戚凌， 何向怡， 李文亮

(河南科技大學(xué)林學(xué)院，河南洛陽471023)

雙翅目Diptera的分類較為復(fù)雜，迄今未形成統(tǒng)一的分類體系。目前一般按照Delfinado和Hardy(1977)、Richards和Daries(1977)的分類標(biāo)準(zhǔn)，將縞蠅科Lauxaniidae劃屬于雙翅目環(huán)裂亞目Cyclorrhapha無瓣類Acalyptrata有縫組Schizophora縞蠅總科Lauxanioidea(高彩霞，2003)；目前世界已知 3亞科172屬約2 150種，我國已知32屬343種(李文亮，2014)。縞蠅總科是無瓣蠅類各總科系統(tǒng)進(jìn)化過程中較為原始的類群之一，對縞蠅科昆蟲的研究是揭示無瓣蠅類各總科間系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的重要環(huán)節(jié)(李文亮，2014)。在縞蠅科分類中，往往使用傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)方法鑒定，即觀察記述標(biāo)本的外部分類特征，然后進(jìn)一步解剖、鑒定、繪圖等，需要花費(fèi)大量的時間和精力。

近年來幾何形態(tài)分析方法越來越成熟，并在分類學(xué)、系統(tǒng)發(fā)育學(xué)、生物進(jìn)化學(xué)等方向有所應(yīng)用。20世紀(jì)早期，生物學(xué)從定性描述向定量描述過渡；20世紀(jì)中期，傳統(tǒng)的形態(tài)測量學(xué)產(chǎn)生；20世紀(jì)80年代，形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)值化以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)得到重要突破，生物體形態(tài)的幾何信息能夠被獲得，并用于綜合分析(Rohlfetal.，1998；Perrardaetal.，2016)。這種方法利用了變量之間的角度轉(zhuǎn)換、物體表面的紋理甚至實物標(biāo)本的物理性能等數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)⑸矬w形態(tài)信息中的大小和形狀分開(白明等，2014)。目前在幾何形態(tài)學(xué)分析中，最常見的方法是標(biāo)點法，該方法能夠找到研究樣本之間的形態(tài)“同源信號”和“簡約信息位點”，排除樣本之間由于位置排列產(chǎn)生的差異(Yanetal.，2011)。

翅是昆蟲獲得飛翔能力的重要形態(tài)結(jié)構(gòu)，翅的形狀與昆蟲的生存方式、擴(kuò)散能力有著密切的關(guān)系，翅形的變化有可能對物種的分化形成起到關(guān)鍵的作用(白明，楊星科，2007)。李玲等(2017)曾基于幾何形態(tài)學(xué)對3種實蠅翅脈形態(tài)進(jìn)行了分析，并證明幾何形態(tài)學(xué)方法可用于實蠅種間的分類。段琛等(2018)也通過幾何形態(tài)學(xué)方法對3種庫蠓的翅形變化進(jìn)行了分析，并成功找出了翅的主要變異區(qū)域。

目前尚無用幾何形態(tài)學(xué)方法對縞蠅科翅脈進(jìn)行研究的報道，而本試驗運(yùn)用幾何形態(tài)學(xué)分析中的標(biāo)點法分析了翅脈在縞蠅科分類標(biāo)準(zhǔn)上的科學(xué)依據(jù)，并利用幾何形態(tài)學(xué)的原理對縞蠅科高級階元進(jìn)行初步分析，探討翅位點的變異度，為縞蠅科系統(tǒng)分類開拓新的途徑，并為縞蠅科幾何形態(tài)學(xué)系統(tǒng)發(fā)育研究打下初步基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本材料

縞蠅科昆蟲標(biāo)本來源于河南科技大學(xué)昆蟲標(biāo)本館和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)昆蟲博物館，共2亞科20屬252種(表1)。

1.2 試驗方法

1.2.1 獲取圖像用EOS450D/5D相機(jī)拍攝照片，再用Adobe Photoshop CS將圖片設(shè)置為灰度模式，并調(diào)整翅脈的角度。

