李曉慧 湯永濤 田 菲 趙 凱

(1.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海省動(dòng)物生態(tài)基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,高原魚(yú)類(lèi)進(jìn)化與功能基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810008;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.河南師范大學(xué),新鄉(xiāng) 453007)

花斑裸鯉(Gymnocypris eckloniHerzenstein),隸屬鯉形目(Cypriniformes),鯉科(Cyprinidae),裂腹魚(yú)亞科(Schizothoracinae),主要分布在我國(guó)柴達(dá)木水系格爾木河和黃河水系上游干支流[1]。花斑裸鯉物種最早是由俄國(guó)魚(yú)類(lèi)學(xué)家Herzenstein于1891年提出,他運(yùn)用盡可能多的標(biāo)本研究花斑裸鯉的形態(tài)性狀,指出花斑裸鯉存在兩個(gè)地理種群,主要分布于黃河水系上游及柴達(dá)木水系格爾木河,并將格爾木河的花斑裸鯉定為模式標(biāo)本[2]。在隨后的近一百年里,我國(guó)魚(yú)類(lèi)學(xué)家相繼對(duì)花斑裸鯉的形態(tài)和分類(lèi)進(jìn)行過(guò)大量研究。武云飛等[1]對(duì)兩水系花斑裸鯉的形態(tài)進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示除扎陵湖與鄂陵湖種群的鰓耙數(shù)偏高,呈現(xiàn)湖泊種所具有的地區(qū)性差異外,其余特征,包括口裂、背鰭距尾鰭基部距離、下頜形態(tài)等在兩種群間均沒(méi)有差異。此外,陳毅峰和曹文宣[3]經(jīng)過(guò)大量形態(tài)學(xué)研究也得到了類(lèi)似結(jié)果,認(rèn)為兩水系花斑裸鯉形態(tài)相似,是同一物種的不同地理種群。同樣,趙鐵橋[4]在對(duì)格爾木河、黃河水系上游與河西水系不同地理種群花斑裸鯉的形態(tài)學(xué)研究中提出,花斑裸鯉具有中間形態(tài),其形態(tài)上的差異難以構(gòu)成種級(jí)分化標(biāo)準(zhǔn)。以上學(xué)者基于形態(tài)學(xué)研究均認(rèn)為黃河與格爾木河的花斑裸鯉是同一物種的不同地理種群。

然而,自從20世紀(jì)80年代隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,分子水平上對(duì)兩水系裸鯉系統(tǒng)關(guān)系的研究卻呈現(xiàn)出與形態(tài)學(xué)研究完全不一致的結(jié)果。趙凱等[5]利用線(xiàn)粒體標(biāo)記Cytb基因?qū)S河水系、柴達(dá)木水系格爾木河花斑裸鯉的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)兩水系花斑裸鯉經(jīng)過(guò)地理隔離已經(jīng)發(fā)生了獨(dú)立進(jìn)化。隨后,Zhao等[6]在增加了祁連裸鯉的樣品后,發(fā)現(xiàn)花斑裸鯉的兩個(gè)地理種群沒(méi)有形成單系群,而顯示為相互獨(dú)立起源的并系,再次肯定了上述結(jié)果的有效性。這一研究結(jié)果對(duì)花斑裸鯉的分類(lèi)學(xué)及其兩個(gè)地理種群的分類(lèi)地位提出了不同的看法。

