隐藏的地下景观破碎化对意大利古典喀斯特地区Proteus scopolii与P. xanthostictus物种分布的影响

《Diversity》：Hidden Subterranean Landscape Fragmentation Influences Species Distribution in Proteus scopolii and P. xanthostictus in the Classical Karst Sector

　　

摘要：地下环境以高度空间破碎化和有限连通性为特征，这强烈影响着穴居生物的遗传结构和物种分布。本研究调查了意大利古典喀斯特（Classical Karst）区域内Proteus scopolii与P. xanthostictus的出现情况与空间分布，该区域是意大利境内两种洞螈自然共存的唯一区域。研究人员利用线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（cytochrome c oxidase subunit I, COI）标记，结合形态学特征与缩放质量指数（Scaled Mass Index, SMI），对沿古典喀斯特水文梯度从多个洞穴采集的个体进行了物种分布评估。结果显示两种洞螈存在同域分布现象，并呈现出清晰的上游-下游分布梯度。在相距约1公里的Trebiciano洞穴与Luftloch洞穴之间检测到急剧的物种转变，表明存在限制物种分布的水文地质屏障。在下游的Reka–Timavo含水层系统与So?a–Isonzo含水层系统中，仅检测到P. scopolii。本研究是迄今为止在其最西端自然分布范围内针对洞螈种群开展的最大规模采样工作，突显了地下水文结构与局部屏障在塑造物种分布与遗传格局中的作用，并强调了喀斯特含水层的生态复杂性与保护重要性。

研究背景与科学问题

地下生态系统以高度的空间异质性、资源稀缺性和有限的生物连通性为特征，这些因素深刻影响着穴居生物的种群结构与地理分布。洞螈属（Proteus）作为欧洲唯一的专性地下水脊椎动物，也是欧盟栖息地指令附录II所列的唯一穴居生物，其分布范围局限于迪纳里克喀斯特（Dinaric Karst）的地下水域。近期分子研究将洞螈划分为九个独立物种，其中 Proteus scopolii 与 P. xanthostictus 在意大利东北部的弗留利-威尼斯朱利亚大区（Friuli Venezia Giulia）自然共存，构成了研究同域物种分布格局与生态分化的独特自然实验室。然而，此前关于意大利古典喀斯特（Classical Karst）地区这两种洞螈的种群规模、栖息地质量及遗传多样性数据极为匮乏，尤其是缺乏系统性的采样与整合分析。为此，研究人员开展了迄今为止在该区域最大规模的洞螈采集工作，旨在揭示两种洞螈的分布规律、种群丰度及其背后的水文地质驱动机制。

研究方法与技术路线

研究团队在意大利古典喀斯特地区覆盖的里雅斯特（Trieste）与戈里齐亚（Gorizia）两省约250 km2范围内，选取了9个地下采样点进行为期30天的系统性野外调查。这些点位包括直接连通Reka–Timavo河道的Trebiciano洞穴、Luftloch洞穴及Repen洞穴，以及位于Reka–Timavo泉水区与So?a–Isonzo含水层的6个站点。研究人员共采集136只洞螈个体，现场记录全长与体重，并拍摄照片用于后续形态测量。物种鉴定基于线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（COI）基因片段测序，并与已有参考序列进行比对。同时，研究人员利用标准化主轴回归（Standardized Major Axis, SMA）估算异速生长指数，计算缩放质量指数（Scaled Mass Index, SMI）作为身体条件的代理指标，并通过线性混合效应模型（Linear Mixed-Effects Model, LMM）比较不同种群间的体型与体况差异。

研究结果

3.1 野外活动

系统性野外勘探确保了目标区域的空间覆盖均匀性，详细记录了 P. scopolii 与 P. xanthostictus 种群的局部分布模式。综合采样涵盖了主要水文系统与外围喀斯特构造，为后续遗传与生物地理分析提供了稳健的代表性数据集。

3.2 遗传评估

初步测试显示18S rDNA的V4-V9高变区在两种洞螈间无多态性，因此不适合用于物种区分。最终基于COI线粒体区域构建了包含153条序列的数据集，涵盖571个核苷酸位点。其中95条序列归属于Kras/Carso谱系（即 P. scopolii），58条归属于Ljubljanica谱系（即 P. xanthostictus）。系统发育树清晰展示了两大高度支持的单系支系。