1.2.2 數(shù)據(jù)提取及標(biāo)準(zhǔn)化處理用tps Util將翅脈圖片格式文件轉(zhuǎn)化為tps格式文件，然后分別對樣本進(jìn)行同源標(biāo)點，每個樣本均按照同樣的位置、順序標(biāo)注14個標(biāo)點(圖1)：(1)前緣脈(C)與肩脈(h)交點，(2)C與亞前緣脈(Sc)交點，(3)Sc與第一徑脈(R1)交點，(4)第二、三合徑脈(R2+3)與翅緣交點，(5)第四、五合徑脈(R4+5)與翅緣交點，(6)第一中脈(M1)與翅緣交點，(7)第一肘臀合脈(CuA1)與翅緣交點，(8)第二臀脈(A2)末端，(9)第二肘臀合脈(A1+CuA2)末端，(10)徑中橫脈(r-m)與R4+5交點，(11)r-m與M1交點，(12)中肘橫脈(dm-cu)與M1交點，(13)dm-cu與CuA1交點，(14)翅外緣黑色短鬃的末端。

表1 縞蠅科標(biāo)本種類統(tǒng)計Table 1 Statistics of specimens in Lauxaniidae family

1.2.3 數(shù)據(jù)分析利用MorphoJ基于主成分分析(principal component analysis，PCA)和典型變量分析(canonical variate analysis，CVA)對翅脈的幾何形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。先進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的主成分分析，再從不同方向分組進(jìn)行不同階級的主成分分析和典型變量分析，并通過PCA和CVA的薄板樣條圖，詳細(xì)解析每個標(biāo)點所代表的翅脈的差異性。

2 結(jié)果

2.1 縞蠅科總體分析

全部樣本的PCA結(jié)果(圖2)顯示：在提取的24個主成分中，第一主成分(PC1)占總變異量的30.010%，第二主成分(PC2)占總變異量的18.698%，第三主成分(PC3)占總變異量的15.377%，前三個主成分的特征值占總變異量的64.085%，能夠說明各樣本之間的主要差異。

薄板樣條分析結(jié)果(圖3)顯示：在PC1中，扭曲度最大的是標(biāo)點4和14；在PC2中，標(biāo)點10和11的扭曲度相對較大。說明在縞蠅科的進(jìn)化與變異中，R2+3、黑色短鬃和r-m是變異度較高的翅脈，在進(jìn)化中相對較不穩(wěn)定。

圖1 縞蠅科昆蟲翅的標(biāo)點Fig. 1 14 landmarks on the wing of Lauxaniidae

C. 前緣脈， h. 肩脈， Sc. 亞前緣脈， R1. 第一徑脈， R2+3. 第二、三合徑脈， R4+5. 第四、五合徑脈， M1. 第一中脈， CuA1. 肘脈(Cu)與第一臀脈(A1)的部分段合并而成的第一肘臀合脈， A2. 第二臀脈， r-m. 徑中橫脈， dm-cu. 中肘橫脈， A1+CuA2. Cu與第一、二臀脈(A1、A2)合并而成的第二肘臀合脈

C. costa， h. humeral vein， Sc. subcosta， R1. first radial vein， R2+3. combined vein of second and third radial vein， R4+5. combined vein of fourth and fifth radial vein， M1. first medial vein， CuA1. combined vein of cubital and first anal vein， A2. second anal， r-m. radial-median crossvein， dm-cu. median-cubital crossvein， A1+CuA2. combined vein of cubital， first and second anal vein

圖2 縞蠅科昆蟲翅脈主成分分析Fig. 2 Principal component analysis for the wing veins of Lauxaniidae

圖3 縞蠅科昆蟲翅脈PC1與PC2的薄板樣條Fig. 3 Thin plate spline of PC1 and PC2 for the wing veins of Lauxaniidae

