基于四种金龟的昆虫后翅关节骨片三维形态复杂性研究

【目的】昆虫的翅非常精巧与灵活,翅脉及翅关节的形态及功能长久以来受到众多领域科学家的广泛关注。由于历史条件的限制,昆虫翅的研究主要集中在翅脉,即使少量的有关翅关节形态的研究也主要是停留在二维形态数据分析的层面上。更重要的是,各骨片内部形态结构还未见报道。本研究的目的就是为了重建翅关节骨片内部和外部复杂的三维形态结构,全面呈现利用传统形态学方法无法获得的形态学信息,进而深入探究昆虫翅的形态与功能的关系。【方法】本文利用显微CT对鞘翅目4种金龟进行了扫描,通过计算机三维重建技术,对折叠和展开状态时后翅关节各个骨片(第1,2和3腋片及中片)的内部和外部的三维形态进行研究,展示和分析昆虫翅关节内部与外部形态结构和空间运动的复杂性。【结果】翅关节骨片的三维重建模型及虚拟切面图展示了其复杂的外部形态,主要表现在表面曲率的不均匀变化和部分结构的互相遮挡两个方面。前者主要表现骨片表面具有突起、沟槽、弯折以及外长物等。后者指各骨片均呈现了不同程度的弯折,有的弯折还会互相接触,最终形成筒状结构,这样不可避免造成部分结构被遮挡或包裹。三维重建模型的断层图显示了翅关节骨片并非是实心的结构,而是分为两层:靠近表皮的为高度骨化的外骨骼,而靠近骨片核心则为疏松的类似海绵状结构。本文还展示了各个骨片在后翅折叠状和展开状态下的空间位置,并对所研究的4个科的翅关节骨片的三维形态进行了比较。【结论】翅关节骨片具有复杂的内部和外部形态结构。关节骨片的内部海绵结构和外层强烈骨化的双层结构,可能与其尽量减小骨片的重量和节约运动能量,同时又尽量保持骨片的刚性结构的形态适应策略有关。此类形态适应在材料学、空气动力学等领域具有重要的仿生学意义。     

缅甸琥珀内含物形态结构在X射线下的可辨识性

【目的】产自缅甸北部胡康河谷的缅甸琥珀形成于白垩纪中期。其艺术价值很高,同时其内含物的生物多样性程度也很高,故其科学价值也不可估量。显微CT能够提供化石(琥珀)内部解剖结构的高分辨率断层图像,故该方法日渐成为目前琥珀研究中的常用方法之一。然而在可见光下可见的琥珀内的生物结构,在X射线下却有不同的结果,这与现生研究材料在显微CT下的表现非常不同。本研究对产自胡康河谷的9块缅甸琥珀进行显微CT检测,试图对这个特殊的现象进行较为系统的解读。【方法】利用数码相机(Nikon 5200D)拍摄琥珀照片,并用Helicon Focus 5.3软件合成。通过显微CT技术扫描琥珀和计算机断层重建技术重建出缅甸琥珀内含物的三维结构形态。【结果】显微CT检测结果主要分为3种:完全无衬度、部分结构有衬度和整体结构有较好衬度。本研究对有较好衬度的琥珀内含物进行了三维重建,展示了琥珀内含物的外部和内部三维结构。【结论】琥珀内含物的可见光成像和X射线成像不存在一一对应关系,其原因和琥珀保存的好坏以及琥珀的密度差、琥珀围岩之间的对比度差异有关。琥珀形成和埋藏过程中的物理和化学变化非常复杂,其机理的探究也更为复杂和困难,本文对这个现象的主要类型做了较为初步的阐述,后续研究需要更为全面的选样和更为严格的实验设计才能够最终解决这个埋藏学上的难题。     

三种被动式采集方法对甲虫收集效果的比较研究: 以香港城门样地为例

标本标准化采集是昆虫多样性研究的根本。昆虫种类繁多、习性复杂、分布广泛, 基于不同的研究目标, 昆虫学家会选用不同的采集方法。由于主动式采集方法存在较多干扰因素和重现性差等问题, 以飞行阻隔器(flight interception trap, FIT)、马氏网(Malaise trap, MT)和罐诱(pitfall trap, PT)为代表的被动式采集方法被广泛应用, 并在昆虫多样性研究中展现独特的优势。然而关于这些被动式采集方法的收集特点和采集效果等还缺乏系统性研究。本研究选取香港城门13个样点, 利用上述3种被动式采集方法共156个采集装备开展为期24天的鞘翅目昆虫采集工作, 并通过多样性指数分析、多度分析、体型与食性相关分析、相似性分析以及物种累积曲线分析评估了不同采集方法对甲虫的收集效果。本研究共采集甲虫6,380头, 涉及40科197种, 分析结果显示: (1)采用不同采集方法获得的物种数量和组成存在差异。从科级和种级的数量来看, FIT (36科, 149种) > MT (24科, 79种) > PT (17科, 60种); 在物种组成方面, FIT与PT之间、MT与PT之间区别较大, FIT与MT对应的物种相似度稍高于前两组。(2)多样性指数和物种多度分布分析显示: 丰富度指数为FIT > MT > PT, 优势度指数为FIT > PT > MT, 多样性指数为MT > FIT > PT, 均匀度指数为MT > PT > FIT。3种方法采集到的甲虫个体数为1头的种较多, 个体数超过1头的种在时间和空间方面的分布较广, 优势科的种类较少, 但其个体数占总个体数的比例较高。(3) FIT和PT均采集到了6类食性的甲虫, 其中藻食性的缨甲科甲虫仅见于FIT和PT采集方法。(4)物种累积曲线的结果表明3种采集方法效果均较好。3种采集方法各有特点, 但FIT采集的综合效果最优。FIT和MT两种方法的结合提升了采集甲虫的种类、食性和体型等方面的覆盖度, 更利于对甲虫多样性及类群与生态环境功能互作的研究。3种方法所收集到的甲虫存在一定差异, 因此可以针对不同研究目的选取适宜的采集方式。     

