中國盤腹蟻屬19 種螞蟻的形態測量學研究

段加煥，徐正會，張新民

(西南林業大學生物多樣性保護學院，云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224)

螞蟻是陸地上最常見的昆蟲，也是評價生態環境質量和生物多樣性的重要指示生物[1]。目前全世界已記載16 亞科346 屬14 110 種[2]。隨著研究的不斷深入，種類不斷增加，研究學科和方向也不斷擴展，可橫跨分類學、生態學和生物學等[3]。螞蟻具有重要的生態和經濟價值，在生態系統中占據著重要的位置，但有些螞蟻也會帶來危害，例如入侵性的螞蟻會占領、破壞入侵地的生態環境和資源，有些則可能傳播病毒或通過取食植物根莖造成經濟損失[1,4-5]。近年來，國內學者對螞蟻的研究取得了很大的進步，尤其在分類、多樣性和分布格局等方面[6-13]，但總體來說與西方發達國家還有一定的差距，有待進一步深入研究。

盤腹蟻屬（AphaenogasterMayr），隸屬于膜翅目（Hymenoptera）、蟻科（Formincidae）、切葉蟻亞科（Myrmicinae）[14]，于1853 年由科學家Mayr 建立。截至目前，盤腹蟻屬全世界有效命名206 種[1]，國內記錄31 種[15]。該屬已知的大多數物種主要來自北半球，以古北區最多，東洋區次之[16-19]，許多種類均是落葉林和針葉林中的常見種或優勢種[19-20]。

形態測量學（morphometrics）是對某一性狀定量描述和分析的一種統計研究方法。該方法能夠定量表現昆蟲的某些特征值，利用因子分析、主成分分析和聚類分析等相結合的統計學方法，對物種進行分類和系統發育分析。例如谷博[21]、黃海燕[22-23]、張榮嬌[24]、Weiseri & Kaspari[25]、Hazarika[26]和Samung[27]等利用形態測量學方法對蟻科昆蟲進行了研究，發現該方法有助于厘定已知的螞蟻種類及有效分區形態相似的物種。Cs?sz 等用分子系統學和形態測量學方法對盤腹蟻屬A.swammerdami組群進行分析，基于系統聚類將該組群聚劃分成5 組，并發表了3 個新種[28]。由此可見，形態測量學方法在蟻科昆蟲的分類中具有重要價值。

本研究以分布于中國的19 種盤腹蟻屬螞蟻作為研究材料，選取14 個形態特征為變量，通過因子分析、主成分分析和聚類分析，對該類群進行了形態測量學研究，區分近緣種類，以期為該屬螞蟻的分類提供新的信息。

1 材料與方法

1.1 研究材料

研究材料來源于本文作者采集的標本和實驗室多年積累的標本，所有實驗標本均收藏于西南林業大學標本館。

1.2 研究方法

1.2.1 標本的采集及制作 所用的螞蟻標本是前期研究時通過樣地調查法和搜索調查法采集[1,29]，采集時標本儲存于裝有無水乙醇的2 mL 凍存管內。之后通過清洗標本→初步分類→顯微鏡下初步整姿→用中性樹膠粘在三角紙上→再次調整螞蟻姿態→書寫標簽等步驟，將其制作成針插標本，備用。

1.2.2 形態測量 螞蟻標本的測量使用SOPTOP SZM 連續變倍體視顯微鏡。具體步驟：打開顯微鏡，旋轉目鏡使測微尺水平→調節最合適的倍數→將標本插于泡沫紙板→顯微鏡下觀察，移動泡沫板，使測量部位與目鏡測微尺在同一水平面→讀出測量數值→記錄。為減少實驗測量誤差，每個形態特征值重復測量3 次后取平均值，精確度為0.01 mm。以此方法測量盤腹蟻屬19 種螞蟻14 個形態特征值，每個物種各測量5 頭標本。14 個形態特征分別為體長（TL）、頭長（HL）、頭寬（HW）、觸角柄節長（SL）、前胸背板寬（PW）、胸長（MSL）、腹柄寬（DPW）、腹柄長（PL）、腹柄高（PH）、頭比（CI）、觸角柄節比（SI1）、觸角柄節比（SI2）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比（DPI），測量內容以及標準參考了Borowiec &Salata[30]、Salata & Borowiec[31]，Salata 等[18]以及Cs?sz 等[28]等（表1）。

表1 盤腹蟻屬螞蟻的14 種性狀Table 1 Measured 14 morphological characters of the genus Aphaenogaster

