急流水螨背腺毛腺孔位置的幾何形態測量學研究

蔡福玲，郭建軍，古欣瑤,2*

(1.貴州大學 昆蟲研究所/農業農村部貴陽作物有害生物科學觀測實驗站，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 動物科學學院，貴州 貴陽 550025)

急流水螨科Torrenticolidae隸屬于蜱螨亞綱Acari，絨螨目Trombidiformes，寄殖螨股Parasitengonina，水螨亞股Hydrachnidiae，腺水螨總科Lebertioidea[1]。截至2020年12月，急流水螨科共計2亞科7屬11亞屬605種[2]。急流水螨科屬和亞屬主要分類特征一直存在較大爭議，不少水螨分類學者對急流水螨科進行了分類研究并形成了不同的分類體系[3]。目前，急流水螨存在可用分類性狀較少，研究方法單一，分類進程相對滯后等問題，導致急流水螨物種鑒定的可信度偏低，同物異名現象嚴重[4]。同時，由于水螨的常規保存液Koenike氏液中含有冰醋酸，致使分子數據提取極難，即分子生物技術在水螨分類的應用中受樣本類型的限制[5]。因而，急需增加新的分類性狀及分類方法來進行整合分類研究，進而提高其分類鑒定的準確性，完善其分類體系。而幾何形態測量學就是一個很好的補充方法[6]。

幾何形態測量學是將生物體形態信息轉化為數字信息[7]，以便對物體形態進行統計分析的方法[8]，該方法能直觀準確地展現不同生物體種間的微小形態差異[9]。目前幾何形態測量學已被研究者廣泛應用于物種分類和系統發育，如劉媛等[10]運用幾何形態測量學方法將兩個近緣種葉片形狀量化，揭示其親緣關系；陳楠樺等[11]運用幾何形態測量學方法進行物種分類鑒定，研究4種濱螺的形態差異和系統發育關系；鄧維安等[12]對蚱類昆蟲前胸背板進行幾何形態測量學分析，以前胸背板形態特征作為蚱類昆蟲的種間分類依據；也有學者將幾何形態測量學應用于水生動物研究[13]，充分證實幾何形態測量學的可行性，而在急流水螨類群中此方面的研究相對較少，僅Becerra和Valdecasas基于急流水螨腹板結構位點初步探索了幾何形態測量學在急流水螨分類研究中應用的可行性[14]。

水螨各類群科級甚至屬級單元的腺毛分布體位十分穩定，因此背腺毛對于研究水螨類群的系統發育關系具有重要意義[15]，然而在水螨分類研究中卻很少使用背腺毛。因此，本文選取急流水螨背腺毛腺孔位置形態作為研究對象，采用幾何形態測量學的方法，對采集的急流水螨背板圖像進行標點轉化，將背腺毛腺孔位置形態信息轉換為數字信息，并利用主成分分析、典型變量分析、聚類分析等方法進行相關分析，以明確急流水螨背腺毛腺孔位置的形態變異趨勢和屬間差異顯著性，探索幾何形態測量學用于急流水螨分類研究的可行性及背腺毛作為分類性狀的可用性，以期為急流水螨乃至整個水螨類群的分類研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究材料

1.1.1數據來源

本研究所用數據材料來源于作者拍攝的標本實物圖片、手繪特征圖以及從已發表的文獻中獲取的清晰背板特征圖，共計獲得2亞科7屬11亞屬59種129個急流水螨樣本，樣本信息詳見表1。

表1 急流水螨樣本信息Tab.1 The sample information of Torrenticolidae

續表1

續表1

1.1.2儀器設備

數碼顯微鏡成像系統(顯微鏡Nikon ECLIPSE Ni配置Nikon DS-Ri 2拍照系統)(日本，尼康)。

1.1.3分析軟件

tpsUtil 1.62、tpsDig 2.31、tpsSmall 1.33、tpsSuper 2.05、MorphoJ 1.06d、ImageJ 1.48V、NTsys 2.10e、Adobe Photoshop CC2018。

1.2 研究方法

1.2.1圖像采集

對所研究標本進行解剖、鑒定后，將玻片置于數碼顯微鏡成像系統下，采集特征圖片，保存圖片為.jpg格式；同時通過查閱文獻，收集文獻中急流水螨的背腺毛腺孔位置形態(正面觀)的照片或手繪特征圖。將所有待研究圖片保存至同一文件夾內即可完成圖像采集。

1.2.2圖像標點

將文件夾中的.jpg格式圖片正確命名后，利用tpsUtil 1.62軟件，創建tps文件；將tps文件導入tpsDig 2.31軟件進行圖像標點。本研究對急流水螨4對背腺毛(D1、D2、D3、D4)腺孔進行標點(圖1)，所有圖片標點順序保存一致即可。

