不同地区北树鼩头骨几何形态特征差异分析

李海军 贾 婷 高文荣 张 浩 朱万龙 刘 璐 彭鸿碧 王政昆*

(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，生物能源持续开发利用教育部工程研究中心，云南省生物质能与环境生物技术重点实验室，昆明，650500；2.云南经济管理学院，昆明，650106；3.昆明医科大学第二附属医院，昆明，650033)

头骨的形态变化与动物生存环境息息相关，其生存环境的不同可引起形态变异发生[1-2]。头骨形态作为系统演化和分类学的基础，在研究种间、种内关系及哺乳动物地理演化等方面有重要意义[3-4]。几何形态测量技术中的一个核心问题是形态变异[5]，并且几何形态测量技术由于有只需考虑样本结构而不需考虑样本大小的优点，在啮齿类动物种间、种内的研究中被广泛应用[6-7]。国内外学者将其广泛用于动物头骨的测定，国外学者Rincón和Marugán-Lobón等[8-10]研究报道了4种鱼类形态差异和鸟类骨骼差异的形成与其食性、温度、经纬度、海拔和地理阻隔有关；国内学者亦有相关报道，章迪等[11]对高山姬鼠(Apodemuschevrieri)、大绒鼠(Eothenomysmiletus)臼齿和头骨特征的研究发表了相关报告，杨红等[12]对中华姬鼠(Apodemusdraco)的头骨特征发表了相关报告，阐明了高山姬鼠、大绒鼠和中华姬鼠的形态差异与其生境的经纬度、饮食习性、海拔、温度和地理阻隔有关[11-14]。

北树鼩(Tupaiabelangeri)属攀鼩目(Scandentia)树鼩科(Tupaiidae)，是东洋界特有类群，在国内主要分布于云南、四川、贵州、广西和海南岛。在高山、高原和岛屿等生境均有分布，分布地区的生境具有一定的差异。同一物种在不同的生存环境中，由于自然环境的差异，会引起其形态特征变异[15]。本研究通过对12个不同地区的北树鼩头骨进行研究分析，探讨各地区北树鼩的形态变异与生存环境的关系，为研究北树鼩的形态适应提供了一定的依据。

1 材料与方法

1.1 样本采集

本研究中所用的134个动物样本采样地信息分别采自三亚(n=7，109°21′—109°48′E，18°23′—18°53′N)、大新(n=7，106°39′—107° 29′E，22°29′—23°05′N)、乐业(n=14，106°10′—106°51′E，24°30′—25°03′N)、兴义(n=11，104°51′—104°55′E，24°38′—25°23N)、河口(n=13，103°23′—104°17′E，22°30′—23°02′N)、昆明(n=16，102°10′—103°40′E，24°23′—26°22′N)、西昌(n=11，101°46′—102°25′E，27°32′—28°10′N)、勐腊(n=8，101°05′—101°50′E，21°09′—22°23′N)、大理(n=12，98°52′—101°03′E，24°41′—26°42′N)、片马(n=13，98°34′—99°09′E，25°33′—26°32′N)、腾冲(n=12，98°05′—98°45′E，24°38′—25°52′N)和禄劝(n=10，98°05′—98°45′E，24°38′—25°52′N)12个地区。动物断颈处死，采用左木林等[16]制做头骨标本的方法制备北树鼩头骨。性二型在研究样本形态时，可以忽略性二型的影响，对样本统一计数[17]。

1.2 获取数据

本研究结合实际情况，采用几何形态测量技术中的标点法对样本进行标点。将所得的样本标点数据化，再进一步对已数据化的头骨结构进行分析，将数据整合处理，而形态变异则可以通过薄片样条法(thin plate spine，TPS)得以体现[7]。

1.2.1 图片获取

用索尼DSC-HX400相机对北树鼩头骨背面、腹面、侧面和下颌侧面统一拍照，拍照时需将可控因素固定统一，这样有利于尽可能地减少误差，如，将照相机的位置和角度固定安置，摆放头骨的平面选择在同一个位置等。在头骨的拍照过程中仅对头骨左半侧部分拍照分析以避免不对称造成的影响，这样得到的数据更加具有可行性。

1.2.2 图片数字化

首先对标准条件下拍摄的4种标记头骨图进行打点标记[17](图1)，再将其通过TPSDIG2软件进行数字化处理[18]。至少对每种标记图中的每一个样本数字化6次，标点的数字化均由同一个人完成，避免不同的人数字化造成的误差。利用标点坐标平面图检测重复次数变化较大的标点，应用算数平均数的非加权成组配对法UPGMA(unweighted pairgroup method using anarithmetic average)对6次重复的标点进行聚类分析，相对于标本形状差异，数字化引起的误差可以忽略不计。

图1 北树鼩头骨背面、腹面、侧面和下颌侧面标点标记Fig.1 Landmark configurations on the dorsal，the ventral，the lateral and the lateral mandible of cranium of Tupaia belangeri

