METHODS IN GEOMETRIC MORPHOMETRICS AND THEIR APPLICATIONS IN ONTOGENETIC AND EVOLUTIONARY BIOLOGY OF ANIMALS

简要回顾了几何形态学的发展历史,介绍了30多年来该领域使用的主要方法及其在生物发育与进化研究中的实际应用.除目前应用最为广泛的标点法和轮廓线法外,基于三维数据的表面特征分析和有限元分析也在该领域得到推广.这些方法可运用于分析两性分化、异速生长、种群分化、种上进化以及复杂功能结构的形态集成等科学问题.几何形态学与生物信息学的综合运用还将有利于探讨表型变化与遗传物质变化的相关性.随着生物成像技术和海量数据计算技术的进步,几何形态学将由目前以二维数据为主的研究向三维重建和分析的方向发展.     

几何形态测量法在生物形态学研究中的应用

形态分析是生物系统学及其多样性研究中很重要的一部分。随着统计学的发展,我们可以对非常复杂的数据进行分析,这在客观上导致了多变量形态测量的出现。在20世纪80年代,在数据收集和分析上产生了重要突破——标点和标点相对位置的几何信息的匹配,从而可以将多变量分析的标点集叠加到生物原始图上,它不仅仅是生成散点图,而是试图客观反映生物的形态性状。这项研究被称为几何形态测量法(geometricmorphometrics),Rohlf和Marcus(1993)称其为形态测量方法上的一次革命。文章简要介绍了该方法。     

蜣螂后胸叉骨的几何形态学分析及其适应进化研究

【目的】甲虫的后胸叉骨是基部位于后足基节关节处,端部游离在胸腔内的几丁质构成的内骨骼。后胸叉骨作为胸腹部运动肌肉的联结点,在甲虫运动过程中扮演了重要角色,同时也承载了分类和系统发育信息。蜣螂根据其习性可分为滚粪球和直接掘洞两类行为类型。通过传统的比较形态学方法,我们无法得知滚粪球或直接掘洞的行为对后胸叉骨形态的影响。本研究旨在利用定量的几何形态学方法探究蜣螂后胸叉骨形态对不同行为选择压力的响应关系。【方法】对76种蜣螂后胸叉骨的形态多样性进行二维几何形态学定量评估;利用显微CT和计算机三维重建方法,对直接掘洞类蜣螂和滚粪球类蜣螂的代表种西班牙粪蜣螂Copris hispanus和忠诚泽蜣螂Kheper devotus的后胸叉骨进行三维重建,用于比较两者的三维形态差异。【结果】经过几何形态学分析可知,两类蜣螂后胸叉骨背面观和侧面观的马氏距离和普氏距离的p值均低于0.0001,表明两类蜣螂的后胸叉骨的形态存在显著性差异;通过对C.hispanus和K.devotus后胸叉骨3D模型的比较发现,两类蜣螂后胸叉骨的最大区别在于后胸叉骨的端半部(叉臂和中突)。前者的叉臂细长,中突面积大,背立脊呈窄条状且不发达;后者的叉臂宽扁,叉臂基半部十分宽大,中突面积小,背立脊呈鳍状且十分发达。【结论】滚粪球或直接掘洞的行为会对蜣螂后胸叉骨的形态有显著性影响,蜣螂后胸叉骨形态与滚粪球和直接掘洞两种行为的选择压力显著相关,这与后胸叉骨所附着的胸部肌肉参与相关运动关系密切。本研究为探索昆虫形态与功能关系提供了一个有益范例。     