飞行阻隔器获取罕见甲虫标本的效能及在生物多样性调查中应用潜力的评价——以香港采集为例

本研究在2017-2019年期间利用新型大型飞行阻隔器在香港8个样地（八仙岭、西贡、城门、马鞍山、大帽山、大榄、地塘仔、石壁）开展了甲虫采集,整理鉴定出11科15种罕见甲虫,其中包括中国新纪录属种3个,香港新纪录科1个,香港新纪录属7个,香港新纪录种5个。在此基础上,对飞行阻隔器在获取罕见甲虫标本方面的效能进行了评价,并给出了飞行阻隔器未来的改造建议与方向,探讨了飞行阻隔器在生物多样性调查中的应用潜力。     

广东南澳岛中华楠种群结构及动态特征

通过对南澳岛中华楠次生林样地的调查,从种群年龄结构、静态生命表、生存分析和时间序列预测等方面分析了中华楠种群结构和数量动态,结果表明:种群年龄结构呈"倒J型",幼苗和小树阶段个体数量多,中树和大树阶段个体数量少,表现为增长型种群。存活曲线接近Deevey-Ⅲ型,幼苗阶段死亡率高,大树阶段死亡率较低,且相对稳定。种群死亡率和消失率曲线的变化趋势相似,均出现2个高峰,最高峰出现在幼苗的第Ⅰ龄级,第2个高峰出现在中树的第Ⅴ龄级。中树第Ⅵ龄级死亡率最低,生命期望值最高。种群的生存率单调下降,积累死亡率单调上升,种群从第Ⅷ龄级开始逐渐进入生理衰退期。种群的死亡密度和危险率曲线变化趋势与种群死亡率和消失率曲线基本一致,前期和中期震荡,后期趋于稳定。对种群未来2、5和8年的时间序列预测表明:中华楠种群呈增长趋势。     

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。     

中国白星花金龟地理变异的几何形态学分析及其新疆种群的入侵来源推断

【目的】定量比较中国及周边国家地区白星花金龟Protaetia(Liocola)brevitarsis不同地理种群的形态差异,重点探索新疆种群与其他地区种群间的形态差异,为植物保护和生产活动提供指导,丰富微进化理论。【方法】基于几何形态学的主成分分析(principal component analysis,PCA)和典型变量分析(canonical variate analysis,CVA)方法,对国内外30个地区共700头白星花金龟的鞘翅和前胸背板进行分析比较,研究白星花金龟不同地理种群的形态变异。【结果】白星花金龟前胸背板和鞘翅形态变异主成分分析中,新疆标本都明显聚在一起,但同时与新疆周边省份标本有部分重叠,与远离新疆省市有少部分重叠。新疆标本和南方地区种群标本明显分离。在各地区种群形态差异显著性检验中,基于马氏距离(Mahalanobis distance)和普氏距离(Procrustes distance)分析显示,新疆白星花金龟与远离新疆地区标本的前胸背板和鞘翅在马氏距离和普氏距离上均为显著性差异,而与其他地区标本的前胸背板和鞘翅的差异上,并非总是显著性差异。【结论】证实了前胸背板和鞘翅上的白斑可以作为白星花金龟地理种群变异的评价指标。就新疆白星花金龟而言,地理距离在一定程度上与形态距离相吻合。我们推测新疆白星花金龟是通过青海省北部以外的宁夏、内蒙古和甘肃三省入侵到新疆自治区,或者与上述三省该害虫的入侵来源一致。本研究所呈现的研究方式,在丰富微进化理论方面具有广阔的前景,且有望丰富分子生态地理学的研究内涵。     

金龟子飞行时鞘翅开合状态与后翅腋片形态的相关性研究

【目的】多数甲虫飞行时鞘翅是张开的，但也有少数甲虫飞行时鞘翅几乎是闭合的(如大部分花金龟、一些蜣螂种类)。飞行时鞘翅闭合可以显著减小空气阻力，提升飞行速度，但限制了后翅关节骨片(腋片)的运动空间和受力状态。腋片在昆虫飞行时扮演动力输送枢纽的角色，前期研究发现腋片具有复杂的内部和外部形态结构，而该结构如此复杂的形态都受到了哪些因素的影响尚不明确，飞行时鞘翅开合行为与腋片的相关性如何还是空白。【方法】利用显微CT扫描10科6亚科共27种金龟子，利用计算机三维重建技术重建和分析了3个腋片[第1腋片(1st axillary, 1Ax)、第2腋片(2nd axillary, 2Ax)和第3腋片(3rd axillary, 3Ax)]的三维图像，其中17种的为鞘翅飞行张开种类，10种的为鞘翅飞行闭合种类，覆盖了金龟总科83%的科级阶元。【结果】飞行时鞘翅张开或闭合的金龟子3个腋片的形态特征均存在差异。较飞行时鞘翅张开的金龟子，飞行时鞘翅闭合的金龟1Ax的头部前端较后端收缩，颈部宽阔且中上部至中部隆起；2Ax的脊更宽阔，内、外叶位置不同；3Ax头部宽阔，内端顶角为锐角，尾部较短。同一类群腋片形态特...