圖1 背腺毛腺孔標記圖Fig.1 Marking picture of dorsalglandular pore

1.2.3相關性檢驗

利用tpsSmall 1.33軟件對樣本形態原始數據內部相關性進行檢驗，通過該軟件，可獲取數據散點圖，以及相關系數信息，初步判斷是否適合進行后續分析。

1.2.4相關分析

使用MorphoJ 1.06d軟件，對急流水螨背腺毛腺孔位置的標記點進行疊印處理，獲取全部樣本4對背腺毛腺孔位置形態的疊印圖，并通過ImageJ 1.48V創建Outline文件；將標點后的tps文件和Outline文件導入MorphoJ 1.06d軟件中進行主成分分析(Principal Component Analysis)，明確其腺孔位置形態特征的主成分及其變異趨勢；同時在PCA的基礎上，進行典型變量分析(Canonical Variate Analysis)，以馬氏距離(Mahalanobis distance)來評估急流水螨屬間背腺毛腺孔位置形態差異的顯著程度。并運用tps-Super 2.05軟件計算各樣本間普氏距離(Procrustes distance)，并基于普氏距離矩陣，通過軟件NTsys 2.10e，利用UPGMA法進行聚類分析。將分析結果輸出后，利用Adobe Photoshop CC2018進行注解。

2 結果與分析

2.1 主成分分析

測試急流水螨背腺毛腺孔位置形態數據集轉換前后數據相關性系數為0.999997。經過主成分分析，獲得12個主成分(各主成分變異量見表2)。前3個主成分PC1、PC2、PC3分別占總變異的49.765%、23.071%、15.005%，共占總變異的87.842%。用第1主成分(49.765%)作為橫坐標，分別用第2主成分(23.071%)、第3主成分(15.005%)作為縱坐標，獲得背腺毛腺孔位置變異的主成分散點圖(圖2；圖3)。

表2 急流水螨背腺毛腺孔位置差異主成分分析結果Tab.2 PCA of variation among the position change of dorsalglandular pore of Torrenticolidae

在PC1 vs PC2散點圖中，不同的圖形代表不同的屬，不同的點代表不同的樣本，具有相似背腺毛腺孔位置形態的樣本在圖中分布位置相對較近，即圖中聚合到一起的樣本點代表的背腺毛腺孔位置形態相似。圖2、圖3中，急流水螨分別沿PC1、PC2、PC3方向分布于坐標(-0.2，0.2)范圍內。其中，龜水螨亞科的龜水螨屬Testudacarus與貝氏急流水螨屬Debsacarus聚集在右上方，而急流水螨亞科的各屬聚集在散點圖中部靠左側。

圖2 急流水螨背腺毛腺孔位置形態變異的主成分分析散點圖(PC1 vs PC2)Fig.2 Scatter plots of the position change of dorsalglandular pore of Torrenticolidae(PC1 vs PC2)

圖3 急流水螨背腺毛腺孔位置變異的主成分分析散點圖(PC1 vs PC3)Fig.3 Scatter plots of the position change of dorsalglandular pore of Torrenticolidae (PC1 vs PC3)

將PC1、PC2、PC3主成分可視化后的具體情況如圖4所示。由圖4可知：PC1代表的是D2由靠近螨體外側向螨體中部移動的變化；PC2代表的是D1由螨體內側向螨體外側移動的變化；PC3代表的是D4由螨體后部向螨體中部前移。同時，結合主成分分析的散點圖可知，龜水螨亞科的物種D2比急流水螨亞科的物種腺孔位置更靠近螨體中心，而D1反之，較急流水螨亞科物種更靠近外側。

圖4 急流水螨背腺毛腺孔位置變異模式：從左到右，對應著相應主成分軸上尺度-0.2和0.2的圖形Fig.4 Patterns of diversification in the position of dorsalglandular pore in Torrenticolidae:for each PC,the diagrams to the left and right show the shape for a score of -0.2 and 0.2 respectively

2.2 典型變量分析

對急流水螨7個屬的背腺毛腺孔位置進行CVA分析，探討急流水螨屬間背腺毛腺孔位置形態差異的大小，其結果見圖5。

圖5 急流水螨7屬間背腺毛腺孔位置的典型變量分析散點圖(CV1 vs CV2)Fig.5 Scatter plots of the variations of dorsalglandular pore position among 7 genera of Torrenticolidae (CV1 vs CV2)

由圖5可知，龜水螨亞科的龜水螨屬Testudacarus與貝氏急流水螨屬Debsacarus聚集在坐標的最右側，急流水螨亞科各屬聚集在左側。這與PCA結果相一致。因此，急流水螨的背腺毛腺孔著生的相對位置在亞科階元就具有明顯的差別。各屬間雖具有交叉現象，但仍具有明顯的聚集現象。

急流水螨科7屬間背腺毛腺孔位置的馬氏距離比較結果和馬氏距離P值(基于10 000次重復)比較結果見表3、表4。

由表3可知，貝氏急流水螨屬Debsacarus(A)與冥急流水螨屬Stygotorrenticola(E)馬氏距離最大，表明兩者的背腺毛腺孔位置形態差異最大；新曲水螨屬Neoatractides(C)與擬急流水螨屬Pseudotorrenticola(D)馬氏距離最小，表明兩者的背腺毛腺孔位置形態差異最小。由表4可知，急流水螨科7屬間背腺毛腺孔位置馬氏距離P值兩兩比較均為P﹤0.05，具有統計學意義。綜上可知：急流水螨科7屬間背腺毛腺孔位置形態差異均顯著。

