不同地區北樹鼩頭骨幾何形態特征差異分析

李海軍 賈 婷 高文榮 張 浩 朱萬龍 劉 璐 彭鴻碧 王政昆*

(1.云南省高校西南山地生態系統動植物生態適應進化及保護重點實驗室，云南師范大學生命科學學院，生物能源持續開發利用教育部工程研究中心，云南省生物質能與環境生物技術重點實驗室，昆明，650500；2.云南經濟管理學院，昆明，650106；3.昆明醫科大學第二附屬醫院，昆明，650033)

頭骨的形態變化與動物生存環境息息相關，其生存環境的不同可引起形態變異發生[1-2]。頭骨形態作為系統演化和分類學的基礎，在研究種間、種內關系及哺乳動物地理演化等方面有重要意義[3-4]。幾何形態測量技術中的一個核心問題是形態變異[5]，并且幾何形態測量技術由于有只需考慮樣本結構而不需考慮樣本大小的優點，在嚙齒類動物種間、種內的研究中被廣泛應用[6-7]。國內外學者將其廣泛用于動物頭骨的測定，國外學者Rincón和Marugán-Lobón等[8-10]研究報道了4種魚類形態差異和鳥類骨骼差異的形成與其食性、溫度、經緯度、海拔和地理阻隔有關；國內學者亦有相關報道，章迪等[11]對高山姬鼠(Apodemuschevrieri)、大絨鼠(Eothenomysmiletus)臼齒和頭骨特征的研究發表了相關報告，楊紅等[12]對中華姬鼠(Apodemusdraco)的頭骨特征發表了相關報告，闡明了高山姬鼠、大絨鼠和中華姬鼠的形態差異與其生境的經緯度、飲食習性、海拔、溫度和地理阻隔有關[11-14]。

北樹鼩(Tupaiabelangeri)屬攀鼩目(Scandentia)樹鼩科(Tupaiidae)，是東洋界特有類群，在國內主要分布于云南、四川、貴州、廣西和海南島。在高山、高原和島嶼等生境均有分布，分布地區的生境具有一定的差異。同一物種在不同的生存環境中，由于自然環境的差異，會引起其形態特征變異[15]。本研究通過對12個不同地區的北樹鼩頭骨進行研究分析，探討各地區北樹鼩的形態變異與生存環境的關系，為研究北樹鼩的形態適應提供了一定的依據。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

本研究中所用的134個動物樣本采樣地信息分別采自三亞(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)、樂業(n=14，106°10′—106°51′E，24°30′—25°03′N)、興義(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)、勐臘(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)、片馬(n=13，98°34′—99°09′E，25°33′—26°32′N)、騰沖(n=12，98°05′—98°45′E，24°38′—25°52′N)和祿勸(n=10，98°05′—98°45′E，24°38′—25°52′N)12個地區。動物斷頸處死，采用左木林等[16]制做頭骨標本的方法制備北樹鼩頭骨。性二型在研究樣本形態時，可以忽略性二型的影響，對樣本統一計數[17]。

1.2 獲取數據

本研究結合實際情況，采用幾何形態測量技術中的標點法對樣本進行標點。將所得的樣本標點數據化，再進一步對已數據化的頭骨結構進行分析，將數據整合處理，而形態變異則可以通過薄片樣條法(thin plate spine，TPS)得以體現[7]。

1.2.1 圖片獲取

用索尼DSC-HX400相機對北樹鼩頭骨背面、腹面、側面和下頜側面統一拍照，拍照時需將可控因素固定統一，這樣有利于盡可能地減少誤差，如，將照相機的位置和角度固定安置，擺放頭骨的平面選擇在同一個位置等。在頭骨的拍照過程中僅對頭骨左半側部分拍照分析以避免不對稱造成的影響，這樣得到的數據更加具有可行性。

1.2.2 圖片數字化

首先對標準條件下拍攝的4種標記頭骨圖進行打點標記[17](圖1)，再將其通過TPSDIG2軟件進行數字化處理[18]。至少對每種標記圖中的每一個樣本數字化6次，標點的數字化均由同一個人完成，避免不同的人數字化造成的誤差。利用標點坐標平面圖檢測重復次數變化較大的標點，應用算數平均數的非加權成組配對法UPGMA(unweighted pairgroup method using anarithmetic average)對6次重復的標點進行聚類分析，相對于標本形狀差異，數字化引起的誤差可以忽略不計。

圖1 北樹鼩頭骨背面、腹面、側面和下頜側面標點標記Fig.1 Landmark configurations on the dorsal，the ventral，the lateral and the lateral mandible of cranium of Tupaia belangeri

1.2.3 頭骨12項指標的測量

對每個頭骨樣本測定12項指標：顱全長、顱基長和枕鼻長等各項指標均參照獸類頭骨測量標準和嚙齒類動物頭骨測量方法進行測量[19-22]。

1.2.4 去除非形態變異

在數據采集過程中，通過對樣本的尺寸進行標準化，本研究采用廣義普魯克分析GPA(generalized procrustes analysis)去除由于為因素造成位置不同而產生的誤差。