1.2.3 原始數據標準化 為了消除數據單位不同、自身變異或數值相差較大所造成的影響，使用SPSS 26.0 軟件將原始數據進行標準化處理，得到無單位的矩陣。

1.2.4 數據分析方法 因子分析：將具有一定相關關系的多個變量綜合為幾個因子，是一種處理多變量問題的常用統計方法[21]。以每個變量作為一個因子，運用SPSS 26.0 軟件以“降維”的模式進行因子分析。

主成分分析：在不丟失大量信息的前提下，利用多個變量之間的相關性，通過降維技術，用少數的變量來代替多個變量的統計分析方法[32]。當因子間具備一定相關性時，通過研究眾多因子之間的內部依賴關系，提取主成分，運用SPSS 26.0 軟件以主成分的因子得分制作三維散點圖。

系統聚類分析：按照一定的數據連接規則和一定的層次結構將數據聚合，形成一個層次的聚類，從而辨別各種群之間的親疏關系[33]。本文選擇SPSS 26.0 軟件中的系統聚類方法，以平方歐氏距離為距離度量，選擇離差平方和為法聚類規則，得出19 種盤腹蟻屬螞蟻的系統聚類樹狀圖。

2 結果與分析

2.1 測量結果

將盤腹蟻屬19 種螞蟻標本的14 個形態特征測量結果用Excel 進行處理（n=5），取每種螞蟻各性狀的平均值（表2）。

表2 盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態特征值的平均值Table 2 The average value of 14 morphological characteristics of 19 species of the genus Aphaenogaster

2.2 原始數據標準化

將盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態特征值的平均值運用SPSS 26.0 軟件進行標準化處理的結果（表3）。

表3 盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態特征值的平均值標準化處理結果Table 3 The average of standardized results from14 morphological characteristic values in the 19 studied Aphaenogaster species

2.3 因子分析

選取盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態特征為變量，運用SPSS 26.0 軟件進行因子分析（表4～6）。

表4 KMO 和Bartlett 檢驗Table 4 KMO and Bartlett's Test

KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗統計量可以檢驗各個變量是否各自獨立。由表4 可知，KMO=0.61＞0.6 時，原有變量滿足因子分析的前提條件，說明可做因子分析。Bartlett's 球狀檢驗結果顯示：顯著性=0＜0.05，說明各變量間具有很強的相關性，因子分析有效。

第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分的特征值分別為：6.14、4.52、1.28、1.04，這4 個成分各自累計值都超過1，其余成分的累計值都遠小于1，有的成分累計值接近或等于1；第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分的貢獻率分別為43.84%，32.35%、9.14%、7.43%；這4 個成分累積貢獻率達到92.76%，因子分析效果理想（表5）。由此可見，抽取這4 個成分可以綜合反映14 個形態特征值，能夠涵蓋大多數變量的基本信息，同時也可分析得到4 個主成分的因子負荷值（表5）。

表5 盤腹蟻屬19 種螞蟻的14 個形態特征值的總方差解釋Table 5 Interpretation of the total variance of 14 morphological characteristic values of 19 species of the genus Aphaenogaster

由表6 可知，盤腹蟻屬19 種螞蟻中第1 主成分的負荷值較第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分大，且第1 主成分各變量間負荷值大多相差較大，少部分變量間負荷值相差較小，說明第1 主成分能夠較好的反應14 個形態特征值，但并不能反應全部形態特征值，有必要進行進一步的分析。在第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分中，具有最大因子負荷值的性狀分別是胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI），所以第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分和第4 主成分分別由胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI），同時，由于腹柄長寬比（LPI）是腹柄長（PL）與腹柄寬（DPW）的比值，所以第3 主成分在一定程度上間接受到了腹柄長（PL）與腹柄寬（DPW）的影響，同理，第4 主成分受到了腹柄長（PL）與腹柄高（PH）的影響。

表6 盤腹蟻屬19 種螞蟻的形態特征主成分負荷值Table 6 Loading of principal components on the morphological characteristics of 19 species of the genus Aphaenogaster

2.4 主成分分析

根據因子分析結果，計算主成分特征向量負荷值，然后根據主成分特征向量負荷值計算（表7）4 個主成分的得分，表達式中Z 表示標準化后的變量。主成分的表達式如下：

表7 特征向量矩陣Table 7 The matrix of feature vector

Y1=0.31×ZHL - 0.06×ZHW + 0.36×ZSL -0.27×ZCI + 0.28×ZSI1+ 0.27×ZSI2+ 0.34×TL +0.39×ZMSL + 0.31×ZPL + 0.10×ZPH + 0.06×ZPW +0.19×ZDPW + 0.29×ZLPI + 0.24×ZDPI