1～14見圖1

1-14 see Fig.1

2.2 同脈縞蠅亞科與縞蠅亞科的分析

在總體分析的基礎(chǔ)上，已知前3個主成分的特征值占總變異量的64.085%。縞蠅科2亞科的PCA結(jié)果(圖4)顯示：同脈縞蠅亞科主要聚集在PC1軸的0點以左(-0.10～0)，而縞蠅亞科主要聚集在PC1軸的0點以右(0～0.01)；兩者在PC2方向上并沒有明顯差異?？c蠅科2亞科的CVA結(jié)果(圖5)顯示：同脈縞蠅亞科與縞蠅亞科僅在橫軸的0點附近有小部分重合，而絕大部分區(qū)間是非重合的。同脈縞蠅亞科與縞蠅亞科在PC1和CV1方向上具有明顯的差異，說明這2個亞科能夠通過幾何形態(tài)學(xué)方法分析翅脈特征來進(jìn)行分類鑒定。

圖4 同脈縞蠅亞科(紅色)與縞蠅亞科(藍(lán)色)翅脈的主成分分析散點
Fig. 4 Principal component analysis for the wing veins of Homeoneuriae (red) and Lauxaniinae (blue)

圖5 同脈縞蠅亞科(紅色)與縞蠅亞科(藍(lán)色)翅脈的典型變量分析柱形Fig. 5 Canonical variate analysis for the wing veins of Homeoneuriae (red) and Lauxaniinae (blue)

CV1與PC1的薄板樣條圖(圖6)顯示：扭曲度最大的點均為標(biāo)點4、14，扭曲度較小的均為標(biāo)點1、5和6。說明R2+3和黑色短鬃的變異度最大，而C、R4+5和M1的變異度較大。

2.3 縞蠅科4屬間的分析

為了找出縞蠅科在屬級特征上的翅脈變化，本試驗選擇了4個樣本數(shù)量相對較多的屬(表2)，即同脈縞蠅屬Homoneura、黑縞蠅屬M(fèi)inettia、四帶縞蠅屬Tetroxyrhina和斑縞蠅屬Trypetisoma進(jìn)行CVA。在CVA中，前3個典型變量分別占總變異量的74.767%、18.956%和6.277%，共計100%。

CVA結(jié)果(圖7)顯示：不同屬各自聚集在不同區(qū)域，說明這4屬在翅脈上能作出明顯區(qū)分。

薄板樣條圖(圖8)顯示：在CV1薄板樣條中，標(biāo)點4和14相對扭曲度較大，且它們的變異趨勢相反，說明R2+3與翅緣的交點向上變異，黑色短鬃則越來越靠近標(biāo)點5，R2+3與短鬃間的距離是逐漸增大的。在CV2薄板樣條中，扭曲度較大的是標(biāo)點10和11，說明r-m有相對右移且增長的變異趨勢；標(biāo)點1、2、6和7的變異度極小，說明這些點所對應(yīng)的C、Sc、M1和CuA1是相對穩(wěn)定、不易變異的。

圖6 同脈縞蠅亞科與縞蠅亞科翅脈CV1和PC1的薄板樣條
Fig. 6 Thin plate spline of CV1 and PC1 for the wing veins of Homeoneuriae and Lauxaniinae

表2 縞蠅科4屬間分析的樣本數(shù)量Table 2 Number of samples for the 4 genera of Lauxaniidae

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

總體分析、兩大亞科分析和4個常見屬分析結(jié)果顯示，R2+3與翅緣交點、黑色短鬃端點和r-m端點是變異度較大的位點，R4+5與翅緣交點、M1與翅緣交點、CuA1與翅緣交點為穩(wěn)定的位點；翅緣黑色短鬃端點可作為亞科的重要鑒別特征，這與傳統(tǒng)的縞蠅科分類標(biāo)準(zhǔn)相吻合，證明了本次試驗的可行性與科學(xué)性；4屬分析中屬間離散度較高，說明標(biāo)點法能較好地進(jìn)行屬級階元的鑒別。