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)花斑裸鯉的形態(tài)學(xué)研究多采用傳統(tǒng)形態(tài)測(cè)量方法,這一方法容易受主觀因素的影響,也容易忽視一些肉眼難以觀察到的性狀[7,8],同時(shí)傳統(tǒng)的形態(tài)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),如口裂、鰓耙等多為環(huán)境適應(yīng)性特征,易受環(huán)境影響而發(fā)生改變,不能客觀反映物種的形態(tài)特征。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代幾何形態(tài)測(cè)量法(Modern geometric morphometrics) 和Micro CT掃描技術(shù)(Micro computed tomography,微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)) 被廣泛應(yīng)用于物種形態(tài)鑒定。幾何形態(tài)測(cè)量法是于20世紀(jì)90年代Bookstein[9]和Rohlf[10]以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)所創(chuàng),將統(tǒng)計(jì)學(xué)方法應(yīng)用于形態(tài)分析,通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)(Landmark) 與滑動(dòng)半標(biāo)志點(diǎn)(Semi-landmark) 相互補(bǔ)充,對(duì)整體輪廓進(jìn)行描繪[11],并最終通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析對(duì)物種形態(tài)進(jìn)行相似性比較和差異分析[12—14],進(jìn)而定量判定形態(tài)特征的異同。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展,幾何形態(tài)測(cè)量法已滲透到多個(gè)領(lǐng)域中[15—17],且在裂腹魚(yú)類(lèi)的形態(tài)鑒定中也已應(yīng)用成熟[18—20]。Micro CT掃描是基于X射線(xiàn)對(duì)活體小動(dòng)物進(jìn)行斷層掃描的一項(xiàng)技術(shù),是利用不同組織對(duì)X射線(xiàn)吸收和透過(guò)率不同的原理實(shí)現(xiàn)的[21]。Micro CT掃描技術(shù)因其超高的分辨率更容易發(fā)現(xiàn)骨骼結(jié)構(gòu)上的差異,現(xiàn)也廣泛應(yīng)用于小鼠骨密度研究、硬骨魚(yú)類(lèi)脊椎研究等多種小動(dòng)物的骨骼形態(tài)研究方面[22—24]。

因此,為清楚闡釋兩水系裸鯉是否因?yàn)閭鹘y(tǒng)測(cè)量方法的局限性,使其分子與形態(tài)學(xué)研究不一致這一問(wèn)題,本研究運(yùn)用新型的幾何形態(tài)測(cè)量法并結(jié)合Micro CT掃描技術(shù),對(duì)兩水系花斑裸鯉的頭部形態(tài)及骨骼特征進(jìn)行了定量分析,這對(duì)正確評(píng)價(jià)兩水系花斑裸鯉真實(shí)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究所用花斑裸鯉兩個(gè)地理種群的樣品分別采集于青藏高原東北部的黃河水系上游河段和柴達(dá)木水系格爾木河(圖1),共采集116個(gè)樣本(表1),同時(shí)作為本次實(shí)驗(yàn)對(duì)照組的青海湖裸鯉(Gymnocypris przewalskii przewalskii) 樣品均采集于青海湖水系(圖1),共19個(gè)樣本(表1)。采集時(shí)間分別為2010年、2012年和2014年。采集時(shí)使用流刺網(wǎng)、地籠捕撈,并保存于95%酒精中,部分保存于福爾馬林溶液中,現(xiàn)均存于中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所高原魚(yú)類(lèi)進(jìn)化與功能基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所標(biāo)本館內(nèi)。

圖1 采樣地點(diǎn)示意圖Fig.1 Map of the head-water area of the Yellow River,Golmud River,and Qinghai Lake showing the sampling sites

1.2 圖片信息獲取

選取頭部側(cè)面輪廓和下頜輪廓對(duì)黃河與格爾木河花斑裸鯉(N=116) 進(jìn)行形態(tài)比較。此外,補(bǔ)充了19個(gè)青海湖裸鯉樣本作為外類(lèi)群進(jìn)行對(duì)照。具體方法如下。

所有樣品均使用錫恩帝HX700數(shù)碼相機(jī)拍攝,每個(gè)樣品采集兩張照片,分別為魚(yú)頭部左側(cè)和腹部圖片,拍攝時(shí)用鑷子或大頭針固定魚(yú)的形態(tài)使其保持自然狀態(tài)[19]。為減少系統(tǒng)誤差,使用翻拍架固定相機(jī)位置,布置藍(lán)色背景布,放置刻度尺,統(tǒng)一樣品擺放位置,以確保樣品與采集面保持平行,與相機(jī)高度距離相等。為減少拍攝時(shí)的人為誤差與偶然誤差,所有拍攝均由一人完成。

表 1 樣品的采集水系、地點(diǎn)及數(shù)量Tab.1 Populations,numbers,river systems and sampling locations used in this study

