楊悅， 蔡炎林， 李紅杰， 趙龍輝， 唐業(yè)忠， 崔建國(guó)*

(1. 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，成都610041； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3. 四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，成都610101)

性狀替代是物種在生存、繁殖過程中應(yīng)對(duì)其他物種資源競(jìng)爭(zhēng)的一種解決方案。1956年，Brown和Wilson首次提出了性狀替代的概念，將其定義為：在有地理重疊區(qū)的近緣物種中，物種間的性狀差異在重疊分布區(qū)域比非重疊分布區(qū)域更大(Brown & Wilson，1956)。這一理論自提出以來，很多研究者在不同類群中都檢測(cè)到性狀替代，并進(jìn)一步探究性狀替代的內(nèi)涵以及修正性狀替代的概念(Pfennig & Pfennig，2012)，本文采用Pfennig和Pfennig在2009年使用的定義(Pfennig & Pfennig，2009)：性狀替代是為了減弱種間資源競(jìng)爭(zhēng)或繁殖干擾而產(chǎn)生的性狀進(jìn)化的現(xiàn)象。根據(jù)選擇壓力類型，性狀替代主要分為兩類：生態(tài)性狀替代(ecological character displacement，ECD)——以種間的資源競(jìng)爭(zhēng)為進(jìn)化動(dòng)力，ECD發(fā)生在與資源競(jìng)爭(zhēng)相關(guān)的性狀中，如喙和顎(Slatkin，1980；Schlüter，2001)；繁殖性狀替代(reproductive character displacement，RCD)——以種間繁殖干擾為進(jìn)化動(dòng)力，RCD發(fā)生在與繁殖相關(guān)的性狀中，如求偶信號(hào)或雌性的選擇偏好(Brown & Wilson，1956；Márquez & Bosch，1997；H?bel & Gerhardt，2003)。RCD是物種應(yīng)對(duì)種間繁殖干擾的一種解決方案(Brown & Wilson，1956；Lemmonetal.，2003；Jang & Gerhardt，2006；Pfennig & Ryan，2007；Gr?ning & Hochkirch，2008；Pfennig & Pfennig，2009)。種間繁殖干擾是在配偶選擇過程中由不完整的物種識(shí)別引起的，會(huì)對(duì)其中至少一種物種的適合度產(chǎn)生不利影響的任何種間相互作用(Gr?ning & Hochkirch，2008)。繁殖干擾造成的適合度損失源自時(shí)間、能量、營(yíng)養(yǎng)或配子的浪費(fèi)。根據(jù)不利影響的程度，種間繁殖干擾可以分為信號(hào)干擾、異種競(jìng)爭(zhēng)、錯(cuò)誤的交配嘗試、雜交產(chǎn)生后代等多個(gè)等級(jí)(Gr?ning & Hochkirch，2008)。RCD與固定作用雖然都是物種增強(qiáng)配子前隔離的一種手段，但固定作用主要發(fā)生在可以產(chǎn)生雜種后代的近緣物種間(Pfennig，2003；Pfennig & Rice，2014)，而RCD往往指不能產(chǎn)生雜種后代時(shí)的情況。理論上各類繁殖干擾均可能導(dǎo)致物種產(chǎn)生RCD。

動(dòng)物通訊對(duì)物種的識(shí)別和繁殖有著至關(guān)重要的作用，其中的聲音通訊是大多數(shù)兩棲類、鳥類和部分昆蟲的主要通訊手段，且以聲音通訊為手段研究RCD具有一定優(yōu)勢(shì)。首先，大多數(shù)兩棲類、鳥類和部分昆蟲依賴聲音作為性選擇的主要甚至唯一通訊媒介(Gerhardt & Huber，2002)；此外，聲音通訊研究具有方便定位、容易錄制、便于回放、易于分析等優(yōu)勢(shì)(Gerhardt，2013)。H?bel和Gerhardt(2003)發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)分布的灰樹蛙Hylagratiosa相比，與綠樹蛙H.cinerea同域分布的灰樹蛙鳴聲有明顯差異，并且同域分布的雌性灰樹蛙對(duì)同種聲音的辨識(shí)能力更強(qiáng)。Lemmon(2009)研究參與RCD的擬蝗蛙屬Pseudacris2個(gè)物種時(shí)發(fā)現(xiàn)，RCD只存在于其中一種，驗(yàn)證了RCD的不對(duì)稱性；并且發(fā)現(xiàn)在不同的同域分布區(qū)，RCD的方向并不一致。然而，也有研究未得到正面結(jié)果(Gerhardt，2013；Leeetal.，2016)。