Y2=0.21×ZHL + 0.45×ZHW - 0.12×ZSL +0.33×ZCI - 0.33×ZSI1- 0.28×ZSI2+ 0.20×TL +0.07×ZMSL + 0.21×ZPL + 0.37×ZPH + 0.38×ZPW +0.28×ZDPW - 0.04×ZLPI + 0.02×ZDPI

Y3=0.19×ZHL + 0.16×ZHW + 0.30×ZSL +0.02×ZCI + 0.09×ZSI1+ 0.28×ZSI2+ 0.22×TL +0.15×ZMSL - 0.39×ZPL + 0.15×ZPH + 0.04×ZPW -0.10×ZDPW - 0.54×ZLPI - 0.46×ZDPI

Y4= - 0.08×ZHL - 0.04×ZHW + 0.02×ZSL +0.02×ZCI - 0.04×ZSI1+ 0.06×ZSI2+ 0.01×TL +0.03×ZMSL + 0.05×ZPL + 0.45×ZPH - 0.04×ZPW -0.56×ZDPW - 0.31×ZLPI + 0.60×DPI

在上述表達式中各變量是標準化變量，負荷值的絕對值越大，貢獻也就越大；根據表7，結合主成分的表達式可得到19 種螞蟻4 個主成分的得分。

胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI）是主要性狀。此外，柄節長（SL）、柄節比（SI1）和腹柄高（PH）3 個性狀對數據有著間接的影響。這7 個性狀基本涵蓋了所涉及的14 個性狀特征，利用上述主要性狀能夠明顯區分19 種螞蟻。由于第1 主成分、第2 主成分、第3 主成分的累積貢獻率為85.33%，超過了85%，且第4 主成分形態特征負荷值大多小于0.1，所以本文選取了1 主成分、第2 主成分、第3 主成分的因子得分數據制作三維散點圖（圖1）。

圖1 盤腹蟻屬19 種螞蟻形態測量學主成分得分三維散點圖Fig.1 Three-dimensional scatter plot of principal component scores of 19 species of the genus of Aphaenogaster

從主成分的三維散點分布圖（圖1）可以看出，以第1 主成分、第2 主成分和第3 主成分構成的散點圖能夠較明顯區分盤腹蟻屬19 種螞蟻，但費氏盤腹蟻和王天盤腹蟻存在重疊現象；包公盤腹蟻、貝卡盤腹蟻和小刺盤腹與其他幾組分開最遠。此外，散點圖總體表現為形態相似的物種其散點分布是相互靠近的，而那些形態相差較大的物種，其散點分布也呈現出不同程度的遠離。由此可見，以3 個主成分做出的散點圖能夠將19 種螞蟻區分開。

2.5 系統聚類分析

基于歐式距離，利用SPSS 26.0 軟件，以14 個性狀為變量，對盤腹蟻屬19 種螞蟻進行系統聚類分析。由圖2 可知，以20 為標度將盤腹蟻屬19 種螞蟻聚成了2 個大支。費氏盤腹蟻、王天盤腹蟻、包公盤腹蟻、貝卡盤腹蟻和小刺盤腹蟻聚成1 支，其余14 種聚成1 支。以15 為標度則被聚成了4 支。第一支有舒爾盤腹蟻、雕刻盤腹蟻和角盤腹蟻等9 個種；第二支有5 種，分別為史氏盤腹蟻、韋氏盤腹蟻、王爺盤腹蟻、塞奇盤腹蟻和西藏盤腹蟻；第三支只有費氏盤腹蟻和王天盤腹蟻兩種；第四支有包公盤腹蟻、貝卡盤腹蟻和小刺盤腹蟻3 種。根據系統聚類樹狀圖中的種間距離判斷彼此間的親緣關系得出：第一支與第二支的相似度最高，親緣關系最近；與第三支的相似度次之，親緣關系較遠；與第四支的相似度最低，親緣關系最遠。同理，第三和第四支之間的親緣關系最近。各支種間相似度最高，親緣關系最近，與其他支的物種親緣關系最遠。結果表明：形態特征相似的種類會聚到一起，距離越近，親緣關系越近。

圖2 盤腹蟻屬19 種螞蟻系統聚類Fig.2 Systematic clustering of 19 species of the genus of Aphaenogaster

