繁殖期高體鳑鲏對化學(xué)預(yù)警信息的行為響應(yīng)及其與生理狀態(tài)的關(guān)聯(lián)

張 嬙,付世建,夏繼剛

重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,進化生理與行為學(xué)實驗室,重慶市動物生物學(xué)重點實驗室, 重慶 401331

與陸生動物相比,由于受到水體透明度、濁度等生態(tài)因子的制約,魚類的視覺通訊受到很大限制,依賴于嗅覺系統(tǒng)的化學(xué)通訊成為魚類生存的必要選擇[1]。1942年,Frisch最先發(fā)現(xiàn)并報道了歐洲真鱥(Phoxinusphoxinus)化學(xué)預(yù)警信息(Chemical alarm cues, CAC)的釋放及其功能[2]。后來的研究發(fā)現(xiàn)證實：骨鰾總目中的大多數(shù)魚類,例如鯉科(Cyprinidae)、鯰科(Siluridae)、脂鯉科(Characidae)、慈鯛科(Cichlidae)和鮭科(Salmonidae)等魚類均可分泌CAC[3]。CAC是由魚類表皮棒狀細胞分泌的一種次黃嘌呤- 3-N-氧化物(Hypoxanthine- 3-N-oxide)或一組功能相似的化合物,當(dāng)魚體受到來自捕食者等外界的機械性損傷時釋放至水體,可引起同伴迅速的預(yù)警/反捕食響應(yīng)[4- 6],從而提高種群的整體適合度。由于其重要的生態(tài)學(xué)功能,CAC在魚類行為學(xué)、水域生態(tài)學(xué)、進化以及保護生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域已備受科學(xué)家重視,相關(guān)研究正逐漸成為熱點。

對CAC的識別與應(yīng)答體現(xiàn)了魚類在特定生理狀態(tài)和特定環(huán)境下的生態(tài)策略,與動物的生存適合度密切相關(guān)[6- 8]。盡管CAC對魚類的生存至關(guān)重要,然而由于魚類CAC的產(chǎn)生及其行為應(yīng)答本身是一種較為耗能的生理過程[9- 10],在不同生活史階段魚類往往面臨基于能量供需的“生存-繁殖”、“生存-發(fā)育”等的權(quán)衡(Trade-offs)。例如,我們前期研究發(fā)現(xiàn),生活史早期孔雀魚(Poeciliareticulata)仔魚并不表現(xiàn)出對同生群個體CAC的行為應(yīng)答,但發(fā)育14 d后的仔魚卻表現(xiàn)出顯著的行為回避響應(yīng)[6]。由于繁殖是一種高能耗的生命活動[6, 11],繁殖期魚類的化學(xué)預(yù)警通訊是否表現(xiàn)出基于能量代價-收益(Cost-benefit)的權(quán)衡？

迄今為止,有關(guān)非繁殖期魚類對CAC的行為響應(yīng)及其生態(tài)機制已有較多研究報道[9, 12- 13],僅有少量學(xué)者探究了繁殖期魚類的化學(xué)預(yù)警通訊。有趣的是,研究發(fā)現(xiàn)某些硬骨魚類繁殖期CAC的產(chǎn)生及其行為應(yīng)答模式缺失[14- 15](這也是很多學(xué)者在魚類化學(xué)預(yù)警通訊研究中避開繁殖期的主要原因),并且該變化特征顯著受到性別的影響。例如,繁殖期雄性黑頭呆魚(Pimephalespromelas)無產(chǎn)生CAC的細胞而雌魚有[14]；繁殖期不同性別曲口魚(Campostomaanomalum)產(chǎn)生CAC的細胞均大量缺失[15]；繁殖期盲鲃(Caecobarbusgeertsi)雖然保留了其體內(nèi)用于產(chǎn)生CAC的細胞,但卻對CAC無行為響應(yīng)[16]；類似地,生殖洄游期間太平洋鮭魚(Oncorhynchusnerka)對同伴遭遇應(yīng)激刺激后所釋放信號的行為響應(yīng)也存在性別差異[17]。那么,繁殖期魚類對CAC的行為應(yīng)答又是否存在性別差異？繁殖投入是否是魚類化學(xué)預(yù)警通訊弱化的主要原因呢？