三维几何形态学概述及其在昆虫学中的应用

长期以来二维（two-dimensional, 2D）数据是几何形态学（geometric morphometrics）分析的最主要的数据类型,在推动几何形态学的发展过程中起到了奠基性的作用,并也解决了很多重大的科学问题,展示了几何形态学强大的科学计算能力与问题解决能力。但有些特殊的科学问题或者特殊的形态结构,无法通过二维数据完美解决,亟需大规模、大尺度三维（three-dimensional, 3D）数据的支持,这对几何形态学的三维化发展提出需求。更重要的是,随着三维数据获取成本的日渐降低,大量三维数据涌现出来。因此,三维几何形态学应运而生。本文对三维几何形态学的原理及其应用进行了概述,重点探讨了三维几何形态学与二维几何形态学的异同点,并对前者的两个发展阶段（少量样本的形态模拟与准定量比较及大量样本的定量比较）进行了概述,评价了四维数据和有限元等方法的应用,指出了该方法在昆虫学领域的发展潜力,最后对该方法在样本量增加、硬件提升、数据分辨率提高、新算法的开发、分析结果的呈现及3D打印等方面的发展趋势进行了展望。     

分子生物学手段在植物系统与进化研究中的应用

在植物系统与进化研究中,为了揭示真实本质,必须从分子水平进行研究。植物分子系统学的研究包括两大方面,一是蛋白质酶,二是核酸。酶电泳是分子水平上研究植物分子遗传学最经济有效的方法,可以有效地揭示自然居群中遗传结构、基因流动、变化系统、选择作用和系统发育等问题。植物核酸系统学的研究倍受青睐,因为核酸分子量基本的进化单元,几乎不受主观因素影响。相关的核酸分析技术主要有：ＤＮＡ杂交ＤＮＡ限制酶谱分析、ＲＦ     

分子生物学手段在植物系统与进化研究中的应用

在植物系统与进化研究中,为了揭示真实本质,必须从分子水平进行研究。植物分子系统学的研究包括两大方面,一是蛋白质与酶,二是核酸。酶电泳是分子水平上研究植物分子遗传学最经济有效的方法,可以有效地揭示自然居群中遗传结构、基因流动、变化系统、选择作用和系统发育等问题。植物核酸系统学的研究倍受青睐,因为核酸分子是最基本的进化单元,几乎不受主观因素影响。相关的核酸分析技术主要有：DNA杂交、DNA限制酶谱分析、RFLP分析、DNA指纹图技术、RAPD分析和核酸序列分析。在植物系统学和进化研究中,结合各方面的生物学证据,才能显示植物分子系统学的独特优势。     

分子方法在我国有尾类系统与进化研究中的应用

从系统发育、物种分类与界定和遗传多样性等方面,介绍了分子方法在我国有尾类系统与进化研究中的应用现状和最新进展.分析讨论了我国有尾类系统与进化研究中存在的问题,展望了该领域今后的研究趋势和发展前景.     

RAPD技术在系统与进化植物学中的应用

随着ＲＡＰＤ技术的发展,这一在ＤＮＡ分子水平上检测遗传多样性的方法被广泛用于植物系统与进化的研究之中,利用ＲＡＰＤ的分析结果,不仅可以探讨 物种间的亲缘演化关系,检测种内的遗传分化,而且还可以为属、种的分类提供强有力的证据。事实证明,ＲＡＰＤ在系统与进化植物学的研究中具有重要的参考价值,并已取得了可喜的成果。     

古DNA及其在生物系统与进化研究中的应用

古DNA是指从已经死亡的古代生物的遗体和遗迹中得到的DNA.本文回顾了近20年古DNA研究所经历的3个阶段,从早期参与研究的科学家较少并主要利用克隆技术,到后来由于PCR技术的出现以及提取化石DNA技术的成熟从而出现大量有关古DNA的报道;近几年由于发现不少问题,并引起激烈的争论,科学家们因此而开始考虑古DNA的真实性问题,并且提出了开展古DNA研究的严格标准.本文还讨论了古DNA在人类起源、系统发育重建、动植物驯化及考古研究中的重要意义以及现状,表明古DNA的研究给某些原先的观点如人类的非洲起源说提供了重要证据,也对某些观点提出了挑战;古DNA研究还提供了某些已经灭绝生物的形态学和分子资料,为从序列上确定古代材料的系统位置并有效地补充仅用现代DNA建立起来的谱系提供了来自古生物的依据.在动植物驯化及考古方面,古DNA证据也为科学家提供了许多有价值的信息.最后,本文还对古DNA研究的应用前景进行了展望.     

