横断山区高山姬鼠(Apdoemus chevrieri)头骨几何形态分析

朱万龙， 姜文秀， 张 浩， 王政昆

(云南师范大学 生命科学学院，昆明 650500)

形态学特征历来是系统演化和分类学的基础，是探讨系统发育的主要依据，哺乳动物头骨中含有许多与视觉、听觉和嗅觉等相关的结构，因此对头骨的研究不仅对动物的种间、种内关系的研究有重要的价值[1]；而且头骨形态与其生存环境密切相关，生境的变化可引起其形态上的变化，因此在动物地理演化及生态学研究中头骨具有十分重要的意义[2]。几何形态测量技术可以对生物样本及样本之间的形态变化进行定量描述和分析，并区分和确定引起形态变异的原因，正因为几何形态测量能对生物形态特征进行较为精确的定量比较分析，并且在比较研究过程中，仅需考虑样本的形态变化，而不需考虑标本的实际大小，其已成为研究种间、种内形态分化的重要手段，特别是在啮齿动物中应用广泛[3-5]。

横断山地区地处青藏高原东南部，山脉南北走向，地势西高东低，高山深谷相对，海拔高度变化较大，形成明显的气候过渡带，为动物的生存提供了多种多样的立体栖息环境，如在横断山北缘的巴塘是针叶林，到横断山南缘的景东则是常绿阔叶林，生态环境的改变很可能引起横断山物种发生表型的变异[6]。头骨因包含了脑颅、眼眶、鼻腔、牙等大量视觉、听觉和食性相关的结构，能很好的反映出环境因子对表型的影响，因而被大量选作研究对象。Bookstein认为几何形态测量学有两个核心问题，其中之一就是形态变异[7]。本研究通过研究横断山高山姬鼠头骨的形态变异，为高山姬鼠形态适应的研究提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 样本采集

本研究所采用的96个高山姬鼠头骨样本均来自昆明动物所馆藏标本，均为成年个体。分别来自四川巴塘29个、云南中甸24个、云南宁蒗22个、云南景东21个。Cardini等[8]提出，性二形在考虑样本大小时表现出极大的影响，但在研究样本形态时可以被忽略。本研究仅涉及研究样本形态的差异，所以忽略了样本性别，统一计数。

1.2 数据获取

几何形态测量技术可以对生物体及其器官的形态进行定量分析，是一套功能十分强大的分析方法[9]，它可以将样本的大小和形状相互独立，结果数据更加可信。本研究采用测量技术中的标点法(landmark methods)，对每一个样本的若干界标点(landmark)数字化后，对所获取的外形结构数据进行分析。过程包括图片获取、图片数字化、去除非形态变异及数据处理。形态差异可以通过变异中多变量比较数据来体现，即利用栅格的变形来表示，称之为薄片样条法(thin plate spline, TPS)[7]。

1.2.1 图片获取

用索尼 DSC-T20数码相机距离头骨10 cm以微距拍摄头骨侧面、背面、腹面和下颌侧面(图1)。

1.2.2 图片数字化 (Image digitization)

根据相关兽类头骨及下臼齿标记的方法[8]并结合高山姬鼠头骨及下臼齿的实际形态，对相应照片进行打点标记(图1)。用TPSDIG2软件对获得的图片进行数字化处理。界标点被数字化处理后获得相应的坐标数据。为避免数据重复，对高山姬鼠头骨形态的研究仅对样本一侧结构进行标记，对下臼齿的研究仅分析其咬合面的形态。为保证界标准确性，每个标记均由同一人重复标记6次以上，所得到的均值坐标数据用于后面的统计分析。

a—头骨腹面； b—头骨侧面； c—及下颌侧面； d—标点标记图。

1.2.3 去除非形态变异

标本上界标点的位置、比例等变化，即人为因素造成图片角度的误差等会引起直接分析的相关性变化，因此，须要去除非形态变异对分析的干扰。本研究主要采用的是广义普鲁克分析GPA(generalized procrustes analysis)，即使用最小正方形估计平移和旋转参数，将界标点布局进行叠印，从而去除非形态变异对分析的干扰。