1.2.5 薄片樣條法

形狀差異采用Thompson等[23]的變形網格表示，即薄片樣條法，通過計算機嚴格計算，使變形網格進行可視化，將一個頭骨實物變形為可視化的物體，用描述物體之間差異的變形網格來描述形狀特征[24]。應用薄片樣條法得出的參數可以作為樣本間和樣本內形態變異統一比較時的參數變量。

1.3 數據分析

用SPSS 19.0軟件包對頭骨12項指標進行主成分分析和聚類分析，采用薄片樣條分析(TPS)和主成分分析(PCA)對北樹鼩頭骨進行分析；對得到的前3個主成分值做判別函數分析，再將4個面組合得到的數據進行多維尺度分析[25]。

2 結果

2.1 頭骨背面

通過主成分分析顯示：前3個主成分的特征值占89.1%(表1)；根據第一和第二主成分作散點圖，結果顯示8個地區(樂業、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)的頭骨側面聚集在一起，三亞和大新各自為一塊，片馬和騰沖聚集在一起(圖2)。從薄片樣條分析結果中得出：顴弓、鼻骨和眼眶是頭骨背面中形態變異多發生的部位(圖3)。

表1 北樹鼩頭骨背面主成分分析Tab.1 Principal component analysis of the dorsal cranium of Tupaia belangeri

圖2 北樹鼩頭骨背面第一和第二主成分散點Fig.2 First and second principle component of scatter points for dorsal cranium of Tupaia blangeri

圖3 頭骨背面薄片樣條分析(a.三亞，b.興義，c.西昌，d.騰沖，e.大新，f.河口，g.大理，h.勐臘，i.樂業，j.昆明，k.片馬，l.祿勸)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 頭骨側面

通過主成分分析顯示：前3個主成分的特征值占全部變量的90.5%(表2)；根據第一和第二主成分作散點圖，結果顯示8個地區(樂業、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)的頭骨側面聚集在一起，三亞和大新各自為一塊，片馬和騰沖聚集在一塊(圖4)。從TPS分析結果中得出：眼眶、鼻骨、顴骨和前臼齒是北樹鼩頭骨側面中形態變異多發生的部位(圖5)。

表2 北樹鼩頭骨側面主成分分析Tab.2 Principal component analysis of the lateral cranium of Tupaia belangeri

圖4 北樹鼩頭骨側面第一和第二主成分散點Fig.4 First and second principle component of scatter points for lateral cranium of Tupaia belangeri

圖5 中緬樹鼩頭骨側面薄片樣條分析

2.3 頭骨腹面

通過主成分分析顯示：前3個主成分的特征值占78.1%(表3)；根據第一和第二主成分作散點圖，結果顯示：各個地區的北樹鼩樣本有不同程度的重疊，其中8個地區(樂業、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)聚集在一起，三亞和大新地區各自為一塊，片馬和騰沖地區聚集在一起(圖6)。從TPS分析結果中得出：聽泡、第一臼齒上頜骨外側最內凹點和第一臼齒齒冠內側緣點是北樹鼩頭骨腹面中形態變異多發生的部位(圖7)。

表3 北樹鼩頭骨側面主成分分析Tab.3 Principal component analysis of the ventral cranium of Tupaia belangeri

圖6 北樹鼩頭骨腹面第一和第二主成分散點Fig.6 First and second principle component of scatter points for ventral cranium of Tupaia belangeri

圖7 中緬樹鼩頭骨腹面薄片樣條分析

2.4 下頜側面

通過主成分分析顯示：前3個主成分的特征值占全部變量的86.2%(表4)；根據第一和第二主成分作散點圖，結果顯示(樂業、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)聚集在一起，三亞和大新地區各自為一塊，片馬和騰沖地區單獨聚在一起(圖8)。從TPS分析結果中得出：角突前最上凹點、下頜中部最低點和臼齒齒槽是北樹鼩下頜側面中形態變異多發生的位置(圖9)。

表4 北樹鼩頭骨側面主成分分析Tab.4 Principal component analysis of the lateral mandible of Tupaia belangeri

圖8 北樹鼩頭骨下頜側面面第一和第二主成分散點Fig.8 First and second principle component of scatter points for lateral mandible of Tupaia belangeri

圖9 北樹鼩下頜側面薄片樣條分析

2.5 多維尺度分析

將所有樣本數據整合進行多維尺度分析，結果發現：12個地區的北樹鼩頭骨形態存在差異，對照表1中的信息和圖10中第一維方向上的排列次序可知，三亞、大新、10個地區(樂業、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)以及片馬和騰沖4個集群與經度趨勢相同，而對照表1和第二維度方向上的排列趨勢可知，除三亞地區外，其余11個地區的趨勢與海拔、溫度、維度相同(圖10)。個體權重空間分布圖顯示評分見表5，頭骨背面和頭骨側面評分第一維度的貢獻較大；頭骨腹面和下頜側面評分對第二維度貢獻較大(圖11)。