本文以背條螳臂樹蛙Chiromantisdoriae(以下簡(jiǎn)稱背條)為研究對(duì)象，在背條和側(cè)條費(fèi)樹蛙Feihylavittata(以下簡(jiǎn)稱側(cè)條)的同域分布區(qū)和背條單獨(dú)分布的異域分布區(qū)對(duì)其信號(hào)系統(tǒng)的變異進(jìn)行考量。背條和側(cè)條一度被劃入螳臂樹蛙屬Chiromantis(費(fèi)梁等，2012)，但近期分子證據(jù)表明，二者在基因上親緣關(guān)系較遠(yuǎn)(Lietal.，2013)，側(cè)條及其他2種費(fèi)樹蛙被劃分為費(fèi)樹蛙屬Feihyla。基因上的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)預(yù)示二者可能不存在潛在的基因交流，但二者體型相近、鳴叫頻率相似(圖1，背條鳴叫主頻率：3.99 kHz；側(cè)條鳴叫主頻率：4.85 kHz)、繁殖期和繁殖場(chǎng)高度重疊、在野外相遇率高。在野外觀察到二者存在求偶鳴叫干擾以及種間錯(cuò)抱的繁殖干擾現(xiàn)象。因此，二者可能會(huì)受到減弱繁殖干擾影響的選擇壓力作用，從而產(chǎn)生RCD。

1 材料和方法

1.1 研究地點(diǎn)

在已有研究(費(fèi)梁等，2012)的基礎(chǔ)上，主要對(duì)分布于海南島的背條和側(cè)條進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，結(jié)果表明，背條分布較側(cè)條廣泛。二者生境十分接近，均為水坑旁的草叢和灌木叢，側(cè)條的繁殖場(chǎng)偏向于水位較深的水坑和灌木叢，而背條的生境更為廣泛，在稻田或積水的荒地也有發(fā)現(xiàn)。

以海南島為主要研究地，在海南及廣東共選取12個(gè)樣點(diǎn)，其中4個(gè)為背條和側(cè)條的同域分布點(diǎn)(主要集中在海南島東南部)，8個(gè)為背條單獨(dú)分布的異域分布點(diǎn)(圖2)，各樣點(diǎn)具體信息見表1。

1.2 野外錄音

2015年8月與2017年5—9月共采集12個(gè)樣點(diǎn)150只個(gè)體的鳴聲數(shù)據(jù)。鳴聲統(tǒng)一錄制于背條求偶活躍，且便于數(shù)據(jù)采集的20∶00—24∶00。采用錄音機(jī)(Marantz PMD 660，16 bit，44.1 kHz)連接指向性麥克風(fēng)(Sennheiser ME66 with K6 power module)錄音。錄音時(shí)，將麥克風(fēng)置于鳴叫雄性頭部前方約0.5 m處，對(duì)其連續(xù)錄制3 min。

1.3 聲音參數(shù)提取

背條的廣告鳴聲是多音節(jié)鳴聲(圖1)，為準(zhǔn)確獲取其聲音特征在鳴聲(call)和音節(jié)(note)2個(gè)層面的信息，分別對(duì)鳴聲參數(shù)與音節(jié)參數(shù)進(jìn)行提取和統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 背條螳臂樹蛙和側(cè)條費(fèi)樹蛙的波譜及頻譜Fig. 1 Amplitude-modulated waveforms and spectrograms of Chiromantis doriae and Feihyla vittata