1.3 標(biāo)志點(diǎn)與半標(biāo)志點(diǎn)選取

標(biāo)志點(diǎn)需選取既有同源性又能準(zhǔn)確反映物種形態(tài)信息的位點(diǎn),根據(jù)類(lèi)似的研究[19,20],并結(jié)合花斑裸鯉實(shí)際形態(tài)特點(diǎn),本次實(shí)驗(yàn)選取了花斑裸鯉頭部側(cè)面5個(gè)標(biāo)志點(diǎn): ①頭骨背緣末端,②吻上唇頂點(diǎn),③吻下唇頂點(diǎn),④口裂末端,⑤腹中線(xiàn)上腮蓋條膜后緣。為使其能更加精確地描繪頭部輪廓,結(jié)合文獻(xiàn)采用滑動(dòng)技術(shù)的方法選取了17個(gè)半標(biāo)志點(diǎn)。半標(biāo)志點(diǎn)的確定是在IMP軟件包MakeFan8 (canisius.edu/～sheets/IMP%208.htm) 軟件中實(shí)現(xiàn)的,首先確定同源性位點(diǎn),然后以?xún)烧咧g的連線(xiàn)做11條距離相等的垂線(xiàn),其垂線(xiàn)與頭部輪廓的交點(diǎn)即為半標(biāo)志點(diǎn)(圖2a)?；ò呗沲幭骂M輪廓選取了2個(gè)標(biāo)志點(diǎn):①下頜骨上端,②下頜骨下端。下頜骨輪廓半標(biāo)志點(diǎn)的確定同樣在MakeFan8中實(shí)現(xiàn),以確定的兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)作連線(xiàn)為直徑畫(huà)半圓,再以一組射線(xiàn)將其分成11份,則射線(xiàn)與下頜輪廓的交點(diǎn)即為半標(biāo)志點(diǎn)(圖2b)。隨后利用TpsDig 2.04軟件記錄標(biāo)志點(diǎn)與半標(biāo)志點(diǎn)。

圖2 花斑裸鯉標(biāo)志點(diǎn)、半標(biāo)志點(diǎn)的選取Fig.2 Landmarks and semi-landmarks of G. eckloni

1.4 圖像數(shù)字化處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用TPS系列軟件對(duì)圖片進(jìn)行數(shù)字化處理[25]。利用TpsUtil (tpsutil.updatestar.com) 修改樣本的ID,把本研究所涉及到的照片數(shù)據(jù)“矢量化”,最終生成擴(kuò)展名為“.NTS”的二維坐標(biāo)矩陣文件,用tpsDig 2.17 (life.bio.sunysb.edu/morph) 統(tǒng)一所有照片的比例尺以及按上述標(biāo)志點(diǎn)對(duì)樣本頭部側(cè)面和下頜進(jìn)行標(biāo)定。隨后將生成的“.NTS”文件導(dǎo)入MorphoJ[26](flywings.org.uk/MorphoJ_page.htm) 軟件中,進(jìn)行New Procrustes fit消除非形變因素對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響,即對(duì)樣本進(jìn)行普氏印疊(Generalized Procrustes Analysis,GPA)。GPA實(shí)際上是對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程,即通過(guò)對(duì)每個(gè)樣品的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)的過(guò)程來(lái)消除非形狀因素產(chǎn)生的誤差,使樣本的幾何形態(tài)得到精準(zhǔn)的客觀復(fù)原[9—13]。然后運(yùn)用MorphoJ對(duì)普氏坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(Principal components analysis,PCA),用以分析不同水系花斑裸鯉幾何形態(tài)上的差異;之后將二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PAST3.0[27]中進(jìn)行辨別分析(Discriminant analysis,DLA),根據(jù)其不同地理種群二維坐標(biāo)的特征值判斷兩水系花斑裸鯉的種群歸屬問(wèn)題;進(jìn)行典型變量分析(Canonical variable analysis,CVA),討論花斑裸鯉兩個(gè)地理種群間的差異,并計(jì)算馬氏距離(Mahalanobis distance) 和普氏距離(Procrustes distance),來(lái)定量分析兩種群間的形態(tài)差異量。

1.5 Micro CT掃描

本次實(shí)驗(yàn)使用QuantumGX Micro CT掃描系統(tǒng),分別選取黃河水系花斑裸鯉21條,格爾木河花斑裸鯉22條進(jìn)行骨骼掃描,分析兩水系花斑裸鯉在骨骼方面是否存在未被發(fā)現(xiàn)的細(xì)微特征。參數(shù)設(shè)置: 電壓70 kV,電流114 μA(該電流為此電壓下的最大電流),視場(chǎng)86 mm,X-射線(xiàn)滲透Cu 0.1 mm,掃描模式采用High Resolution 4min,其余保持默認(rèn)參數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 兩水系花斑裸鯉頭部形狀的主成分分析