3.2 討論

本試驗得到的幾何形態(tài)學(xué)分析結(jié)果與傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)鑒定結(jié)果相一致，即二者的相互印證度較好，證明了幾何形態(tài)學(xué)方法在縞蠅分類中應(yīng)用的可行性。但本試驗采用的部分縞蠅屬的樣本數(shù)量較少，且每種僅選取了1個樣本，可能會對試驗結(jié)果有一定影響。在屬間分析中，4個常見屬不足以代表整個縞蠅科，下一步可以增加各個種的樣本數(shù)量，擴(kuò)充樣本后進(jìn)一步在低級階元如屬間或種間進(jìn)行分析研究。此外，本試驗選取的標(biāo)點數(shù)量較少，且未結(jié)合翅輪廓的變化進(jìn)行比較，研究結(jié)果只能確定一些差異性較大的翅脈。而翅的輪廓特征也是相對較重要的翅特征之一，曾有用半標(biāo)點法結(jié)合翅輪廓對蟻蛉科Myrmeleontidae昆蟲進(jìn)行幾何形態(tài)學(xué)分析的研究(詹慶斌，2014)，所以可以更進(jìn)一步結(jié)合縞蠅翅輪廓的研究來補(bǔ)充證明翅在分類依據(jù)上的重要性。

圖7 縞蠅科4屬翅脈的典型變量分析散點
Fig. 7 Canonical variate analysis for the wing veins of the 4 genera of Lauxaniidae

H. 同脈縞蠅屬Homoneura， M. 黑縞蠅屬M(fèi)inettia， TET. 四帶縞蠅屬Tetroxyrhina， TRY. 斑縞蠅屬Trypetisoma

圖8 縞蠅科4屬翅脈的CV1與CV2薄板樣條Fig. 8 Thin plate spline of CV1 and CV2 for the wing veins of 4 genera of Lauxaniidae

1～14見圖1

1-14 see Fig.1

除了將翅作為分析對象，幾何形態(tài)學(xué)方法還能夠通過昆蟲其他部位的特征來進(jìn)行分類鑒定等研究。在關(guān)于昆蟲分類地位的研究中，李榮榮等(2019)通過幾何形態(tài)學(xué)方法對二星蝽屬Eysarcoris及其近緣屬昆蟲的小盾片形狀進(jìn)行了分析，并根據(jù)試驗結(jié)果將二星蝽屬劃歸于二星蝽族。在有關(guān)昆蟲進(jìn)化發(fā)育的研究中，曾有利用幾何形態(tài)學(xué)方法對鍬甲的前胸背板與鞘翅進(jìn)行分析從而探究其演變進(jìn)化的試驗，該研究使用半標(biāo)點法標(biāo)注了鍬甲前胸背板與鞘翅的外輪廓，并結(jié)合分子數(shù)據(jù)建立了系統(tǒng)發(fā)育樹，對鍬甲的外部形態(tài)演變作出了推斷(Zhangetal.，2019)。在昆蟲形態(tài)與功能關(guān)系的研究中，佟一杰等(2016)對蜣螂后胸叉骨的形態(tài)多樣性進(jìn)行了幾何形態(tài)學(xué)定量評估，證明滾糞球或直接掘洞的行為會對蜣螂后胸叉骨的形態(tài)有顯著性影響?；谏鲜龀晒Φ难芯堪咐?，本試驗下一步考慮將除了翅以外的其他部位特征作為幾何形態(tài)學(xué)分析對象。在縞蠅科昆蟲中，背中鬃著生位點是一個顯著的形態(tài)分類特征，所以本試驗將嘗試用幾何形態(tài)學(xué)方法分析中鬃著生位點，以期能夠與翅的分析結(jié)果相結(jié)合，對縞蠅科昆蟲進(jìn)行更準(zhǔn)確的分類。

近年來，昆蟲學(xué)依據(jù)其獨有的特性及后發(fā)優(yōu)勢，將幾何形態(tài)學(xué)的應(yīng)用推向一個新的高度，未來將不斷開拓新的研究模式與方向。昆蟲占領(lǐng)了眾多生態(tài)位，并產(chǎn)生了極為多樣的形態(tài)適應(yīng)，通過幾何學(xué)與發(fā)育生物學(xué)、支序系統(tǒng)學(xué)、古生物學(xué)、生態(tài)學(xué)等方面證據(jù)的深度結(jié)合與相互印證，可從獨特的角度對相關(guān)科學(xué)問題進(jìn)行解讀(Baylacetal.，2003)。