表5 頭骨4個面的評分Tab.5 Evaluation of four sides on the skull

圖10 北樹鼩12個地區頭骨數據綜合的多維尺度分布Fig.10 Diagram of Multidimensional scaling for combined datasets of skull in 12 regions of Tupaia belangeri

圖11 北樹鼩頭骨個體權重空間分布Fig.11 Diagram of dimension weights for cranium of Tupaia belangeri

3 討論

幾何形態學可反映物種在不同生存條件下的進化特征和進化模式，并且為物種分類提供依據。目前，幾何形態測量技術被學者廣泛應用于不同的研究方向[26]，例如：蜜蜂前翼的大小和形狀是從無翼蜜蜂的近親中演變而來[27]；根據人類飲食的差異，牙分成3種牙合類型[28]；攝影測量法和幾何形態測量法相互結合可準確地估計出大型哺乳動物鼻子的大小和形狀[29]；橫斷山高山姬鼠頭骨的形態差異與各種群生存的維度和海拔有關[25]。此外，在研究土撥鼠頭骨中發現，顱骨和下頜骨在發育過程中以一種高度整合的方式發生共變[30]，并且結合頭骨背面和下頜骨的研究以及其行為的觀察，強調了基因分析與形態學和行為學研究相輔相成，表明在評估種群獨特性和仔細規劃保護策略方面具有重要作用[31-33]。

本研究采樣點自西向東依次為騰沖、片馬、大理、勐臘、西昌、祿勸、昆明、河口、興義、樂業、大新和三亞，其中相對偏東方向的三亞和大新兩個地區的海拔較低且年均溫度較高。主成分分析顯示：北樹鼩頭骨背面、側面、腹面和下頜側面中8個地區(樂業、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)的頭骨側面聚集在一起，三亞和大新各自為一塊，片馬和騰沖聚集在一起。薄片樣條分析顯示：12個地區的頭骨背面、側面、腹面和下頜側均有形態差異，這可能與其生境的地理分布有關。其中，顴弓、鼻骨和眼眶是頭骨背面中形態變異多發生的部位；眼眶、鼻骨、顴骨和前臼齒是北樹鼩頭骨側面中形態變異多發生的部位；聽泡、第一臼齒上頜骨外側最內凹點和第一臼齒齒冠內側緣點是北樹鼩頭骨腹面中形態變異多發生的部位；角突前最上凹點、下頜中部最低點和臼齒齒槽是北樹鼩下頜側面中形態變異多發生的位置。這些形態變異發生的位置均在鼻腔、眼眶和聽泡器官部位，這3個部位對外界的感知極其敏感，對感知外界環境有及其重要的作用。例如，動物鼻腔的形態可直接顯示水分的散失程度來反映其生存環境溫度[34]。

多維尺度分析顯示：騰沖、片馬、大理、勐臘、西昌、祿勸、昆明、河口、興義、樂業、大新和三亞12個地區北樹鼩頭骨形態均有差異，在第一維度方向上，三亞、大新、8個地區(樂業、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)以及片馬和騰沖4個集群與經度趨勢相同，由此推測經度可能是影響4個北樹鼩集群形態差異的因素，而在第二維度方向上，除三亞地區外，其余11個地區的趨勢與海拔、溫度、維度相同，由此推測海拔、溫度、維度可能是其影響因素。頭骨各個面經個體權重分布圖顯示：頭骨背面和側面對第一維度評分的貢獻相對較大，頭骨腹面和下頜側面對第二維度評分的貢獻相對較大，綜合多維尺度分析結果得出：北樹鼩頭骨背面和側面形態差異受經度影響較大，頭骨腹面和下頜側面形態差異受海拔、緯度和溫度的影響較大。說明12個地區北樹鼩頭骨形態差異均受經緯度、海拔和溫度的影響，在這些因素的共同作用下引起形態的顯著差異，使得12個地區的北樹鼩可分為4支亞群。即，三亞地區為一枝亞群，大新地區為一枝亞群，騰沖和片馬為一枝亞群，其余8個地區(樂業、興義、何口、昆明、西昌、大理、勐臘和祿勸)為一枝亞群，其中地理阻隔增加了三亞地區亞群和其他3枝亞群的差異。

綜上所述，騰沖、片馬、大理、勐臘、西昌、祿勸、昆明、河口、興義、樂業、大新和三亞地區北樹鼩的頭骨形態有顯著差異，且頭骨背面、側面、腹面和下頜側面中均有形態變異顯著的位置。由經緯度、海拔、溫度影響而引起形態差異的結果可將12個地區的北樹鼩分為4個亞群，這反映了北樹鼩應對不同生態環境的適應性形態變異。