3 討論

本文選取19 種盤腹蟻的14 個形態特征值作為變量，通過因子分析和主成分分析，抽取了胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI）4 個成分進行綜合分析，4 個主成分累積貢獻率達到了92.76%，說明因子分析效果明顯。而張榮嬌在研究厚結猛蟻屬13 種的時候，抽取的主成分是頭長（HL），頭寬（HW），頭比（CI），觸角柄節比（SI）[24]；谷博在中國蟻亞科形態測量學研究中抽取的主成分為體長（TL）、觸角柄節比（SI）、前胸比（PI）[21]。不同類群的螞蟻由于形態特征、棲息生境等方面存在較大差異，導致了不同類群分類由不同的性狀特征所決定。雖然各類群所抽取的主成分不同，但均可以實現區分物種的目的，因此我們認為形態測量學的研究在物種分類方面具有一定的價值，可以在其它類群間推廣應用。

盤腹蟻屬19 種螞蟻系統聚類結果與主成分得分散點圖結果基本一致，與傳統的形態分類的結果大致吻合。根據系統聚類結果費氏盤腹蟻、王天盤腹蟻、包公盤腹蟻、貝卡盤腹蟻和小刺盤腹蟻5 種頭在復眼后明顯收縮延伸的物種，具有更近的親緣關系，這與傳統形態分類結果十分符合；溫雅盤腹蟻和角盤腹蟻以及西藏盤腹蟻和塞奇盤腹蟻等在形態特征上較相似的物種，在系統聚類結果和主成分得分散點圖上也均表現出較近的親緣關系，且散點圖上它們均未出現重疊現象，由此可見，形態測量方法物種分類、區分相似種、研究物種間親緣關系等方面具有一定價值。系統聚類結果中史氏盤腹蟻和王爺盤腹蟻的親緣關系要比王爺盤腹蟻和韋氏盤腹蟻更近，而在散點圖中，史氏盤腹蟻距離王爺盤腹蟻和韋氏盤腹蟻要更遠，與系統聚類結果存在微小差異；同樣，大林盤腹蟻在系統聚類中的親緣關系與凱氏盤腹蟻、風伯盤腹蟻和玄天盤腹蟻要比家盤腹蟻、角盤腹蟻、溫雅盤腹蟻和雕刻盤腹蟻更近，在散點圖中，大林盤腹蟻與角盤腹蟻、溫雅盤腹蟻和雕刻盤腹蟻的距離比較接近，沒有顯示出與凱氏盤腹蟻、風伯盤腹蟻和玄天盤腹蟻的親緣關系更近。本研究分析認為，產生此種現象的原因可能是由于標本來源多樣化導致的，即同一種螞蟻，由于生境的不同導致了外部形態差異以及測量過程中可能存在視覺誤差，致使個別性狀測量結果具有一定誤差，影響了數據的分析，但總體上與形態分類結果一致。

總體而言，形態特征測量值能夠對昆蟲外部形態的細微變異結構進行量化分析，可以反映物種在生態學和系統發育史上的差異，從而區分同源類群[25]。黃海燕[22-23]、張榮嬌[24]、谷博[21]、Weiseri &Kaspari[25]、Cs?sz等[28]、Hazarika[26]和Samung[27]等都采用了形態測量學的方法開展了相關的研究，均證明該方法可用于螞蟻物種分類。形態測量學方法對物種分類、區分相似種、研究物種間親緣關系等方面均具有重要意義。但是同一種螞蟻的形態特征是由內在基因和外部環境共同決定的，形態測量學不能對螞蟻的外部特征進行完整描述和數據統計，不能單一的使用形態測量學進行分類學研究，需要同傳統形態學方法相結合，才能進一步確定螞蟻的分類地位。

4 結論

19 種盤腹蟻在14 個性狀變量上存在差異，主要表現在胸長（MSL）、頭寬（HW）、腹柄長寬比（LPI）和腹柄長高比 （DPI）這4 個性狀上，這4 個性狀基本涵蓋該屬19 種螞蟻形態測量學研究中所涉及的14 個性狀特征；主成分得分散點圖能夠明顯區分該屬19 種螞蟻；通過系統聚類，將盤腹蟻屬19 種螞蟻分為4 支，第一支與第二支的相似度最高，親緣關系最近，與第四支的相似度最低，親緣關系最遠；各支種間親緣關系則最近，與其他支的種親緣關系最遠，其結果與主成分得分散點圖的聚類情況以及形態特征分類結果基本一致。運用形態測量學方法對蟻科昆蟲進行物種分類鑒定是可行的，具有重要應用前景，可為分類鑒定提供新的方法。