圖2 背條螳臂樹蛙12個(gè)采樣分布點(diǎn)Fig. 2 Geography locations of 12 populations of Chiromantis doriae

編號(hào)采樣點(diǎn)分布類型地理坐標(biāo)海拔/m個(gè)體數(shù)量/只鳴聲樣本數(shù)6音節(jié)鳴聲樣本數(shù)1廣東省湛江市海安鎮(zhèn)異域110.22°E, 20.28°N972162海南省儋州市白馬井鎮(zhèn)異域109.23°E, 19.70°N111037153海南省定安縣排嶺坡村異域110.34°E, 19.67°N10662884海南省五指山市沖山鎮(zhèn)異域109.51°E, 18.79°N3171765155海南省樂東市千家鎮(zhèn)異域109.08°E, 18.56°N1241349146海南省陵水縣南喜村異域109.93°E, 18.66°N240114387海南省東方市零公里村異域108.80°E, 19.12°N491761148海南省三亞市番園村異域109.52°E, 18.34°N361248129海南省萬(wàn)寧市北大鎮(zhèn)同域110.32°E, 18.92°N4314511410海南省五指山市水滿鄉(xiāng)同域109.67°E, 18.88°N65119701411海南省陵水縣吊羅山同域109.87°E, 18.72°N93316342912海南省定安縣黃竹鎮(zhèn)葉田村同域110.40°E, 19.44°N1118199合計(jì)150526158

共選取8個(gè)鳴聲參數(shù)，其中與聲音頻域相關(guān)的參數(shù)4個(gè)：主頻、高頻、低頻和調(diào)頻幅度；與聲音時(shí)域相關(guān)的參數(shù)4個(gè)：鳴聲時(shí)長(zhǎng)、音節(jié)數(shù)量、鳴聲速率和鳴聲間隔(表2)。將野外錄音獲取的數(shù)據(jù)首先導(dǎo)入Adobe Audition 3.0(CA，USA)中，查看鳴聲錄制情況，并對(duì)每只個(gè)體選取3～5個(gè)清晰連續(xù)的鳴聲進(jìn)行后續(xù)參數(shù)提取。在鳴聲參數(shù)中，主頻、高頻和低頻的提取需將1個(gè)選定的鳴聲單獨(dú)截取保存，之后將截取的單獨(dú)鳴聲導(dǎo)入Praat(Boersma， 2002)，運(yùn)行Praat腳本自動(dòng)獲得，其余參數(shù)在Adobe Audition 3.0中讀取獲得。

背條的鳴聲是多音節(jié)鳴聲(圖3)，4～8音節(jié)的鳴聲比例均超過總數(shù)的10%，且總和占全部鳴聲的80.5%。其中，6音節(jié)鳴聲比例最高，達(dá)20.4%，5音節(jié)次之，達(dá)20.3%。鳴聲的平均音節(jié)數(shù)量為6.28。6音節(jié)是鳴聲音節(jié)數(shù)量的眾數(shù)，同時(shí)也最接近平均音節(jié)數(shù)量，因此涉及不同鳴聲音節(jié)間相互比較時(shí)，均使用最具代表性的6音節(jié)鳴聲進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和分析。共選取3個(gè)音節(jié)參數(shù)，包括音節(jié)時(shí)長(zhǎng)、音節(jié)間隔和音節(jié)主頻(表2)。

圖3 背條螳臂樹蛙音節(jié)數(shù)分布比例Fig. 3 The distribution proportion of notes per call of Chiromantis doriae

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

共統(tǒng)計(jì)12個(gè)樣點(diǎn)150只個(gè)體的526號(hào)鳴聲(表1)。所有統(tǒng)計(jì)均在R 3.4.2(R Core Team，2017)中完成。為降低鳴聲參數(shù)(因變量)維度，消除各參數(shù)間的交互作用，對(duì)鳴聲參數(shù)進(jìn)行主成分分析(principal component analysis，PCA)，獲得3個(gè)主成分。同域或異域分布對(duì)鳴叫特征的影響是檢測(cè)RCD的關(guān)鍵，因此，以是否為同域分布(sympatry or allopatry， SA)為固定因子；樣點(diǎn)間變異和個(gè)體間變異是本研究希望排除的作用，因而“個(gè)體嵌套于樣點(diǎn)”作為隨機(jī)因子，對(duì)鳴聲主成分進(jìn)行混合線性模型分析(mixed linear model analysis)。函數(shù)表達(dá)式為lmer[RC_n～SA+(1|site/ID_num)，Data]。