1.2.3 头骨12项指标的测量

对每个头骨样本测定12项指标：颅全长、颅基长和枕鼻长等各项指标均参照兽类头骨测量标准和啮齿类动物头骨测量方法进行测量[19-22]。

1.2.4 去除非形态变异

在数据采集过程中，通过对样本的尺寸进行标准化，本研究采用广义普鲁克分析GPA(generalized procrustes analysis)去除由于为因素造成位置不同而产生的误差。

1.2.5 薄片样条法

形状差异采用Thompson等[23]的变形网格表示，即薄片样条法，通过计算机严格计算，使变形网格进行可视化，将一个头骨实物变形为可视化的物体，用描述物体之间差异的变形网格来描述形状特征[24]。应用薄片样条法得出的参数可以作为样本间和样本内形态变异统一比较时的参数变量。

1.3 数据分析

用SPSS 19.0软件包对头骨12项指标进行主成分分析和聚类分析，采用薄片样条分析(TPS)和主成分分析(PCA)对北树鼩头骨进行分析；对得到的前3个主成分值做判别函数分析，再将4个面组合得到的数据进行多维尺度分析[25]。

2 结果

2.1 头骨背面

通过主成分分析显示：前3个主成分的特征值占89.1%(表1)；根据第一和第二主成分作散点图，结果显示8个地区(乐业、兴义、何口、昆明、西昌、大理、勐腊和禄劝)的头骨侧面聚集在一起，三亚和大新各自为一块，片马和腾冲聚集在一起(图2)。从薄片样条分析结果中得出：颧弓、鼻骨和眼眶是头骨背面中形态变异多发生的部位(图3)。

表1 北树鼩头骨背面主成分分析Tab.1 Principal component analysis of the dorsal cranium of Tupaia belangeri

图2 北树鼩头骨背面第一和第二主成分散点Fig.2 First and second principle component of scatter points for dorsal cranium of Tupaia blangeri

图3 头骨背面薄片样条分析(a.三亚，b.兴义，c.西昌，d.腾冲，e.大新，f.河口，g.大理，h.勐腊，i.乐业，j.昆明，k.片马，l.禄劝)Fig.3 Plots of TPS of dorsal cranium in Tupaia belangeri(a.Sanya，b.Xingyi，c.Xichang，d.Tengchong，e.Daxin，f.Hekou，g.Dali，h.Mengla，i.Leye，j.Kunming，k.Pianma，l.Luquan)

2.2 头骨侧面

通过主成分分析显示：前3个主成分的特征值占全部变量的90.5%(表2)；根据第一和第二主成分作散点图，结果显示8个地区(乐业、兴义、何口、昆明、西昌、大理、勐腊和禄劝)的头骨侧面聚集在一起，三亚和大新各自为一块，片马和腾冲聚集在一块(图4)。从TPS分析结果中得出：眼眶、鼻骨、颧骨和前臼齿是北树鼩头骨侧面中形态变异多发生的部位(图5)。

表2 北树鼩头骨侧面主成分分析Tab.2 Principal component analysis of the lateral cranium of Tupaia belangeri

图4 北树鼩头骨侧面第一和第二主成分散点Fig.4 First and second principle component of scatter points for lateral cranium of Tupaia belangeri

图5 中缅树鼩头骨侧面薄片样条分析

2.3 头骨腹面

通过主成分分析显示：前3个主成分的特征值占78.1%(表3)；根据第一和第二主成分作散点图，结果显示：各个地区的北树鼩样本有不同程度的重叠，其中8个地区(乐业、兴义、何口、昆明、西昌、大理、勐腊和禄劝)聚集在一起，三亚和大新地区各自为一块，片马和腾冲地区聚集在一起(图6)。从TPS分析结果中得出：听泡、第一臼齿上颌骨外侧最内凹点和第一臼齿齿冠内侧缘点是北树鼩头骨腹面中形态变异多发生的部位(图7)。

表3 北树鼩头骨侧面主成分分析Tab.3 Principal component analysis of the ventral cranium of Tupaia belangeri

图6 北树鼩头骨腹面第一和第二主成分散点Fig.6 First and second principle component of scatter points for ventral cranium of Tupaia belangeri

图7 中缅树鼩头骨腹面薄片样条分析

2.4 下颌侧面

通过主成分分析显示：前3个主成分的特征值占全部变量的86.2%(表4)；根据第一和第二主成分作散点图，结果显示(乐业、兴义、何口、昆明、西昌、大理、勐腊和禄劝)聚集在一起，三亚和大新地区各自为一块，片马和腾冲地区单独聚在一起(图8)。从TPS分析结果中得出：角突前最上凹点、下颌中部最低点和臼齿齿槽是北树鼩下颌侧面中形态变异多发生的位置(图9)。

表4 北树鼩头骨侧面主成分分析Tab.4 Principal component analysis of the lateral mandible of Tupaia belangeri

图8 北树鼩头骨下颌侧面面第一和第二主成分散点Fig.8 First and second principle component of scatter points for lateral mandible of Tupaia belangeri