古DNA 及其在生物系统与进化研究中的应用

古DNA是指从已经死亡的古代生物的遗体和遗迹中得到的DNA。本文回顾了近20年古DNA研究所经历的3个阶段, 从早期参与研究的科学家较少并主要利用克隆技术, 到后来由于PCR技术的出现以及提取化石DNA技术的成熟从而出现大量有关古DNA的报道; 近几年由于发现不少问题, 并引起激烈的争论, 科学家们因此而开始考虑古DNA的真实性问题, 并且提出了开展古DNA研究的严格标准。本文还讨论了古DNA在人类起源、系统发育重建、动植物驯化及考古研究中的重要意义以及现状, 表明古DNA的研究给某些原先的观点如人类的非洲起源说提供了重要证据, 也对某些观点提出了挑战; 古DNA研究还提供了某些已经灭绝生物的形态学和分子资料, 为从序列上确定古代材料的系统位置并有效地补充仅用现代DNA建立起来的谱系提供了来自古生物的依据。在动植物驯化及考古方面, 古DNA证据也为科学家提供了许多有价值的信息。最后, 本文还对古DNA研究的应用前景进行了展望。     

GEOMETRIC MORPHOMETRICS OF DEVELOPMENTAL INSTABILITY: ANALYZING PATTERNS OF FLUCTUATING ASYMMETRY WITH PROCRUSTES METHODS

Although fluctuating asymmetry has become popular as a measure of developmental instability, few studies have examined its developmental basis. We propose an approach to investigate the role of development for morphological asymmetry by means of morphometric methods. Our approach combines geometric morphometrics with the two-way ANOVA customary for conventional analyses of fluctuating asymmetry and can discover localized features of shape variation by examining the patterns of covariance among landmarks. This approach extends the notion of form used in studies of fluctuating asymmetry from collections of distances between morphological landmarks to an explicitly geometric concept of shape characterized by the configuration of landmarks. We demonstrate this approach with a study of asymmetry in the wings of tsetse flies (Glossina palpalis gambiensis). The analysis revealed significant fluctuating and directional asymmetry for shape as well as ample shape variation among individuals and between the offspring of young and old females. The morphological landmarks differed markedly in their degree of variability but multivariate patterns of landmark covariation identified by principal component analysis were generally similar between fluctuating asymmetry (within-individual variability) and variation among individuals. Therefore there is no evidence that special developmental processes control fluctuating asymmetry. We relate some of the morphometric patterns to processes known to be involved in the development of fly wings.     

MORPHOMETRICS AND CLADISTICS: MEASURING PHYLOGENY IN THE SEA URCHIN ECHINOCARDIUM

A phylogenetic approach to the study of evolutionary patterns is based on taxic homologies (synapomorphies). In contrast, the recognition of evolutionary processes (namely heterochronies) involves analysis of the entire morphology. Recent developments in geometric morphometry permit analysis of morphological similarities grounded in operational homologies. Such morphometric techniques are explored (1) at the level of evolutionary processes, and (2) as a complement in exploration of phylogenetic relationships. To examplify this, we perform a two-part study of the ontogeny and phylogeny of the spatangoid sea urchin Echinocardium. First, a phylogenetic analysis of ten Recent species in the genus is performed on 18 informative characters of the test. Second, morphological divergences among the species are analyzed using procrustean (superimposition) methods based on 49 homologous points. An additive distance tree is built from a matrix of morphometric distances among adult specimens. This tree is fully congruent with the phyletic results. Ontogenetic processes are explored by inserting ontogenetic series into the analysis. A distance tree including the juvenile stages shows that the general evolutionary trend of the genus is peramorphic, but species-to-species comparisons attest that no general clinal trend exists. Our analysis emphasizes the importance of morphometric approaches in evolutionary studies (1) for the understanding of heterochronies; (2) to trace the morphological implications of phylogenetic patterns; and (3) to estimate the impact of homoplasies.     