1.2.4 薄片样条法

薄片样条法是一种用来绘制样本形态变异的方法。该方法中通过D’Arcy Thompson的栅格转化理论经严格数学计算实现形态差异的衡量，形变显示了平均标记与目标结构之间的差异。描述这些变形的参数可以作为形态变异总体内和总体间统计比较时的变量。

1.3 数据处理

用Morphologika2 v2.5软件对所得数据进行薄片样条分析及主成分分析。用SPSS15.0将头骨每个面分析所得到的前3个主成分值各自做判别函数分析。头骨背面、腹面、侧面及下颌侧面的数据信息组合起来可以代表整个头骨的形态特征，将4组数据组合后所得矩阵使用多维尺度分析法进行分析。多维尺度分析采用SPSS15.0完成。

2 结果与分析

2.1 头骨背面分析

以头骨背面做主成分分析，结果表明：前3个主成分的特征值占总体变量的90.33%。对第一主成分和第二主成分作图(图2)，结果显示高山姬鼠头骨背面是巴塘种群与其他3个地区的种群仅有少量个体重叠，巴塘种群变异最大。TPS图显示，4个种群的高山姬鼠在头骨背面的形变主要发生在鼻骨和眼眶。

2.2 头骨腹面分析

以头骨腹面做主成分分析，结果表明：前3个主成分的特征值占总体变量的90.93%。对第一主成分和第二主成分作图(图3)，结果显示高山姬鼠头骨腹面与其他3个地区的种群仅有少量样本重叠，巴塘种群的变异最大。TPS图显示，在高山姬鼠的头骨腹面上，形变主要发生在鼻骨、眼眶、臼齿，听泡也有部分的形变，其中四川巴塘种群和云南景东种群发生的形变最明显。

图2 高山姬鼠头骨背面第一主成份和第二主成份散点图及薄片样条分析

图3 高山姬鼠头骨腹面第一主成份和第二主成份散点图及薄片样条分析

2.3 头骨侧面分析

以头骨侧面做主成分分析，结果表明：前3个主成分的特征值占总体变量的87.18%。对第一主成分和第二主成分作图(图4)，结果显示4个地区的高山姬鼠头样本均有重叠，说明4个种群在头骨侧面上形态分化不明显。用TPS做形变图显示，在头骨的侧面上，4个种群发生形变的结构主要是在眼眶、鼻骨处。

图4 高山姬鼠头骨侧面第一主成份和第二主成份散点图及薄片样条分析

2.4 下颌侧面分析

以下颌侧面做主成分分析，结果表明：前3个主成分的特征值占总体变量的86.78%。对第一主成分和第二主成分作图(图5)，显示在头骨侧面上，4个地区的高山姬鼠头样本均有重叠。用TPS显示，形变主要发生在下颌骨前端上缘最凹点、臼齿齿槽、冠状突上缘顶点、髁状突与隅突间最内凹点。

图5 高山姬鼠下颌侧面第一主成份和第二主成份散点图及薄片样条分析

2.5 多维尺度分析

将相同采集地的头骨样本的侧面、腹面、背面及下颌侧面的数据整合得到代表巴塘、中甸、宁蒗、景东头骨样本的数据，经多维尺度分析可以看出：巴塘、中甸、宁蒗及景东4个地区的高山姬鼠的头骨有明显变异(图6)。从个体权重空间分布图(图7)可以看出头骨侧面的评分对第二维度的贡献较大；头骨背面、腹面及下颌侧面的评分对第一维度的贡献较大，其中头骨腹面和下颌侧面的权重比较接近，头骨背面评分对第一维度的贡献最大。

