角蟾亚科Megophryinae蝌蚪的分类学研究

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蝌蚪是无尾两栖动物的幼体,形态结构与成体完全不同;蝌蚪多在水中生活,经过变态发育,转变为陆地生活;它们是两栖动物生活史中的重要阶段,在分类学、系统学和生态学研究中都具有重要的作用和价值。目前,我国学者在蝌蚪的分类学、发育生物学、解剖学、表型可塑性及毒理学研究等方面取得了显著进步。然而,蝌蚪的深入研究也面临两个关键难题,一是蝌蚪的准确鉴定,这一直是一个分类学难题,以前的研究多以采集点来判断蝌蚪类群,且仅凭外部形态难以准确鉴定至种。二是蝌蚪形态和遗传均可反映物种的多样性和系统发育关系,但一直受限于技术手段,可以获取的蝌蚪分类性状较少。角蟾亚科(Megophryinae)隶属无尾目(Anura)角蟾科(Megophryidae),是无尾两栖动物当中古蛙类向新蛙类过渡的重要类群之一。现知76种,主要分布于东南亚区域,中国是该类群分布最丰富的国家,多达46种,特有种37种。目前学者们对该类群成体的系统进化和分类关注较多,表现在新种的不断发现,以及属级分类阶元的系统研究成果丰富,但分类系统争议较大,隐存种较多。角蟾亚科的蝌蚪因其外部形态特征较少,不易区分,研究难度较大,因而全面系统的研究较少。但该类群的蝌蚪具有漏斗状口器和超数尾椎骨等特殊性状,在进化研究上具有重要意义而备受关注。如何从蝌蚪角度发现新的分类性状,为基于成体的系统学研究提供蝌蚪方面的支持,并为完善现行分类体系提供新的证据成为角蟾亚科系统学研究的一个关键。本研究通过分子和形态学相结合,运用DNA条形码、扫描电子显微镜、Micro-CT扫描、传统形态学观察与比较等多种分类学技术手段,对角蟾亚科蝌蚪阶段的遗传、口咽腔结构、骨骼和外部形态进行了系统的分类学研究,旨在为该亚科物种蝌蚪阶段的形态特征分化、适应进化特点提供新的观点和证据,同时进一步阐明该亚科的物种多样性和系统发育关系,为角蟾亚科分类体系的建立和完善提供蝌蚪生活史阶段的新证据,并据此建立更为完善的分类检索工具。具体研究结果及结论如下:  (1)角蟾亚科蝌蚪的DNA条形码研究  本文共扩增并成功测序211条蝌蚪的16S序列和161条COI序列,并从Genebank下载相关物种序列,16S基因数据集共计491条序列,COI基因数据集共计286条序列。综合GMYC分析、ABGD分析、PTP分析、分子系统树的单系性检验及遗传距离分析,建议将本研究所采集的角蟾亚科蝌蚪样品区分为28个己知种及21个隐存种。由于COI基因扩增成功的序列少于16S基因序列,所以基于COI基因则建议识别出的己知种24个,隐存种18个。  本研究证明了DNA条形码技术相比形态学手段能够快速、准确和有效地进行蝌蚪鉴定。但不同的DNA条形码分析方法准确性有所差异,结果显示PTP分析、分子系统树和Singles-GMYC在该研究中界定的结果比较一致,而且从准确性和效率来看PTP分析更占优势;mPTP分析和Multi-GMYC相对比较保守,划分的物种数目远低于其他几种分析方法,而ABGD分析对16S基因划分的物种数明显多于其他几种分析方法,对COI基因划分的数目处于中等。种内及种间遗传距离分析发现,16S基因的平均种内遗传距离为0.7%,平均种间遗传距离为10.6%;COI基因的平均种内遗传距离为1.3%,平均种间遗传距离为18.5%;两种基因的种间遗传距离都超过了各自种内遗传距离的10倍;但16S基因的种内遗传距离与种间遗传距离有明显重叠,无明显DNA条形码间隙(Barcoding Gap),而COI基因存在明显的条形码间隙。因此,优先推荐COI基因作为此类群DNA条形码的标记基因,而16S基因作为辅助。  (2)基于成体和蝌蚪的角蟾亚科系统发育关系分析  依据12S+tRNAval+16S+COI串联的数据集共计510条序列对角蟾亚科的系统发育关系进行分析,BI树和ML树的结果支持将角蟾亚科划分为9个属或亚属,强烈支持短腿蟾属Brachytarsophrys、拟角蟾属Ophryophryne和无耳蟾属Atympanophrys的有效性,这与传统划分一致;支持将原来的角蟾属Megophrys划分为三个属(或亚属),即角蟾属Megophrys、Pelobatrachus和可能的隐存属1,其中角蟾属的物种仅来自爪哇岛;Pelobatrachus来自婆罗洲,可能的隐存属1来自马来半岛;同时支持将原来的异角蟾属划分为至少3个属(或亚属),即异角蟾属(Xenophrys)、Panophrys和可能的隐存属2;这三个属(或亚属)的物种全部来自中国、中南半岛和喜马拉雅山脉以南的区域。  (3)角蟾亚科蝌蚪的外部形态特征比较研究  结合分子鉴定结果,对1074号角蟾亚科蝌蚪的出水孔、眼和肛孔3者的位置、体色、体形、尾肌强弱、口器形状、鳍的形状高低、腹部斑纹等外部形态特征进行系统测量、描述和比较,最终将所有样品划分为28个己知种,21个隐存种。同时,本文结合文献资料对隶属6个己知属(或亚属)和1个隐存属共计34个已知种和标本数量较多的15个隐存种的蝌蚪进行了比较研究。结果支持分子系统发育分析的划分建议,蝌蚪外部形态在属间差异明显,属内特征总体一致但也有区别;一方面,属间差异主要体现在口漏斗的大小、口的方位、口内乳突形状和数目、腹部斑纹、尾部斑纹及尾末端形态方面;另一方面,属内各物种蝌蚪除了在属间特征中有细微差异外,同时差异还体现在尾肌发达程度、神经丘是否可见等。这些特征可以作为蝌蚪分类体系建立的重要依据。  (4)角蟾亚科蝌蚪的口咽腔结构研究  本文对角蟾亚科6属(或亚属)21个代表性物种的口咽腔结构进行了全面系统的比较研究,其中新划分出的异角蟾属为首次研究,并且各属共计9个已知种和2个隐存种为首次研究,结果显示角蟾亚科蝌蚪的口咽腔结构在短腿蟾属、无耳蟾属、拟角蟾属、Pelobatrachus、异角蟾属和Panophrys的特征在属内总体比较一致,属间差异极大,此结果与分子结果较为一致;属间差异主要体现于舌原基的显著程度、鼻前中突与侧嵴的连接程度、侧嵴延伸情况、中嵴形状、口咽腔底场和口咽腔顶场形状等特征;而在不同物种间,鼻前嵴形状、鼻前场疱粒多少、侧嵴形状和延伸情况、口咽腔顶场和底场形状、疱粒的多少及其分布以及角质颌的颌鞘形状排列等存在细微差异,根据以上相对稳定的差异可以判断蝌蚪的属级甚至物种归隶,并建议作为角蟾亚科蝌蚪的新的鉴别依据。  (5)角蟾亚科蝌蚪的超数尾椎骨研究  本文以角蟾亚科及部分掌突蟾亚科共计782个蝌蚪为研究对象进行超数尾椎骨的研究,样品覆盖2亚科6属(或亚属),31个已知种,21个隐存种。其中,无耳蟾属和短腿蟾属为首次报道,各属共计22个已知种及全部隐存种为首次研究。同时结合参考文献对8属38个己知种和21个隐存种的超数尾椎骨进行了分属比较。硬软骨双染色技术和Micro-CT扫描技术的对比研究结果显示Micro-CT扫描技术对于蝌蚪脊椎骨的研究是一种快速、无损和可靠的技术,该方法可以有效提高标本的利用率和保护珍贵标本。扫描电压在各参数中尤为重要,扫描图片质量因保存液而异,本文推荐中等强度参数用于CT扫描,建议扫描的标本用酒精保存以得到更好的扫描结果;蝌蚪的超数尾椎骨一般出现于25期之后,超数尾椎骨数目在变态高峰期前随着发育期增加而增多,然后出现一个平台期,最后被吸收;该结构在角蟾亚科和掌突蟾蟾亚科各物种中普遍存在,结合进化树分析显示超数尾椎骨数目在亲缘关系较远的属间差异极显著(p<0.001),而在亲缘关系较近的类群中差异不显著(p>0.05),其中无耳蟾属最少,数目为0~6枚,短腿蟾属为0~9枚,角蟾属和Pelobatrachus为0~14枚,拟角蟾属为O~15枚,异角蟾属为0~15枚,Panophrys为0~16,这间接反映了角蟾亚科的系统发育关系,并与以上形态及分子结果相互印证,支持分子系统发育分析划分的结果。依据超数尾椎骨在属间的变异情况,超数尾椎骨数目最少的应为该亚科的祖先类群,支持无耳蟾属和短腿蟾属这一大支系为角蟾亚科的基部支系,因此推测角蟾亚科系统发育关系的最佳拓扑结构为:((无耳蟾属,短腿蟾属),((角蟾属,Pelobatrachus),((拟角蟾属,Panophrys),异角蟾属)))))。  (6)角蟾亚科的分类学建议  综合分子和形态学研究结果建议将角蟾亚科划分9个属或亚属,即支持短腿蟾属Brachytarsophrys、拟角蟾属Ophryophryne、无耳蟾属Atympanophrys、角蟾属Megophrys、Pelobatrachus、异角蟾属Xenophrys、Panophrys7属或亚属的成立,另外两隐存属由于形态数据有限暂不予讨论,需要增加更多数据进一步研究。  (7)角蟾亚科蝌蚪的分类系统修订  综合分子和形态研究结果,基于新增的蝌蚪口咽腔结构及超数尾椎骨特征并补充新增物种,本文对角蟾亚科蝌蚪的分类系统检索表进行了全面修订,将角蟾亚科蝌蚪的分类检索表由原来的3属更正并增加为现在6属(或亚属),无耳蟾属、异角蟾属、Panophrys和Pelobatrachus为新增属(或亚属),物种由原来的25种更正并增加至35种;原来的短腿蟾属和拟角蟾属不变,只是这两属分别增加了2个物种和1个物种;原来的角蟾属更正并划分为现在的3属(或亚属),即无耳蟾属、异角蟾属和Panophrys,新增物种7种,原来检索表中有4种蝌蚪由于缺乏分子数据佐证暂且去除;而真正的角蟾属目前分布于国外且暂无蝌蚪参考资料,故未加入检索表。
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