高原裸裂尻鱼头部轮廓形状及其变异的几何形态测量分析

为了明确描述高原裸裂尻鱼的表型多样性,运用现代几何形态测量法,基于高原裸裂尻鱼头部轮廓的形态坐标数据,对其5个地理种群的样本做了定量分析。结果主要如下:①主成分分析（PCA）和典型变量分析（CVA）显示,5个地理种群的样本的变异主要位于口型特征、下吻部形状、下颌骨形状、下颌锐利角质程度和头部形状等性状。②基于主成分分析、典型变量分析和聚类分析,高原裸裂尻鱼三个亚种（班公湖亚种、玛法木湖亚种和指名亚种）相互分开,在PC1轴上从负值到正值依次排列,从而确定了高原裸裂尻鱼亚种划分的有效性。③通过形态差异的显著性检验,基于马氏距离和普氏距离分析了高原裸裂尻鱼各地理种群之间的形态变异距离,根据差异显著性将该5个地理种群的高原裸裂尻鱼分为湖泊型亚种和河流型亚种,随后的聚类分析同样支持该结果。总之,通过几何形态测量法,准确描述了高原裸裂尻鱼头部轮廓的形态多样性,按照外形的差异,将5个地理种群分为两种生态型,并推测该差异主要是由于所生活的水体环境和食物差异所造成。对高原裸裂尻鱼形态差异的识别和研究,能为其生态学研究和物种多样性保护提供相应指导,丰富微进化理论。     

SNPs及其在水产动物遗传学与育种学研究中的应用

1 SNP简介1.1 SNP的概念单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism,SNP)指基因组DNA序列中某个特定位点的单个核苷酸发生变异而引起的序列多态性,包括单碱基的转换、颠换、插入及缺失等形式,其中一种等位基因在群体中的频     

甘肃临夏盆地晚中新世鬣狗类群头骨的几何形态测量学及生态形态学分析(英文)