图6 高山姬鼠各采样点组合数据的多维尺度分布图

图7 高山姬鼠头骨背面、头骨腹面、头骨侧面及下颌侧面个体权重空间分布图

3 讨论

本文采用几何形态测量技术对四川巴塘、云南景东、迪庆中甸、丽江宁蒗的头骨样本进行了研究，结果表明，在种群水平上，相对于高山姬鼠头骨的侧面和下颌侧面，头骨的背面和腹面的变异较大。这可能是由于高山姬鼠的头骨背面和头骨腹面包括了更多的鼻骨、眼眶和听泡等用于感知外界的器官；此外头骨腹面结构中还包含与其进食密切相关的牙齿结构——门齿和臼齿，可能环境因子的变化直接或者间接的导致了这些结构也发生了相应的变化，最终导致了头骨的背面和腹面发生了相对较大的变异。结合高山姬鼠整个头骨的研究，发现形变多集中在鼻骨、眼眶和臼齿处，这可能是这些结构的生态功能和高山姬鼠栖息的这4个地区的地理环境和气候相关。鼻腔主要是用于呼吸氧气和部分水分的散失，鼻骨形变可能与外界寒冷空气对肺部的影响有关，同时也反映了水分的散失程度，水分的散失又与环境温度相关[10， 11]；眼眶与视觉相关，高山姬鼠多是营地下打洞地上取食的啮齿类，不同的生境可能导致其发生不同的变异；牙齿和取食行为密切相关，其中的臼齿的变异可能反应了地区食物资源质量和数量的差异。巴塘位于横断山东北边缘，中甸和宁蒗位于横断山中部，景东位于横断山南部，它们依次代表了横断山从北到南的地理特征；此外，4个地区多年的气候资料(巴塘年平均气温5.6℃，年平均降水量485 mm；景东年平均气温18.3℃，年平均降水量1086.7 mm；宁蒗年均气温12.7℃，年均降雨量920 mm；中甸年平均气温6.7℃，年均降水量618.4 mm)[12]也显示了这4个地区的气候有明显的差异，其中巴塘地区可能受青藏高原气候条件的影响较多，属于高山寒温带气候，年平均温度低、日照多、年降雨量较少，与其他地区气候差异相对较明显，而且这4个地区的植被(巴塘针叶林，中甸和宁蒗温带落叶阔叶林，景东是常绿阔叶林) 差异明显，从而使栖息于这4个地区的高山姬鼠的感知器官和臼齿也发生了相应的变异，最终导致了头骨在各个种群间发生了一定的变异。

在本研究中，采用多维尺度法分析发现巴塘、景东、中甸及宁蒗4个地区高山姬鼠头骨不仅在种群间有明显变异，而且发现在第一维度上可能受到纬度变化的影响，而第二维度方向上则可能受到了经度变化的影响。经度的变化主要反映在水分的差异上，纬度的变化主要是反映在温度的差异上。在云南和四川气象资料的记录中，从年均降雨量上来看[12]，4个地区的年降雨量差异显著，且与经度变化相对应；纬度的变化主要反映在温度的差异上，从年均温度来看[12]，也和纬度变化相对应。此外结合个体权重空间分布图分析发现，头骨背面、腹面及下颌侧面评分对第一维度的贡献较大，结合多维尺度分析结果可知：头骨背面、腹面及下颌侧面受经度影响较大，即头骨背面、腹面及下颌侧面的变化受水分条件的影响较大，且头骨背面的权重比较大，这和主成分分析的结果一致；头骨侧面的评分对第二维度的贡献较大，结合多维尺度分析结果可知：头骨侧面的变化受纬度影响较大，即头骨侧面的变化受温度条件影响较大。

综上所述，横断山区的高山姬鼠各种群间头骨的形态有明显的变异，且这些变异可能与高山姬鼠生活环境的经度和纬度有关。总之，横断山区高山姬鼠头骨的形态在种群水平上发生了变异，这种形态变异的主要原因可能是由生态因素引起的。

参考文献:

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