基于轮廓几何形态测量学的羊鱼（Mullus spp.）鳞片形状变异：体侧空间梯度与体曲率关联分析

《Fishes》：Geometric Morphometric Analysis of Goatfish Scale Outlines: Spatial Gradient of Shape Variation

　　

真骨鱼类栉鳞（ctenoid scales）是真皮骨性结构，其形状在物种间以及单个个体不同身体区域间均存在变异。为研究这一变异性，研究人员从隶属于Mullus barbatus和Mullus surmuletus两个物种的6尾羊鱼标本的多个身体区域采集824枚鳞片（平均总长±标准误（standard error, SE）：22.5±0.9 cm）。鳞片形状采用基于轮廓的几何形态测量学（outline-based geometric morphometrics）进行量化，在R包Momocs中先进行椭圆傅里叶分析（elliptical Fourier analysis, EFA），随后进行主成分分析（principal component analysis, PCA）。结果显示，鳞片形状在物种间广泛重叠，但在个体内不同身体区域间差异明显。研究识别出两大鳞片形态类型：短而宽型与细长而窄型。在用于体曲率分析的两尾标本中，较细长的鳞片与曲率较高的区域相关。这些发现提示，鳞片形状变异的主轴可能更密切地与身体位置相关的解剖因素有关，但样本量较小限制了这些发现的普适性。该研究还强调，基于轮廓的几何形态测量学是一种高效且可重复的方法，可在不依赖人工选取标志点（landmarks）的情况下量化鳞片形状变异。

研究背景与问题：真骨鱼类鳞片是嵌入真皮的薄骨板，具机械保护、抵御病原和游泳水动力作用，其形态反映系统发育并受生态与运动适应影响。鳞片形状不仅种间不同，也可在同一个体不同体区变化，可能受水动力、游泳模式和局部体曲率影响；但物种身份与解剖位置对鳞片形状变异的相对贡献仍不清楚。羊鱼科（Mullidae）体形细长侧扁，具复杂栉鳞，是合适模型，但其鳞片定量分析仍少。研究人员假设解剖位置较物种身份与鳞片形状变异关联更强，旨在量化体侧鳞片形状变异、考察相关因素并评估个体间一致性，以连接鳞片形态与身体组织，为真骨鱼类被皮的功能与空间结构提供新见解。

研究人员采集Mullus barbatus Linnaeus, 1758 3尾和Mullus surmuletus Linnaeus, 1758 3尾（Ligurian Sea，Genoa鱼市场），按网格从体侧多区域采集824枚鳞片，最终分析786枚。结论为：所检标本中鳞片形状主要沿体侧空间结构化，种间重叠明显，体曲率与鳞片形状存在探索性关联；小样本限制普适性。意义在于强调个体内空间变异，并展示基于轮廓几何形态测量学的可重复定量潜力。

方法概述：采用基于轮廓的几何形态测量学（geometric morphometrics，对生物形状进行统计分析的形态学方法），以椭圆傅里叶分析（elliptical Fourier analysis, EFA）结合主成分分析（principal component analysis, PCA）在R包Momocs中量化轮廓；轮廓居中、缩放并插值100点，保留10个谐波（覆盖95%谐波功率），不归一化；协方差矩阵PCA降维。用PERMANOVA（permutational multivariate analysis of variance，置换多元方差分析）检验Zone与物种效应，前者以PC1–PC4分数、999次置换并按标本分层，后者基于标本均值（每种n=3）。对T31和T39沿Column切片，用ImageJ校准并以Kappa测体侧曲率（μm^?1），将Zone–File组合平均PC1、PC2与曲率作线性回归。样本来源为Ligurian Sea、Genoa鱼市场。

3.1 PCA：全局PCA中PC1解释65.8%，PC2解释22.6%，累计88.4%。PC1主要关联鳞片倾斜与整体方向；PC2呈明显形态梯度，负分为前后向较长型（longer antero-posteriorly, LAP），正分为背腹向较长型（longer dorso-ventrally, LDV）。Zone均值显示LAP型主要在尾区并少见于背腹区，LDV型多位于体侧中央。两物种高度重叠；标本水平T31、T33、T39相似，T34、T37、T38相似，未与物种一致；不同数据集PCA独立重算，梯度可由不同PC表示。

3.2 PERMANOVA：Zone解释22.7%总变异且显著（p=0.001），但独立标本少需谨慎。物种未检出显著差异（R²=0.032，F=0.132，p=1.000；每种n=3），受重复少及标本内平均限制。

3.3 鳞片形状的空间变异：全局与标本水平PCA显示沿前后轴和背腹轴连续变异。前后轴上，前中部以LDV型为主，向尾区（Zones N、O、X、Y及Columns C8、C9）转为LAP型；背腹轴上，中央区（Zones G、H）多LDV型，背腹区LAP型比例较高，后部更明显。PC1反映前缘方向变化，背腹区略不对称，中央更对称；按Zone、Columns和Quarters分组时模式明显。

3.4 体侧曲率分析：T31和T39个体PCA中PC1主要反映LDV向LAP变化，PC2涉及前缘倾斜。回归显示PC1与曲率显著负相关：T31斜率=?1782，95%置信区间（confidence interval, CI）?2349至?1215，R²=0.434，p<0.001；T39斜率=?2355，95% CI?3747至?963，R²=0.170，p=0.0013；PC2与曲率无清晰模式。表明受检两尾中较细长鳞片与较高曲率区域相关。

讨论总结：本研究以较细空间分辨率覆盖整个体侧，扩展了既往多采用标志点法、较少用Momocs轮廓分析且少关注个体内变异的工作。主要结果表明，所检标本中鳞片形态主要沿体侧结构化而非种间清晰分化；PCA与PERMANOVA一致显示空间结构，物种均值无显著差异，提示个体内空间变异可能超过种间差异，但标本数限制种间推断。LDV至LAP连续梯度及前缘倾斜变化提示鳞片形状非随机，可能反映功能或结构约束。曲率探索分析中PC1与体侧曲率显著关联，提示鳞片形状可能至少部分与体曲率相关机械或几何约束有关；但无直接运动学或力学测量，需进一步检验。化石鱼类常保存鳞片，若关系确认或可间接提供体曲率和外部解剖信息，但仍待测试。种间无清晰分化：两物种形态空间重叠且标本均值无显著差异，鳞片轮廓单独可能不足以区分；其近缘关系及相似生态位、栖息地和推测运动行为可能造成被皮机械、水动力和功能约束趋同；未检出差异不等于不存在种间差异，Zone仍留下大部分变异未解释。局限：786枚鳞片仅来自6尾，非完全独立重复；体长19.5–25.7 cm被排除，无法稳健评估异速；侧别采样不平衡；未正式评估操作者内重复性；轮廓起点自动确定且未约束于同源解剖位置，方向相关变异未解决。方法学上，基于轮廓的几何形态测量学可高灵敏探索空间趋势，较标志点法更全面且无需同源标志点，密集采样优于既往有限鳞片或区域研究。

研究结论翻译：鳞片形状在六尾Mullidae标本体侧显著变化，而在本采样中种间差异有限。对两尾标本的探索性分析还发现鳞片形态与体曲率之间存在关联，提示鳞片形态与体表几何可能相关。这些发现强调，在研究鳞片形态时需考虑个体内空间变异，并突出基于轮廓的几何形态测量学作为定量探索生物系统模式的强有力工具。