基于同步辐射显微CT的中国特有金线鲃属鱼类头部形态及对洞穴环境的适应演化研究

The diversity and endemicity of Chinese cavefish lead to their distinctive scientific questions. The cyprinid genus Sinocyclocheilus is endemic to China with more than 50 valid species, and almost all of which live in caves for at least part of their life cycles. The troglobitic Sinocyclocheilus species are well-known for their conspicuous morphological modifications in head, such as the upheaval of forehead, and the forward protruding horn-like structure which has been speculated as a potential constructive troglomorphic trait. Head is one of important subjects of the comparative anatomy of teleost, however, there are few reports on the morphology of head skeleton of Sinocyclocheilus cavefish. The limited availability of the rare specimens impedes the investigation of the head morphology using traditional anatomic approach, which in turn retards the study of cave-adaptive traits (troglomorphism) of the cephalic region of Sinocyclocheilus. X-ray microtomography is a non-invasive technique that allows performing high quality three-dimensional rendering and virtual dissection of the subjects without damaging the specimens. This project will employ conventional and synchrotron X-ray microtomography to obtain three-dimensional digital images of cephalic and related regions, and to compare the cephalic skeleton of hypogean and surface species, and to identify their evolutionary pattern (homology versus homoplasy) in the molecular phylogeny context.

我国洞穴鱼研究既有一般共性问题也有个性问题。中国特有金线鲃属鱼类是世界上洞穴鱼物种最多的一个属，其洞穴物种中独特的额部隆起、及头背交界处向前突起的“头角”结构是其它洞穴鱼所没有的；曾推测头角可能是正向洞穴适应特征。头部是全身骨骼最复杂之处，包含了丰富的分类与进化信息。由于野外种群小、个体数量少、受标本限制难以常规方法研究，因此不但对金线鲃头角结构所知甚少，而且大多数洞穴物种头部骨骼等都未见报导；这些形态特征对洞穴环境的适应演化研究更有待深入。同步辐射显微CT是新影像技术，具有高空间分辨、高密度分辨率、无损检测等优点，特别适用于珍稀标本。本项目拟以此为主要方法，获取金线鲃头部骨骼三维数字影像，在分子系统发育关系框架下比较不同洞穴物种、以及洞穴和地表物种间头部形态特征，探讨其洞穴适应演化含义。

中国特有金线鲃属鱼类是世界上洞穴鱼最多的一个属，其物种分化强烈，头部形态多样。除洞穴物种常见眼退化消失外，其最为独特之处在于部分洞穴物种头背处的向前突起的“头角”结构；这是世界上其它洞穴鱼类所没有的。但由于野外种群小、个体数量少，受标本限制难以常规方法开展研究，金线鲃头角的功能与演化尚不得而知。本项目利用SR-μCT/MicroCT对包含所有头角物种及洞穴物种在内的超过40种金线鲃头部结构进行了无损研究，复原了头角、咽齿及下咽骨、耳石等重要形态特征。同时首次获取了鹰喙角金线鲃、靖西金线鲃、西畴金线鲃等分子材料，构建了含51种金线鲃的cytb分子系统发育树。在此基础上我们探讨了金线鲃头角演化。我们首先识别出顶骨角型与额骨角型两个形态类别（morphotype）。透明金线鲃、叉背金线鲃等11个物种于顶骨角型（包括一个顶骨角型未描述种）。而鹰喙角金线鲃、安水金线鲃等5种属于额骨角型；其中鸭嘴金线鲃、田林金线鲃在左右额骨后部各生成一个前突。分子系统发育树显示顶骨角型物种与九圩金线鲃、短须金线鲃、高肩金线鲃聚为一支，我们称作P支；而额骨角型与靖西金线鲃、小眼金线鲃聚为一支，我们称作F支。这一结果显示金线鲃鱼类多样的头角具有两次起源，生物地理谱系分析表明顶骨角型起源早于云贵高原隆升。在本研究中，我们结果不支持靖西金线鲃作为单型属。.头角结构在硬骨鱼中也很罕见，我们从个体发育角度详细比较了大洋洲鲈形目钩头鱼的头角。其成年雄性头角完全由上枕骨嵴（supraoccipital crest）形成，所有个体上枕骨嵴内有一个缝隙样腔室，这可能是一个高级阶元的自体衍征。其稚鱼骨骼入选Australian Journal of Zoology的封面论文。我们认为不宜将钩头鱼和金线鲃的头角相提并论；金线鲃鱼类头角是一个与洞穴生活环境密切相关的特征（troglomorphic trait）。.“将先进技术方法与生物多样性资源结合”是本项目特色。我们优化了应用于珍稀物种的相关显微CT方法流程，发现我国特有鱼类三新属：野鲮亚科左江鱼属、蓝鲮属、沙塘鱧科细齿黝鱼属。