表3 急流水螨科7屬間背腺毛腺孔位置的馬氏距離比較(基于10 000次重復)Tab.3 Comparison of the position change of dorsalglandular pore in 7 genera of Torrenticolidae based on the Mahalanobis distance (based on 10 000 permutation rounds)

表4 急流水螨7屬間背腺毛腺孔位置的馬氏距離顯著性比較(10 000次重復)Tab.4 Position change of dorsalglandular pore in 7 genera of Torrenticolidae based on the Mahalanobis distance significant test (based on 10 000 permutation rounds)

2.3 聚類分析

根據各屬、各亞屬背腺毛腺孔位置的平均形態數據計算普氏距離，基于普氏距離矩陣，運用UPGMA法構建屬間背腺毛腺孔位置的表型樹(圖6)。

圖6 基于普氏距離的急流水螨科7屬間背腺毛腺孔位置的表型樹Fig.6 Phonetic tree of dorsalglandular pore position among 7 genera of Torrenticolidae based on Procrustes distance

由圖6可知，屬間背腺毛腺孔位置表型樹可分為兩大支：(1)急流水螨亞科各屬為1支，其中單曲跗螨屬Monatractides與急流水螨屬Torrenticola距離最近，表明兩者背腺毛腺孔位置的結構最為相似。(2)龜水螨亞科的龜水螨屬Testudacarus與貝氏急流水螨屬Debsacarus為1支，與形態學結果相一致。

綜合CVA散點圖、馬氏距離比較分析及聚類分析結果，初步明確了幾何形態測量學的方法在急流水螨分類研究中應用的可行性，同時可利用背腺毛腺孔位置特征對急流水螨高級階元進行分類研究。

3 結論與討論

本研究通過幾何形態測量學方法，對急流水螨2亞科7屬11亞屬59種129個急流水螨樣本進行相關分析，結果表明，急流水螨科7屬間背腺毛腺孔位置形態差異顯著。其中主成分分析結果表明急流水螨亞科和龜水螨亞科的背腺毛腺孔位置相對螨體中心的距離有區別，龜水螨亞科的物種D2比急流水螨亞科的物種腺孔位置更靠近螨體中心，而D1反之，較急流水螨亞科物種更靠近外側，即2亞科的背腺毛腺孔位置形態有差異，且D1和D2的位置特征起主要分類作用；典型變量分析可得急流水螨2亞科的腺孔位置形態差異顯著，與主成分分析結果吻合，且其屬間腺孔位置有明顯的聚集現象，比較分析其屬間腺孔位置的馬氏距離，結果表明急流水螨7屬間背腺毛腺孔位置形態差異均顯著；在聚類分析中，具有相似結構特征的屬種聚集在一起，表明可通過聚類分析來判斷所分析的特征間的相似度及屬種間的親緣關系[41]。綜上可得：幾何形態測量學可用于急流水螨的分類研究，且背腺毛腺孔位置形態特征可作為其屬級階元的分類依據。

關于急流水螨的幾何形態測量學分析，僅有Becerra和Valdecasas基于急流水螨腹板結構位點初步探索了幾何形態測量學在急流水螨分類研究中應用的可行性[14]。本研究也再次驗證了這一結論，這與幾何形態測量學在切葉蜂[42]、庫蠓[41]、癭螨[43]等類群的研究結果相一致。本研究雖取得了部分階段性成果，但也存在一定的不足之處：部分屬的樣本數量較少，代表性較弱，如：冥急流水螨屬Stygotorrenticola和貝氏急流水螨屬Debsacarus。但這是由于急流水螨科超過90%的已知種集中于急流水螨屬Torrenticola與單曲跗螨屬Monatractides，存在較多的單種屬及單種亞屬的緣故；同時，部分屬物種由于建立時間過早，缺少清晰可用的特征圖，針對這部分屬物種，本研究已包含所有含雌雄兩性標本的可利用樣本，共計2亞科7屬11亞屬59種129個急流水螨樣本，其中包括：急流水螨屬Torrenticola47個樣本、單曲跗螨屬Monatractides31個樣本，寡種屬新曲水螨屬Neoatractides、擬急流水螨屬Pseudotorrenticola、龜水螨屬Testudacarus樣本數分別為23個、12個、12個，而單種屬冥急流水螨屬Stygotorrenticola和貝氏急流水螨屬Debsacarus各具有2個樣本。盡管本研究使用了所有可用的樣本，但其代表性仍然較弱，因而本文僅是利用幾何形態測量學對急流水螨形態特征比較分析初步探索，在未來的研究中需要進一步完善，以期為幾何形態測量學在急流水螨分類工作中的應用提供更為精準的論據，促進急流水螨乃至整個水螨分類的快速發展。