為探究以上科學(xué)問題,本研究選取具有特殊繁殖方式的高體鳑鲏(Rhodeusocellatus)作為實驗對象。高體鳑鲏隸屬于鯉形目鯉科鳑鲏屬,是一種小型淡水魚類,廣泛分布于池塘、湖泊以及河灣緩流淺水區(qū)。該物種與河蚌(Unionidae)是共生關(guān)系,繁殖能力較弱,繁殖時通過產(chǎn)卵管(Oviduct)將卵產(chǎn)至河蚌的外套腔內(nèi),同時雄魚在河蚌入水孔附近排精,精子隨水流入外套腔完成受精,最終受精卵在河蚌鰓瓣中發(fā)育成幼魚后游出[18]。與大多數(shù)魚類相比,高體鳑鲏的繁殖投入較低(非卵胎生生殖方式、無生殖洄游、無筑巢行為、無撫幼行為,產(chǎn)卵量和性腺指數(shù)較低),據(jù)此推測：①繁殖期高體鳑鲏的化學(xué)預(yù)警通訊不會缺失(推測一),②但繁殖投入較高的個體行為響應(yīng)較弱(推測二)。高體鳑鲏號稱“中國彩虹”、“水中蝴蝶”,尤其在繁殖期雄性個體由于性選擇的作用體色格外鮮麗,這將可能增加其被捕食風(fēng)險,但雌魚體色卻無巨大變化,加之雄性相對較少的繁殖投入,③繁殖期高體鳑鲏的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)存在性別差異,即雄魚較雌魚對CAC的行為響應(yīng)程度更大(推測三)。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

高體鳑鲏于2017年5月捕撈自重慶師范大學(xué)進化生理與行為學(xué)實驗基地魚塘(該魚塘面積約為0.4669hm2,自然生態(tài)系統(tǒng)已維持十年以上),并于實驗室條件下馴養(yǎng)適應(yīng)2 d。馴養(yǎng)水槽長200 cm、寬100 cm、高50 cm,實際水深30 cm,馴養(yǎng)用水抽取自池塘。馴養(yǎng)期間,水溫(24±1)℃,溶解氧大于6 mg/L,馴養(yǎng)密度低于0.12 g/L,光周期12 L∶12 D；每日早晚(08:00 am和06:00 pm)以商業(yè)餌料各飽足投喂1次。馴養(yǎng)結(jié)束后,選取健康活潑、大小相近、處于繁殖Ⅳ期的個體開展實驗。

1.2 實驗方案

1.2.1 CAC制備

選取大小相近的性成熟高體鳑鲏(雌魚：體重(0.61±0.049) g、體長(3.14±0.055) cm,n=11；雄魚：體重(0.83±0.074) g、體長(3.32±0.092) cm,n=10)用于預(yù)警物質(zhì)的制備。首先將實驗魚鈍擊后斷頭處死,迅速剝離身體兩側(cè)的皮膚組織并精確計算出其面積大小,之后,將所剝離的皮膚組織混合加入一定量的水(魚塘池水)低溫勻漿,充分破碎皮膚細胞,過濾,并最終配制成10 mL/cm2的目標(biāo)溶液(CAC)[6, 8]。將目標(biāo)溶液及時分裝至若干10 mL的小袋中于-20℃冷凍保存并于一周內(nèi)用于實驗研究。

1.2.2 行為學(xué)測試

實驗觀測設(shè)備為自制的方形水槽(長60 cm、寬10.5 cm、高60 cm)。將單尾實驗魚轉(zhuǎn)移至實驗水槽(實際水深為30 cm),并給予15 min的適應(yīng)期(依據(jù)預(yù)實驗研究結(jié)果,15 min后絕大多數(shù)實驗魚恢復(fù)自發(fā)游泳狀態(tài))。適應(yīng)結(jié)束后,用攝像頭(Logitech Webcam Pro 9000,15幀/s)拍攝記錄實驗魚的行為響應(yīng),拍攝時間為5 min(Pre-test)；采用注射器將CAC(實驗組)或魚塘池水(Pool water, PW; 對照組)10 mL通過管道緩緩?fù)迫雽嶒炈?操作時間為30 s并給予30 s的加樣操作恢復(fù)期)；之后,接著拍攝記錄5 min(Post-test)。實驗共使用測試水槽4個,其中兩個用于實驗組(被試雌雄實驗魚各一個),兩個用于對照組(被試雌雄實驗魚各一個)；每做完一個重復(fù),將所有實驗水槽沖洗三遍,確保無CAC及被試魚化學(xué)信息殘留。用于行為學(xué)測試的雌雄實驗魚處理組和對照組均為20尾(n=20)。視頻錄制期間,水溫水質(zhì)條件與馴養(yǎng)期間保持一致。