幾何形態(tài)學(xué)分析顯示,花斑裸鯉的兩個(gè)地理種群在主成分分析上并沒(méi)有形成兩個(gè)形態(tài)組,而是聚在一起 (圖3)。頭部輪廓的前兩個(gè)PCA共解釋了85.15%的變異量,其中PC1的貢獻(xiàn)率為70.42%,PC2的貢獻(xiàn)率為14.73%。在PCA二維分布散點(diǎn)圖中,黃河與柴達(dá)木水系格爾木河的花斑裸鯉聚在一起,有很大程度的重疊,并沒(méi)有明顯的形態(tài)差異。沿PC1軸的正方向,兩水系花斑裸鯉最明顯的變化表現(xiàn)在1、2、3號(hào)特征點(diǎn)上,即口型位置發(fā)生了變化,逐漸表現(xiàn)為口亞下位的特點(diǎn),符合花斑裸鯉的口型特征。

下頜輪廓的前兩個(gè)PCA共解釋了87.9%的變異量,其中PC1的貢獻(xiàn)率為80.98%,PC2的貢獻(xiàn)率為6.92%。在下頜輪廓的PCA散點(diǎn)圖中,兩水系花斑裸鯉與青海湖裸鯉都有一定程度的重疊,彼此之間均沒(méi)有明顯差異。下頜形態(tài)的網(wǎng)格圖同樣顯示兩水系花斑裸鯉在下頜形態(tài)上沒(méi)有差異,均表現(xiàn)為吻鈍圓,下頜弧形。

圖3 黃河與格爾木河水系花斑裸鯉頭部側(cè)面輪廓(a) 與下頜輪廓(b) 的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of the head profile (a) and mandibular profile (b) of the G. eckloni in Yellow River and Golmud River

圖4 花斑裸鯉頭部側(cè)面輪廓的判別分析Fig.4 The scatter diagram based on the LDA for the cephalic side contour of the G. eckloni

圖5 花斑裸鯉下頜骨輪廓的判別分析Fig.5 The mandible morphological variations of the G. eckloni based on LDA

2.2 兩水系花斑裸鯉頭部形態(tài)的判別分析

除通過(guò)PCA分析計(jì)算研究樣本幾何形態(tài)上的差異外,本研究采用判別分析探討兩水系花斑裸鯉在形態(tài)上是否屬于同一類(lèi)別(圖4和圖5),結(jié)果顯示: 在側(cè)面輪廓的判別分析中,Axis1和Axis2分別占總體變異的55.5%和44.5%,判別分析的結(jié)果顯示黃河水系與柴達(dá)木水系格爾木河的花斑裸鯉在側(cè)面輪廓有很大程度的重疊,屬于同一類(lèi)別,與青海湖裸鯉存在明顯差異(圖4);圖5為下頜骨形態(tài)的判別分析結(jié)果,其中Axis1和Axis2分別代表總變異的61.24%和38.76%,花斑裸鯉2個(gè)地理種群與青海湖裸鯉之間均有不同程度的重疊,三者在下頜形態(tài)輪廓特征上均無(wú)明顯差異。判別分析結(jié)果與PCA結(jié)果基本一致。

2.3 兩水系花斑裸鯉頭部形態(tài)的典型變量分析

為量化花斑裸鯉兩個(gè)地理種群間的差異,本文對(duì)兩水系花斑裸鯉分別進(jìn)行了頭部形態(tài)的典型變量分析(圖6),并計(jì)算馬氏距離與普氏距離(表2—表5)。頭部側(cè)面輪廓的典型變量分析中CV1和CV2分別代表總體變異的59.42%和40.58%,在CV1軸上兩水系花斑裸鯉沒(méi)有差異,沿CV1軸正方向表現(xiàn)出口亞下位的特點(diǎn),與PCA分析一致。在CV2軸上兩水系花斑裸鯉有部分重疊,其差異主要表現(xiàn)在頭部長(zhǎng)寬比上,沿正值方向主要表現(xiàn)為頭部形狀略圓一些,正值處的特征在黃河水系花斑裸鯉種群中更明顯一些。

下頜形態(tài)的典型變量分析中CV1代表總體變異量的75.74%,CV2代表總體變異量的24.26%。CV1展示的差異形態(tài)主要表現(xiàn)在下頜骨的形狀上,CV1正值處格爾木水系花斑裸鯉的特征比較明顯。兩水系花斑裸鯉在CV2軸上存在重疊,沒(méi)有明顯差異。