表2 鳴聲和音節(jié)參數(shù)描述Table 2 Description of call and note parameters

以6音節(jié)鳴聲為代表統(tǒng)計(jì)音節(jié)參數(shù)，樣本量見表1。以音節(jié)時(shí)長(zhǎng)、音節(jié)間隔和音節(jié)主頻為因變量進(jìn)行混合線性模型分析，同鳴聲參數(shù)一致，SA是檢測(cè)RCD的關(guān)鍵，因此，將SA作為混合線性模型分析的固定因子。除此之外，音節(jié)編號(hào)對(duì)音節(jié)特征影響顯著，如1音節(jié)鳴聲與后續(xù)音節(jié)相比，往往主頻較低，時(shí)長(zhǎng)和間隔較短，因此在分析音節(jié)參數(shù)變化時(shí)，將音節(jié)編號(hào)作為另一固定因子，并考慮音節(jié)編號(hào)與SA的交互作用。隨機(jī)因子的設(shè)定同鳴聲分析一致，即以“個(gè)體嵌套于樣點(diǎn)”作為隨機(jī)因子。函數(shù)表達(dá)式為lmer[Parameter_n～SA×Note_num+(1|site/ID_num)，Data]。

2 結(jié)果

8個(gè)鳴聲參數(shù)的主成分分析顯示，PC1主要解釋時(shí)域參數(shù)，PC2主要解釋頻域參數(shù)，PC3主要解釋時(shí)域參數(shù)和調(diào)頻特征。3個(gè)主成分共解釋整體方差的72%(表3)，以其為因變量分別進(jìn)行混合線性模型分析，結(jié)果顯示(表4)，PC3存在SA差異(P=0.042)，而PC1和PC2不存在SA差異。

以6音節(jié)為代表對(duì)音節(jié)參數(shù)進(jìn)行混合線性模型分析，發(fā)現(xiàn)音節(jié)參數(shù)隨著音節(jié)編號(hào)不同而顯著變化。本研究以檢測(cè)RCD為目的，主要考慮SA以及SA與音節(jié)編號(hào)之間的交互作用(SA∶音節(jié)編號(hào))是否對(duì)音節(jié)參數(shù)有顯著性影響。結(jié)果顯示(表5)，音節(jié)間隔不存在SA差異，而音節(jié)主頻和音節(jié)時(shí)長(zhǎng)都與音節(jié)編號(hào)存在顯著的交互作用，故不能做雙因素的混合線性模型分析。建立各個(gè)音節(jié)的數(shù)據(jù)集，在每個(gè)數(shù)據(jù)集下，以SA作為固定因子，探討這2項(xiàng)參數(shù)是否存在SA差異。結(jié)果表明，音節(jié)主頻在3音節(jié)和4音節(jié)上存在SA差異；音節(jié)時(shí)長(zhǎng)在6音節(jié)上存在SA差異。

表3 鳴聲主成分載荷矩陣和方差貢獻(xiàn)表Table 3 Principal component analysis component matrix and variance explained of call parameters

表4 鳴聲混合線性模型分析結(jié)果Table 4 Mixed linear model analysis of call statistics

表5 音節(jié)混合線性模型分析結(jié)果Table 5 Mixed linear model analysis of note statistics

背條各音節(jié)主頻見圖4。整體上同域背條的音節(jié)主頻低于異域背條，但僅3、4音節(jié)的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從音節(jié)最低頻到音節(jié)最高頻的調(diào)頻幅度上，同域背條略大于異域背條。