图9 北树鼩下颌侧面薄片样条分析

2.5 多维尺度分析

将所有样本数据整合进行多维尺度分析，结果发现：12个地区的北树鼩头骨形态存在差异，对照表1中的信息和图10中第一维方向上的排列次序可知，三亚、大新、10个地区(乐业、兴义、何口、昆明、西昌、大理、勐腊和禄劝)以及片马和腾冲4个集群与经度趋势相同，而对照表1和第二维度方向上的排列趋势可知，除三亚地区外，其余11个地区的趋势与海拔、温度、维度相同(图10)。个体权重空间分布图显示评分见表5，头骨背面和头骨侧面评分第一维度的贡献较大；头骨腹面和下颌侧面评分对第二维度贡献较大(图11)。

表5 头骨4个面的评分Tab.5 Evaluation of four sides on the skull

图10 北树鼩12个地区头骨数据综合的多维尺度分布Fig.10 Diagram of Multidimensional scaling for combined datasets of skull in 12 regions of Tupaia belangeri

图11 北树鼩头骨个体权重空间分布Fig.11 Diagram of dimension weights for cranium of Tupaia belangeri

3 讨论

几何形态学可反映物种在不同生存条件下的进化特征和进化模式，并且为物种分类提供依据。目前，几何形态测量技术被学者广泛应用于不同的研究方向[26]，例如：蜜蜂前翼的大小和形状是从无翼蜜蜂的近亲中演变而来[27]；根据人类饮食的差异，牙分成3种牙合类型[28]；摄影测量法和几何形态测量法相互结合可准确地估计出大型哺乳动物鼻子的大小和形状[29]；横断山高山姬鼠头骨的形态差异与各种群生存的维度和海拔有关[25]。此外，在研究土拨鼠头骨中发现，颅骨和下颌骨在发育过程中以一种高度整合的方式发生共变[30]，并且结合头骨背面和下颌骨的研究以及其行为的观察，强调了基因分析与形态学和行为学研究相辅相成，表明在评估种群独特性和仔细规划保护策略方面具有重要作用[31-33]。

本研究采样点自西向东依次为腾冲、片马、大理、勐腊、西昌、禄劝、昆明、河口、兴义、乐业、大新和三亚，其中相对偏东方向的三亚和大新两个地区的海拔较低且年均温度较高。主成分分析显示：北树鼩头骨背面、侧面、腹面和下颌侧面中8个地区(乐业、兴义、何口、昆明、西昌、大理、勐腊和禄劝)的头骨侧面聚集在一起，三亚和大新各自为一块，片马和腾冲聚集在一起。薄片样条分析显示：12个地区的头骨背面、侧面、腹面和下颌侧均有形态差异，这可能与其生境的地理分布有关。其中，颧弓、鼻骨和眼眶是头骨背面中形态变异多发生的部位；眼眶、鼻骨、颧骨和前臼齿是北树鼩头骨侧面中形态变异多发生的部位；听泡、第一臼齿上颌骨外侧最内凹点和第一臼齿齿冠内侧缘点是北树鼩头骨腹面中形态变异多发生的部位；角突前最上凹点、下颌中部最低点和臼齿齿槽是北树鼩下颌侧面中形态变异多发生的位置。这些形态变异发生的位置均在鼻腔、眼眶和听泡器官部位，这3个部位对外界的感知极其敏感，对感知外界环境有及其重要的作用。例如，动物鼻腔的形态可直接显示水分的散失程度来反映其生存环境温度[34]。

多维尺度分析显示：腾冲、片马、大理、勐腊、西昌、禄劝、昆明、河口、兴义、乐业、大新和三亚12个地区北树鼩头骨形态均有差异，在第一维度方向上，三亚、大新、8个地区(乐业、兴义、何口、昆明、西昌、大理、勐腊和禄劝)以及片马和腾冲4个集群与经度趋势相同，由此推测经度可能是影响4个北树鼩集群形态差异的因素，而在第二维度方向上，除三亚地区外，其余11个地区的趋势与海拔、温度、维度相同，由此推测海拔、温度、维度可能是其影响因素。头骨各个面经个体权重分布图显示：头骨背面和侧面对第一维度评分的贡献相对较大，头骨腹面和下颌侧面对第二维度评分的贡献相对较大，综合多维尺度分析结果得出：北树鼩头骨背面和侧面形态差异受经度影响较大，头骨腹面和下颌侧面形态差异受海拔、纬度和温度的影响较大。说明12个地区北树鼩头骨形态差异均受经纬度、海拔和温度的影响，在这些因素的共同作用下引起形态的显著差异，使得12个地区的北树鼩可分为4支亚群。即，三亚地区为一枝亚群，大新地区为一枝亚群，腾冲和片马为一枝亚群，其余8个地区(乐业、兴义、何口、昆明、西昌、大理、勐腊和禄劝)为一枝亚群，其中地理阻隔增加了三亚地区亚群和其他3枝亚群的差异。

综上所述，腾冲、片马、大理、勐腊、西昌、禄劝、昆明、河口、兴义、乐业、大新和三亚地区北树鼩的头骨形态有显著差异，且头骨背面、侧面、腹面和下颌侧面中均有形态变异显著的位置。由经纬度、海拔、温度影响而引起形态差异的结果可将12个地区的北树鼩分为4个亚群，这反映了北树鼩应对不同生态环境的适应性形态变异。