝色金属光泽。

头部:正面观宽为高的0.69～0.89;触角着生于复眼下缘连线之上;唇基平截;单眼排列呈钝角三角形,单眼距是复眼-单眼距的1.99～2.19倍;复眼近三角形,大而光裸,复眼间距宽为复眼高的0.81～1.51倍;触角索节2节,棒节3节,柄节长为复眼高的0.99～1.20倍,fn1.l长为宽的1.67～2.31倍,为梗节长的1.02～1.53倍,棒节长为宽的3.40～6.03倍,为索节长的0.85～1.32倍。

胸部(图6-C):前胸背板近锥形,中胸长为宽的1.17～1.35倍,中胸盾片中叶和小盾片具网状刻纹,小盾片长为宽0.7～1.26倍;;并胸腹节光滑无中脊和侧褶,其长为小盾片长的0.67～0.85倍,体长为腹柄长的44.72～52.12倍。前翅(图7-A)长为宽的2.65～2.91倍,为前胸长的9.46～13.45倍,翅缘毛长为翅宽的0.12～0.79倍,前缘室长为宽8.40～11.34倍,透明斑很小,缘脉长为痣脉的2.84～3.29倍,后缘脉长为痣脉的1.15～1.30倍。后翅(图7-B)长为前翅后缘脉长的7.49～9.22倍,后翅宽为前翅痣脉长的1.88～2.29倍;中足胫节距短于基跗节。

腹部:柄后腹倒卵圆形,长为宽的1.43～2.48倍。

雄:未知。

寄主:未知。

分布:中国(新疆),土耳其。

图6 4种潜蝇姬小蜂的胸部背面观Fig.6 Dorsal view of thorax of four Diglyphus species注:A, 卡布潜蝇姬小蜂; B, 同形潜蝇姬小蜂; C, 安纳潜蝇姬小蜂; D, 波氏潜蝇姬小蜂。Note: A, D. chabrias; B, D. isaea; C, D. andolucus; D, D. poppoea.

图7 4种潜蝇姬小蜂前翅和后翅Fig.7 Fore-and hind wings of four Diglyphus species注:A, 安纳潜蝇姬小蜂前翅; B, 安纳潜蝇姬小蜂后翅; C, 卡布潜蝇姬小蜂前翅; D, 卡布潜蝇姬小蜂后翅; E, 同形潜蝇姬小蜂前翅; F, 同形潜蝇姬小蜂后翅; G, 波氏潜蝇姬小蜂前; H, 波氏潜蝇姬小蜂后翅。Note: A, Forewing of D. andolucus; B, Hindwing of D. andolucus; C, Forewing of D. chabrias; D, Hindwing of D. chabrias; E, Forewing of D. isaea; F, Hindwing of D. isaea; G, Forewing of D. poppoea; H, Hindwing of D. poppoea.

研究标本:3♀,新疆新源县改良场植物园杂草网扫,1 142 m,N: 42°19′30″,E: 81°36′43″,2018-Ⅵ-16,胡红英团队采集。4♀,新疆巩留县大莫合乡杂草网扫,1 173.41 m,N: 43°14′42″,E: 82°49′14″,2018-Ⅸ-14,胡红英团队采集。3♀,新疆巩留县22团8连杂草网扫,1 329.06 m,N: 43°14′42.74″,E: 82°50′30.51″,2018-Ⅸ-14,胡红英团队采集。

注:安纳潜蝇姬小蜂和波氏潜蝇姬小蜂形态相似,区别之处在于,前者前中足胫节浅色,体长与腹柄长比值为23.77～24.88,前翅长与前胸长比值为4.73～5.74;后者前中足胫节基部1/4深色,体长与腹柄长比值为44.72～52.12,前翅长与前胸长比值为9.46～13.45。

卡布潜蝇姬小蜂Diglyphuschabrias(Walker,1844)

AsecodeschabriasWalker, 1838.

CirrospiluschabriasWalker, 1838: 451. New species, Lectotype.

Diglyphuschabrias(Walker), 1844: 409. New combination forCirrospiluschabriasWalker.

AsecodeschabriasWalker: Dalla Torre, 1898: 46. New combination forCirrospiluschabriasWalker.

Diglyphuschabrias(Walker): Graham, 1959: 178; Hansson, 2017: 197-229.

雌(图5-C):体长1.60～1.91 mm,虫体绿色,具蓝绿色金属光泽,上颚为黄色;单眼红色,复眼红色;触角柄节深色具金属光泽,其余深棕色;胸部绿色,具蓝紫色金属闪光;前、后足基节,转节同体色,各足腿节基部3/4～4/5和胫节基部3/4～4/5深色具金属光泽;腹部绿色,具蓝绿色金属光泽。

头部:正面观宽为高的0.75～0.91倍;触角着生于复眼下缘连线之上;唇基平截;单眼排列呈钝角三角形,单眼距是复眼-单眼距的2.68～3.17倍;复眼近椭圆形,大而光裸,复眼间距宽为复眼高的0.79～1.09倍;触角索节2节,棒节3节,柄节长为复眼高的0.81～1.06倍,fn1.l长为宽的1.48～1.90倍,为梗节长的1.14～1.43倍,棒节长为宽的3.04～3.86倍,为索节长的1.07～1.16倍。

胸部(图6-A):前胸背板近锥形,中胸长为宽的1.08～1.37倍,中胸盾片中叶和小盾片具网状刻纹,小盾片长为宽的0.95～1.07倍;;并胸腹节光滑,无中脊和侧褶,其长为小盾片长的0.41～0.52倍;体长为腹柄长的33.21～38.96倍。前翅(图7-C)长为宽的2.29～2.42倍,为前胸长的8.42～9.03倍,翅缘毛长为翅宽的0.04倍,前缘室长为宽8.30～9.37倍,透明斑很小,缘脉长为痣脉的2.30～2.79倍,后缘脉长为痣脉的1.58～1.73倍。后翅(图7-D)长为前翅后缘脉长的4.89～5.02倍,后翅宽为前翅痣脉长的1.96～2.06倍;中足胫节距短于基跗节。

腹部:柄后腹倒卵圆形,长为宽的1.75～2.09倍。

雄:未知。

寄主:主要外寄生于双翅目潜叶蝇卵中。

分布:中国(新疆),巴基斯坦,俄罗斯,伊朗,以色列,土耳其,西班牙,葡萄牙,匈牙利,保加利亚,德国,英国,瑞士。

研究标本:4♀,新疆伊宁县吉尔格朗沟杂草网扫,1 030.04 m,N: 44°7′14″,E: 81°36′53″,2014-Ⅶ-14,胡红英团队采集。2♀,新疆霍城县大西沟杂草网扫,1 461 m,N: 44°26′43″,E: 82°17′65″,2019-Ⅵ-27,胡红英团队采集。3♀,新疆巩留县小莫合杂草网扫,1 329.06 m,N: 43°14′42.69″,E: 82°44′13.35″,2019-Ⅶ-25,胡红英团队采集。1♀,新疆霍城县大西沟杂草网扫,1 461 m,N: 44°26′43″,E: 82°17′65″,2014-Ⅶ-26,胡红英团队采集。

注:卡布潜蝇姬小蜂和同形潜蝇小蜂形态相似,区别之处在于,前者前翅透明斑大,约伸达缘脉中部下方,下端闭合,后翅长与前翅后缘脉长比值为4.89～5.02,后翅宽与前翅痣脉长比值为1.96～2.06;后者前翅无透明斑,后翅长与前翅后缘脉长比值为16.11～17.54,后翅宽与前翅痣脉长比值为7.88～9.41。