此外通過(guò)計(jì)算花斑裸鯉兩個(gè)地理種群與青海湖裸鯉頭部形態(tài)的普氏距離與馬氏距離,得到了與上述相似的結(jié)果,即三者之間沒(méi)有明顯的形態(tài)變異。特別是在頭部側(cè)面輪廓計(jì)算中相較于青海湖裸鯉,花斑裸鯉的兩個(gè)地理種群間的變異較小,無(wú)明顯形態(tài)特征。

2.4 Micro CT掃描結(jié)果

本研究分別對(duì)兩水系花斑裸鯉的骨骼進(jìn)行Micro CT掃描,并補(bǔ)充13條青海湖裸鯉的CT掃描結(jié)果作為對(duì)照,結(jié)果顯示在背鰭支鰭骨插入椎骨間的位置上有所不同。背鰭支鰭骨插入椎骨的相對(duì)位置如表6所示: 在黃河水系花斑裸鯉中,背鰭第一支鰭骨位于11—12椎骨間,第二支鰭骨位于13—14椎骨間(圖7a)的樣本占到總研究樣本的61.9%;在格爾木河水系花斑裸鯉的研究中,背鰭第一支鰭骨位于9—10椎骨間,第二支鰭骨位于11—12椎骨間(圖7b)的樣本占到總研究樣本的59.1%;青海湖裸鯉在該特征上存在顯著區(qū)別于兩水系花斑裸鯉的形態(tài)特征,即第一支鰭骨與第二支鰭骨插入椎骨無(wú)間隔的性狀(圖7c),且占到研究樣本的61.5%。此外三者均存在背鰭第一支鰭骨位于10—11椎骨間,第二支鰭骨位于12—13椎骨間的樣品,但用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示**P＜0.001,說(shuō)明三者在背鰭支鰭骨插入椎骨間的相對(duì)位置上存在極顯著差異。

圖6 黃河與格爾木河水系花斑裸鯉頭部側(cè)面輪廓(a) 與下頜輪廓(b) 的典型變量分析Fig.6 Canonical variable analysis of the head profile (a) and mandibular profile (b) of the G. eckloni in Yellow River and Golmud River

3 討論

3.1 不同水系花斑裸鯉的形態(tài)分析

武云飛等[1]、曹文宣和陳毅峰[3]根據(jù)形態(tài)特征對(duì)黃河與柴達(dá)木水系格爾木河花斑裸鯉的形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行了研究,他們基于20多項(xiàng)形態(tài)分析得出了一致結(jié)論,即兩水系花斑裸鯉的形態(tài)學(xué)特征沒(méi)有差異,應(yīng)屬同一物種的不同地理種群。此外,趙鐵橋在對(duì)134尾格爾木河、黃河上游水系及河西水系不同地理種群花斑裸鯉的形態(tài)學(xué)研究中發(fā)現(xiàn),其下頜角質(zhì)內(nèi)緣、第一鰓弓鰓耙數(shù)等七項(xiàng)鑒別特征中均存在變異性大、性狀不穩(wěn)定等特點(diǎn),難以作為種級(jí)鑒別特征,其形態(tài)上的細(xì)微差異不能作為物種分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[4]。本文通過(guò)采用更為先進(jìn)的形態(tài)測(cè)量方法,對(duì)兩水系花斑裸鯉頭部形態(tài)及骨骼特征進(jìn)行精確的定量分析,得到了比之前的研究更為豐富的結(jié)果。對(duì)花斑裸鯉兩個(gè)地理種群頭部輪廓定量分析的結(jié)果顯示與上述前人的研究結(jié)果一致,即對(duì)頭部輪廓特征點(diǎn)做PCA分析、判別分析和典型變量分析(圖3—圖6)均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二者在頭部輪廓形態(tài)上存在差異,馬氏距離與普氏距離也同樣顯示兩水系花斑裸鯉頭部輪廓的變異量很小。然而值得關(guān)注的是,基于骨骼3D模型的比較,發(fā)現(xiàn)花斑裸鯉兩個(gè)地理種群在“背鰭第一支鰭骨插入椎骨位置”這一性狀上有著顯著性差異(圖7),該性狀在蝦虎魚(yú)屬中是一個(gè)重要的鑒別特征[28]。本研究是首次發(fā)現(xiàn)該性狀在裂腹魚(yú)類(lèi)種群間存在顯著性差異,但是否可以作為裂腹魚(yú)類(lèi)的一個(gè)鑒別特征還需今后廣泛取樣,在整個(gè)裂腹魚(yú)亞科上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