在晚新生代大型食肉目动物中,鬣狗科动物地史分布广、种类和数量多,在中国出现于中中新世至更新世晚期的地层中。形态功能学家将鬣狗科的60多个化石种分为似豺、似狼和似灵猫等生态类群,这些生态类群和现生仅存的3个食骨和1个食虫类群形成鲜明的对比。生态形态学是基于生物形态与生态环境的密切关系研究不同物种形态所代表的生态位的一种方法;研究者依靠化石鬣狗类与现生种类牙齿和头骨整体形态的相似度进行了生态形态(ecomorphology)的分类,但尚未对这些已定的生态形态进行过多变量的头骨形状分析。本文拟采用平面几何形态测量学的方法对晚中新世临夏盆地的鬣狗类进行研究,并探讨以头骨形状划分其生态形态类型的可行性。几何形态测量法是以生物形态的轮廓作为数据的计算方法,虽然目前尚未被国内古生物研究者广泛采用,但自20世纪30年代多变量统计学的理论成熟以来,这一方法的理论基础和软件算法在国外得到迅速发展,至今已成为近代生物学(neontology)和古生物学形态研究领域的一个常用工具。三维几何形态测量分析也因为三维激光扫描仪的普及而变得更简单和直观。然而,化石标本由于埋藏和保存的关系通常会出现变形或残缺不全,使目前几何形态测量方法在古生物学的应用仍主要以平面数据分析为主。平面数据采集的第一步是从与标本某一平面相垂直的角度拍摄数码照片;虽然拍摄平面的选择通常由研究者自定,但一般会选择待研究类群形状变异最具代表性的一面(如,鱼类一般选取侧视)。第二步是形态的数字化,即使用某一种形态测量软件来标出地标点(landmarks;或称界标点、标志点、标点)。地标点的选择对于分析的结果有直接而且重要的影响,一般会选择Bookstein分类中的I型或II型作为地标点的标准。这两种地标点的共同点是可以从解剖学特征上准确地在每一个标本上找到,而无不明确或复现困难的可能性。数字化后的数据在软件中用数学算法叠加起来(superimposition,或称叠合,重叠),以去除原始图片数据中标本位置、角度及其他与几何形态无关的冗余信息。所有的数字化数据叠加起来后,利用软件计算所有标本之间的几何距离。现在常用的软件中都会以平均几何形状作为中心,而且利用类似主成分分析(principal components analysis)的多变量计算来呈现相对扭曲(或称相对反卷)轴(relative warp axis),后者即是可以用来把形态差异视觉化的多变量数据。这些数据可以用平面坐标图来看不同形态的空间分布,也可以用所谓的薄板样条曲线图(thin-plate spline grid)来表示相对形态上的变化。相对扭曲轴所代表的形状数据还经常被拿来与代表几何物体大小的距心值(或称重心距离,centroid size)做回归曲线分析,以便发现种群中某些形态的异速生长模式(allometry)。本文采用几何形态测量的方法对产自和政地区的鬣狗科Hyaenictitherium,Ictitherium,Adcrocuta和旁鬣狗科Dinocrocuta的材料进行研究,分析了这4个属保存完好的头骨标本的侧面形态。与东非大草原现生食肉动物的头骨整体形态分布的比较和分析表明,和政的鼬鬣狗(Ictitherium)和鬣型鼬鬣狗(Hyaenictitherium)的头骨形状分布介于现生斑鬣狗(Crocuta crocuta)、犬科猎狗(Lycaon pictus)和金豺(Canis aureus)之间,为二者似豺生态形态的解释提供了几何形态测量证据。再者,上述两属化石鬣狗的形状分布与现生斑鬣狗的幼年个体形状重叠,表明现生斑鬣狗头骨的发育机制可能是在鼬鬣狗祖先类型的异速生长规律基础上的持续发育,进而演化出现有的粗壮形态。此外,巨鬣狗(Dinocrocuta)和副鬣狗(Adcrocuta)的头骨形状与现生的斑鬣狗在几何形态测量空间内有普遍重叠的现象,指示了这些异时出现的种类具有相似的生态形态,因而可能占据相近的生态位。结果还显示巨鬣狗和斑鬣狗的幼年个体形状相近,以及两者从幼年到成年发育的形状变化过程也具有相似的规律。因而,巨鬣狗和斑鬣狗之间的趋同演化不仅表现在成年头骨的粗壮程度上,而且在幼年发育模式中也存在平行演化现象。现生发育学与行为生态学已经证实,相对其他大型食肉动物,现生斑鬣狗发育粗壮头骨形态的机制不是以增速生长,而是以延长发育期来实现的。由此推断,巨鬣狗的发育期有可能和现生鬣狗相当(35个月),也可能由于具有相对粗壮和巨大的头骨形态,其发育期会延长些。当然,这个新解释仍需要更多的化石数据和发育研究来证实。     

EVOLUTIONARY BIOLOGY IN BIODIVERSITY SCIENCE,CONSERVATION, AND POLICY: A CALL TO ACTION

Evolutionary biologists have long endeavored to document how many species exist on Earth, to understand the processes by which biodiversity waxes and wanes, to document and interpret spatial patterns of biodiversity, and to infer evolutionary relationships. Despite the great potential of this knowledge to improve biodiversity science, conservation, and policy, evolutionary biologists have generally devoted limited attention to these broader implications. Likewise, many workers in biodiversity science have underappreciated the fundamental relevance of evolutionary biology. The aim of this article is to summarize and illustrate some ways in which evolutionary biology is directly relevant. We do so in the context of four broad areas: (1) discovering and documenting biodiversity, (2) understanding the causes of diversification, (3) evaluating evolutionary responses to human disturbances, and (4) implications for ecological communities, ecosystems, and humans. We also introduce bioGENESIS, a new project within DIVERSITAS launched to explore the potential practical contributions of evolutionary biology. In addition to fostering the integration of evolutionary thinking into biodiversity science, bioGENESIS provides practical recommendations to policy makers for incorporating evolutionary perspectives into biodiversity agendas and conservation. We solicit your involvement in developing innovative ways of using evolutionary biology to better comprehend and stem the loss of biodiversity.     

宏观动物学研究现状和未来十五年发展趋势

本文讨论了动物系统学、动物行为学、保护生物这在国内外的研究现状和未来十五年的发展趋势，对我国宏观动物学的发展对策提出了一些建议。