圖4 背條螳臂樹蛙各音節(jié)主頻示意圖Fig. 4 Note dominant frequencies of Chiromantis doriae

*P<0.05

3 討論

本研究在同域/異域背條的求偶鳴聲中檢測(cè)到RCD的存在。對(duì)于同域/異域背條種群，首先在鳴聲參數(shù)中，反映鳴聲速率、鳴聲間隔和調(diào)頻幅度的主成分PC3存在SA差異；在音節(jié)參數(shù)中，音節(jié)主頻和音節(jié)時(shí)長(zhǎng)存在顯著差異，同域背條的音節(jié)主頻更低。側(cè)條鳴聲是頻率更高的單音節(jié)鳴聲，同域背條的鳴聲比異域背條頻率更低、調(diào)頻幅度更寬，這些特征變化加大了背條與側(cè)條鳴聲間的差異，是降低種間繁殖干擾、提高適合度的有效途徑。

無尾兩棲類依賴聲音作為主要通訊手段，而環(huán)境中的生物和非生物噪音會(huì)降低信號(hào)的傳遞效率(信噪比)，與其他類型的噪音相比，異種鳴聲不僅會(huì)降低信噪比，還可能產(chǎn)生繁殖干擾(Siegertetal.，2013)，因此，物種受到的來自異種鳴聲的潛在選擇壓力更大。在物種繁殖信號(hào)進(jìn)化的過程中，除近緣物種的影響外，較遠(yuǎn)緣物種間的相互干擾也起著重要作用(Gr?ning & Hochkirch，2008)，本研究也證明了這一點(diǎn)。背條在聲音信號(hào)特征方面產(chǎn)生的RCD主要與調(diào)頻幅度、鳴叫速率和鳴聲間隔相關(guān)。鳴叫速率和鳴聲間隔屬于聲音的時(shí)域特征，時(shí)域特征往往是無尾兩棲類區(qū)分不同鳴聲類型和鳴叫物種的信號(hào)特征(Klump & Gerhardt，1987；Schwartz，1987；Pennaetal.，1997；Kimeetal.，2004)。在擬蝗蛙屬中也發(fā)現(xiàn)鳴聲在時(shí)域特征上產(chǎn)生的RCD現(xiàn)象(Lemmon，2009)。背條產(chǎn)生RCD的另一方向是音節(jié)調(diào)頻特征變異，聲音信號(hào)的調(diào)頻特征攜帶重要信息，如，在峨眉仙琴蛙Babinadaunchina的研究中證明，調(diào)頻可以幫助雌性仙琴蛙突破韋伯定律的限制，識(shí)別更多有效音節(jié)(Cuietal.，2016)。在調(diào)頻特征上產(chǎn)生RCD，使同域背條鳴聲更復(fù)雜，加大了背條鳴聲與單音節(jié)的側(cè)條鳴聲間的差異。本研究在背條鳴聲信號(hào)中檢測(cè)到RCD，鳴聲信號(hào)在聲音通訊系統(tǒng)中往往具有較強(qiáng)的可塑性，其發(fā)生替代的速度可能會(huì)超過我們的預(yù)期。Gordon等(2017)在綠樹蛙和灰樹蛙的研究中發(fā)現(xiàn)，8年時(shí)間足以使同域物種在求偶鳴聲上發(fā)生RCD。

本研究發(fā)現(xiàn)，背條在通訊過程中存在RCD現(xiàn)象，表明RCD現(xiàn)象不僅適用于近緣物種，也可以廣泛產(chǎn)生于存在繁殖干擾的較遠(yuǎn)緣物種中，這拓展了RCD的概念。研究結(jié)果將為探索RCD的形成機(jī)制提供重要的指示作用，也為研究物種分化過程提供了啟示。本研究以背條為研究對(duì)象證明在背條-側(cè)條種間相互作用的過程中，背條存在RCD現(xiàn)象，后續(xù)研究若能將側(cè)條的鳴聲替代也考慮在內(nèi)，將為背條-側(cè)條的RCD研究提供更完整的藍(lán)圖。