表 2 花斑裸鯉不同種群頭部側(cè)面輪廓的馬氏距離比較Tab.2 Comparison of Mahalanobis distance of head profile of the G. eckloni in Yellow River and Golmud River

表 3 花斑裸鯉不同種群頭部側(cè)面輪廓的普氏距離比較Tab.3 Comparison of Procrustes distance of head profile of the G. eckloni in Yellow River and Golmud River

3.2 不同水系花斑裸鯉形態(tài)演化的生態(tài)學(xué)機(jī)制

物種形態(tài)的演化深受生態(tài)壓力的影響,特別是地質(zhì)地貌的改變對(duì)物種的形態(tài)分化往往起著重要作用,魚(yú)類(lèi)口型下頜等環(huán)境適應(yīng)性特征更是與其所處的流水環(huán)境和食物組成息息相關(guān)。高原河流生態(tài)位少,食物供給相對(duì)有限,在高原魚(yú)類(lèi)中發(fā)生形態(tài)趨同的現(xiàn)象極為普遍,如湯永濤等[20]在對(duì)高度特化等級(jí)裂腹魚(yú)類(lèi)基于簡(jiǎn)化基因組水平的研究中就發(fā)現(xiàn)裸鯉屬與裸裂尻魚(yú)屬存在的大量形態(tài)趨同導(dǎo)致了分類(lèi)學(xué)混亂。然而骨骼是構(gòu)成脊椎動(dòng)物的基本結(jié)構(gòu),在長(zhǎng)期的形態(tài)演化中受環(huán)境影響較小,不僅起到支撐身體形態(tài)的作用,也是物種分類(lèi)的重要依據(jù)[29]。早在20世紀(jì)90年代,孔曉瑜等[30]根據(jù)魚(yú)類(lèi)的骨骼特征,頭骨、椎骨及附肢骨骼的差異將中國(guó)鱖亞科分為了三個(gè)屬。在蝦虎魚(yú)的分類(lèi)鑒定中,Birdsong等[31]將“背鰭支鰭骨插入椎骨間的相對(duì)位置”作為一個(gè)重要的分類(lèi)依據(jù),對(duì)200個(gè)屬500種蝦虎魚(yú)進(jìn)行了分類(lèi)鑒定。

表 4 花斑裸鯉兩個(gè)地理種群下頜輪廓的馬氏距離比較Tab.4 Mahalanobis distance of mandibular contour between two geographic populations of G. eckloni

表 5 花斑裸鯉兩個(gè)地理種群下頜輪廓的普氏距離比較Tab.5 Procrustes distance comparison of mandibular contour between two geographic populations of G. eckloni

表 6 不同水系樣品背鰭支鰭骨與椎骨相對(duì)位置統(tǒng)計(jì)表Tab.6 The relative position of dorsal fin bone and vertebra in different drainage of sample