3.3 物种在古典喀斯特的分布

在所有分析的样本中，30%属于 P. xanthostictus，70%属于 P. scopolii，显示出明显的上游-下游地理梯度。在最上游的Trebiciano洞穴，P. xanthostictus 占优（65%），而仅1公里下游的Luftloch洞穴中，P. scopolii 成为优势种（73.3%）。在Luftloch洞穴更下游的区域及So?a–Isonzo含水系统中，仅检测到 P. scopolii。这一急剧的物种转变暗示喀斯特系统中的水文地质不连续性限制了扩散并促进了物种隔离。

3.4 体型

P. scopolii 在Reka–Timavo河段的平均全长为24.18 ± 3.95 cm，P. xanthostictus 为24.29 ± 2.87 cm，两者无显著差异。而来自泉水区与So?a–Isonzo含水层的 P. scopolii 平均全长仅为15.57 ± 3.15 cm，比河段个体短约29%，差异极其显著。

3.5 异速生长

标准化主轴回归分析显示，Reka–Timavo河段的 P. scopolii 呈正异速生长（b = 3.63），即随体型增大身体更为粗壮；而泉水区与含水层的 P. scopolii（b = 2.88）及 P. xanthostictus（b = 2.62）均符合等速生长。三种群的异速指数存在显著差异，河段 P. scopolii 的指数显著高于 P. xanthostictus。

3.6 种群内与种群间的身体条件

在共同尺度下（b = 2.93, L0 = 20.41 cm），Reka–Timavo河段的 P. scopolii 平均缩放质量指数（SMIc）为22.20 g，显著高于 P. xanthostictus 的16.89 g，高出约31%。这一差异在两个同域洞穴中均得到验证。泉水区与含水层的 P. scopolii SMIc最低（14.64 g），但与 P. xanthostictus 无显著差异。此外，河段 P. scopolii 在不同地点间的SMI存在差异（Luftloch > Trebiciano > Repen），表明局部环境条件影响体况。研究中还在Luftloch洞穴记录到意大利迄今最大的洞螈个体（全长31 cm，估计体重95 g）。

讨论与结论

研究人员指出，尽管仅使用了单一分子标记（COI），但已成功确认意大利古典喀斯特地区存在两个洞螈物种，并在两个洞穴中发现同域分布。两种 P. scopolii 种群间的表型差异更可能源于水文动态与食物可获得性的环境差异，而非遗传分化；而同域分布的 P. scopolii 与 P. xanthostictus 之间的体况差异则反映了物种特异的生长策略。Reka–Timavo系统的高水动力活动可能增强了整个地下河道中的资源供给，促进生长；而So?a–Isonzo含水层中食物资源可能在表层丰富但在深层受限，从而抑制了整体生长。研究还强调了采样效率与可探测性偏差的重要性——Reka–Timavo系统的复杂洞穴结构降低了捕获概率，可能使样本偏向于更易接近的个体。

研究结论：研究发现揭示了意大利古典喀斯特地区清晰的遗传与表型结构，两种洞螈在极小的空间尺度上共存并呈现急剧的纵向物种更替。这种格局表明喀斯特水文地质与受限的地下连通性在限制扩散与维持遗传分化中发挥关键作用。P. scopolii 在下游的主导地位及其跨Reka–Timavo与So?a–Isonzo系统的广泛分布进一步支持了地下水构型是物种分布的重要决定因素。在形态层面，同域分布的两种洞螈表现出不同的异速生长与体况，可能反映物种特异的生长策略；而不同水文区域的 P. scopolii 种群在体型与体况上的差异则更可能与局部环境条件相关。上游Reka–Timavo河段，特别是物种更替与同域分布最为显著的区域，是保护洞螈遗传与表型多样性的关键地带。保护地下水系统的完整性与连通性应被视为洞螈保护的核心组成部分。未来需整合精细水文地质学、营养生态学、生理学与基因组学数据，以厘清环境变异、表型可塑性与进化历史的相对贡献，进而完善针对这些高度特化且脆弱的穴居两栖动物的保护策略。