昆虫多样性监测装置及生物地理区划理论新进展

　　

近年来，昆虫多样性的快速下降引起了昆虫学家们的高度关注。为更好应对这场多样性危机，中国科学院动物研究所白明团队与英国自然历史博物馆Alfried团队于2017年联合提出了“SITE-100”（Site-based, Insects, Taxonomy, Environment, 100）国际大科学计划，拟通过在全球定点布设长期样地，定量评估昆虫多样性格局及其与环境之间的关系，以期揭示全球生物多样化的变化模式和机制。

近期，白明团队分别联合英国自然历史博物馆Alfried Vogler团队、韩国首尔大学Seunghwan Lee教授、安徽师范大学聂瑞娥团队等，创制一种基于新型近光式昆虫灯诱器（Portable Funnel Light Trap，PFLT），为夜间昆虫多样性定量监测提供新方案；以SITE-100秦岭样地鞘翅目叶甲科昆虫为研究对象，利用线粒体基因组学证据，揭示位于古北区与东洋区交界处的秦岭昆虫群落的系统发育起源。相关成果分别发表在Insects和Journal of Biogeography期刊上。

1. 设计和评估新型近光式昆虫灯诱器（Portable Funnel Light Trap，PFLT），加快节肢动物生物多样性的发现速度

2024年1月1日，Insects刊登了题为“Designing and Evaluating a Portable UV-LED Vane Trap to Expedite Arthropod Biodiversity Discovery”的文章。李升炫（Seunghyun Lee）博士为第一作者和通讯作者，Seunghwan Lee和白明研究员为共同通讯作者。

生物多样性关系人类福祉，是人类赖以生存和发展的重要基础。昆虫是生物多样性的重要组成部分。近年来，多项研究表明昆虫多样性正在快速下降，亟需采取有效保护措施。开展多样性调查与监测是保护的前提与基础。目前，因受基础设施等条件限制，部分地区如新热带区、热带区、东洋区，以及一些偏远的岛屿、森林等地区的多样性调查基础薄弱。灯光诱捕法是采集昆虫最有效的方法之一，但传统方法虽然可以获得几公里外趋光昆虫的样本，但所需设备笨重、组装流程复杂，不适在偏远地区使用。更重要的是无法精准获得百米范围内的夜行昆虫多样性动态，无法支撑区域性昆虫多样性定量评估的需求。

PFLT的设计和组装（白明团队供图）

白明团队与合作者共同开发了一种基于UV-LED的新型近光式昆虫灯诱器（Portable Funnel Light Trap，PFLT）。通过模块化、小尺寸设计，使得PFLT主要具备如下特点：（1）近距离诱集昆虫，可获得标本精确的位置信息；（2）持续时间长（可以超过11个小时或更长时间），节省人力；（3）被动式采集，价格低廉，可大规模布设；此外，该装置还具有易安装、体积小、质量轻、结构简单、适用于多种生境类型下的多个昆虫类群的采集。PFLT作为一种新型的、低成本的昆虫采集装置，适合在具有挑战性的野外条件下采集昆虫，特别是在未充分开发的地区和栖息地。高便携性和成本效益使其成为在更广泛的环境中进行生物多样性研究的理想选择，为基于样地进行长期监测以探索昆虫多样性格局和形成机制的“SITE-100”项目提供了又一种新型被动式采集方式，为昆虫多样性监测的定量化、可重复性、长期监测提供了一个新的解决方案，为“下一代分类学”的发展注入了新的动力！

文章链接：https://www.mdpi.com/2075-4450/15/1/21

2. 探究古北区与东洋区交界处昆虫区系系统发育起源：基于“样地”线粒体基因组学证据

2024年3月5日，Journal of Biogeography刊登了题为“Phylogenetic origin of an insect fauna at the boundary of the Palaearctic and Oriental realms: Evidence from ‘site-based’ mitogenomics”的文章。安徽师范大学聂瑞娥特任教授为第一作者（白明研究团队成员），中国科学院动物所杨星科研究员和英国帝国理工大学Vogler教授为共同通讯作者，SITE-100国际团队部分成员参与本项目工作。

无脊椎动物物种多样性丰富但缺乏分类学和物种分布信息，这使得全球范围内探究其生物地理学存在很大的挑战，同时也限制了理解地理区系之间的边界及其形成机制。基于样点宏基因组分析方法可以推断生物地理之间原位物种的形成机制，自2016年开始，聂瑞娥特任教授在杨星科研究员和Alfried Vogler教授的建议下开展秦岭山脉叶甲科区系的研究，秦岭山脉隶属于SITE100的计划之一的样地，是该计划在中国最早利用“样地法”探究生物多样性研究的样地，秦岭地理位置特殊位于古北区和东洋区的交接地带，为了探究秦岭山脉的边界问题，本研究选取分类学、系统学研究基础较好的叶甲科昆虫为研究对象，基于622个线粒体基因组数据对秦岭山脉区系组成及形成机制进行分析，除了秦岭山脉之外，还选取了古北区（Iberian Peninsula; 195 taxa）、东洋区（Borneo, Sabah; 205 taxa）、新北区（Panama; 96 taxa）及标本较少的其他3个区系等，其中秦岭、古北区、东洋区和新北区的样点均隶属于SITE-100的样地。通过系统发育分析、分歧时间估计、祖先分布区重建等多维度分析，证明了秦岭山脉叶甲科昆虫存在东洋区和古北区两个区系成分，迁入率很高尤其是以东洋区为主萤叶甲亚科，而以古北区为主的叶甲亚科较少，相对于古北、东洋和新热带区，秦岭的原位物种形成较少，秦岭叶甲年龄一般在20Ma以内。同时，该研究还表明基于样点的宏基因组方法在地理区划水平上展示了清晰的区划分支，说明它可以用于研究群体生物地理区划相关问题，比如主要区系边界产生和维持机制等。该研究是利用“SITE-100”样地数据解决昆虫地理区系问题的一个典型案例，为无脊椎动物地理区系研究提供了新的研究方法，为“下一代分类学”的内涵形成和路径探索提供了有力支持。

系统发育树及所用样本分布图（安徽大学聂瑞娥教授供图）

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jbi.14821

PFLT是白明团队研发的又一种新型被动式野外监测装置，基于线粒体基因组学数据探索生物地理格局是利用“SITE-100”样地数据解决重要科学问题的一个重要探索，结合此前团队创制的避水集虫器（WET）（Lee et al., 2023 Methods in Ecology and Evolution）、表型编码网络PENet（Zhao et al., 2023 Methods in Ecology and Evolution）、利用GPUs创建六边形自适应层次网格（Li et al., 2024 International Journal of Geographical Information Science TGIS），以及2023年10月主办的“一带一路”地区昆虫多样性格局评估与智能监测体系关键技术培训班，研究团队正在以“SITE-100”国际大科学计划为平台，聚焦昆虫标本高效采集与高质量监测、人工智能识别、地理大数据高效处理、生物地理学理论等多个发展方向，向着“推动经典分类学向下一代分类学”这一宏大的科学目标积极迈进。同时，积极开展国际交流与合作，推动在昆虫多样性格局评估、昆虫智能监测体系等方面技术标准体系的形成，为应对全球生物多样性危机、破除单一国家无法解决的生态矛盾、践行人类命运共同体的全球价值观注入新的动力。

这些工作获得了科技部国家重点研发计划、国家科技基础资源调查项目、国家自然科学基金委、东北亚生物多样性研究中心、贵州省科技计划项目、第二次青藏高原科学考察研究计划、中国科学院PIFI计划、安徽省高校杰出青年项目等项目的资助。