就本文而言,花斑裸鯉的兩個(gè)地理種群(黃河和格爾木河)基于前人在形態(tài)學(xué)上的研究應(yīng)屬同一物種,但對(duì)兩者分子水平上的研究顯示他們是由不同祖先進(jìn)化而來(lái)的并系。本研究所用的幾何形態(tài)測(cè)量法,與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比,更能精確定量物種的形態(tài)特征,但采用幾何形態(tài)測(cè)量法,分析兩水系花斑裸鯉的環(huán)境適應(yīng)性特征,頭部形態(tài)及下頜骨輪廓,仍未發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著差異,幾何形態(tài)測(cè)量法支持了傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果。但通過(guò)Micro CT掃描技術(shù)對(duì)花斑裸鯉兩地理種群的骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,卻觀察到在“背鰭第一支鰭骨插入椎骨位置”這一更具分類(lèi)學(xué)意義的特征上具有顯著性差異。本文認(rèn)為這很可能是由于兩水系相似的生態(tài)環(huán)境造成的適應(yīng)性形態(tài)趨同。青藏高原東部的黃河上游與柴達(dá)木水系的格爾木河地理相鄰,同時(shí)發(fā)源于昆侖山脈[32]。作為花斑裸鯉模式生物產(chǎn)地的格爾木河,河水補(bǔ)給主要來(lái)源于高山融雪,食物組成相對(duì)有限,硅藻類(lèi)是其水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[33],底棲動(dòng)物僅有寡毛類(lèi)和鉤蝦。黃河上游同處高海拔,河水多來(lái)源于高山冰雪融水,且食物組成中同為硅藻類(lèi)占據(jù)優(yōu)勢(shì)[1,34],兼有少量搖蚊幼蟲(chóng)等?；ò呗沲幍膬蓚€(gè)地理種群均為雜食性魚(yú)類(lèi),以硅藻、搖蚊幼蟲(chóng)為主要食物,兩個(gè)地理種群食性結(jié)構(gòu)相似,在長(zhǎng)期自然選擇中很可能導(dǎo)致與食性相關(guān)的形態(tài)特征,如口裂、下頜形狀等發(fā)生了趨同進(jìn)化。此外,另一值得關(guān)注的結(jié)果是花斑裸鯉兩個(gè)地理種群與青海湖裸鯉的“背鰭支鰭骨相對(duì)于椎骨位置”這一性狀,在三者的種群內(nèi)部均出現(xiàn)了分化,且均存在“背鰭第一支鰭骨插入第10—11椎骨間,第二支鰭骨插入12—13椎骨間”性狀,這一結(jié)果又對(duì)兩水系花斑裸鯉形態(tài)上的異同做出了另一種解釋,可能暗示了三者在“背鰭支鰭骨插入椎骨相對(duì)位置”這一性狀上尚未完全分化。青海湖裸鯉與花斑裸鯉屬近緣種,且遺傳分化時(shí)間短[5],很可能在青海湖裸鯉快速成種后,其骨骼特征分化速度較慢,還處于分化階段。而花斑裸鯉一直以來(lái)被認(rèn)為是廣布種,具有廣泛的形態(tài)多態(tài)性和不同水系的遺傳分化[4,6],因而在青海湖裸鯉快速成種后,兩水系花斑裸鯉在頭部保留了原來(lái)的特征,支鰭骨相對(duì)于椎骨的位置卻呈現(xiàn)一定的多態(tài)性。

總之,魚(yú)類(lèi)的表型性狀深受環(huán)境壓力的影響,在長(zhǎng)期自然選擇條件下,一些環(huán)境適應(yīng)性特征往往會(huì)發(fā)生改變,而骨骼系統(tǒng),如椎骨數(shù)、鰭條數(shù)等則受環(huán)境壓力相對(duì)很小。因而采用幾何形態(tài)測(cè)量法與Micro CT掃描技術(shù)對(duì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)鑒定具有十分重要的意義,它比傳統(tǒng)測(cè)量方法更能精確分析形態(tài)特征。近年來(lái),現(xiàn)代幾何形態(tài)測(cè)量法已在裂腹魚(yú)上得到應(yīng)用,但Micro CT掃描技術(shù)卻是在花斑裸鯉為代表的裂腹魚(yú)上的首次嘗試,并發(fā)現(xiàn)了“背鰭支鰭骨相對(duì)于椎骨位置”這一性狀在裂腹魚(yú)亞科不同種群間存在顯著差異的特性。綜上所述,本研究豐富了花斑裸鯉不同地理種群間的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù),并在形態(tài)學(xué)角度為兩水系花斑裸鯉的分類(lèi)地位及種群生態(tài)學(xué)提供了理論支持。但若要清楚闡釋兩水系花斑裸鯉的進(jìn)化關(guān)系,真正厘清兩者形態(tài)異同的生態(tài)學(xué)機(jī)制還需結(jié)合更廣泛的分子數(shù)據(jù),挖掘更多有意義的核基因或簡(jiǎn)化基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究,同時(shí)“背鰭支鰭骨相對(duì)于椎骨位置”這一性狀是首次在裂腹魚(yú)類(lèi)上發(fā)現(xiàn),Micro CT也是首次應(yīng)用在裂腹魚(yú)類(lèi)的骨骼結(jié)構(gòu)研究中,今后可作為一種模式在裂腹魚(yú)類(lèi)上進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,建立裂腹魚(yú)類(lèi)特征數(shù)據(jù)庫(kù),判斷該性狀是否可作為裂腹魚(yú)類(lèi)的鑒別特征。

圖7 不同水系樣品背鰭支鰭骨與椎骨相對(duì)位置的部分展示圖Fig.7 The relative position of the dorsal fin branch bone and vertebra in different drainage of sample