采用Noldus動物運動軌跡跟蹤軟件(EthoVision XT 9.0, Noldus, Netherlands)對視頻進行分析。通過對實驗魚空間分布狀態(tài)(底棲時間)、活躍狀態(tài)(靜止時間、運動距離和身體不重合度,其中靜止?fàn)顟B(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)為實驗魚的圖心位移小于1 cm/s)、逃逸行為(高速運動時間,即運動速度大于30 cm/s的時間)的解析來量化實驗魚的預(yù)警響應(yīng)。本研究中,空間分布狀態(tài)、活躍狀態(tài)、逃逸行為分別被看作是實驗魚的I級、II級和III級預(yù)警響應(yīng)。

1.2.3 形態(tài)及生理參數(shù)測定

視頻錄制結(jié)束后,將實驗魚用MS- 222麻醉,檢測其健康狀況并用分析天平和直尺測定體重、性腺重、體長、產(chǎn)卵管長度(Oviduct length,OL)等,并依據(jù)以上參數(shù)計算出肥滿度(Condition factor,CF)和性腺指數(shù)(Gonado somatic index,GSI)(表1)。

CF=(m/L3) × 100,式中L為體長,m為體重；

GSI=m′/m× 100,式中m′為性腺重,m為體重。

1.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS軟件(SPSS 19.0 Inc., USA)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。首先對實驗數(shù)據(jù)進行正態(tài)性和方差齊性檢驗。若數(shù)據(jù)滿足正態(tài)性和方差齊性,采用雙因素方差分析和Tukey′sHSD多重比較檢驗差異顯著性；若數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性和方差齊性,采用Scheirer-Ray-Hare分析[19]檢驗差異顯著性,采用Mann-Whitney U檢驗分析實驗魚對PW和CAC的響應(yīng),采用Sign檢驗分析實驗前后(Pre-test vs. Post-test)動物行為的變化,Spearman相關(guān)分析檢測實驗魚行為變化與其生理參數(shù)(性腺指數(shù)GSI、產(chǎn)卵管長度OL、肥滿度CF)的關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,顯著性水平設(shè)在P<0.05。

表1 高體鳑鲏形態(tài)及生理參數(shù)

數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示(n=20)

2 結(jié)果

圖1 化學(xué)預(yù)警信息對不同性別高體鳑鲏空間分布的影響 Fig.1 The effects of chemical alarm cues and gender on the spatial distribution of Rhodeus ocellatus*表示引入信息前后底棲時間的顯著差異(P<0.05); #表示引入不同信息后底棲時間的顯著差異(P<0.05),PW: 池水 Pool water; CAC: 化學(xué)預(yù)警信息 Chemical alarm cues

2.1 高體鳑鲏空間分布對CAC的響應(yīng)

CAC對雌性實驗魚的底棲時間影響顯著(P<0.05,表2,圖1)。不同性別鳑鲏底棲時間對CAC的響應(yīng)無顯著差異(P>0.05,表2,圖1)。

2.2 高體鳑鲏活躍狀態(tài)對CAC的響應(yīng)

CAC對雌雄實驗魚靜止時間和身體不重合度影響顯著(P< 0.05,表2)；CAC僅對雌性實驗魚的運動距離影響顯著(P<0.05)。不同性別實驗魚靜止時間、運動距離和身體不重合度對CAC的響應(yīng)無顯著差異(P>0.05,表2,圖2)。

2.3 高體鳑鲏逃逸行為對CAC的響應(yīng)

CAC對實驗魚的高速運動時間無顯著影響(P>0.05,表2,圖3)。不同性別實驗魚高速運動時間對CAC的響應(yīng)無顯著差異(P>0.05,表2,圖3)。

2.4 高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與繁殖生理狀態(tài)的關(guān)系

除了高速運動時間的變化與性腺指數(shù)(GSI)呈現(xiàn)弱負相關(guān)(r=-0.445,P<0.05,表3,圖4),實驗魚其余化學(xué)預(yù)警行為參數(shù)的變化與GSI、產(chǎn)卵管長度(OL)、肥滿度(CF)等均無顯著相關(guān)性(P>0.05; 表3; 圖4)。

表2 化學(xué)信息和性別對高體鳑鲏行為響應(yīng)參數(shù)的影響

*P<0.05,差異顯著

表3 高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警響應(yīng)的變化與其繁殖生理狀態(tài)的關(guān)系

*P<0.05,差異顯著

圖2 化學(xué)預(yù)警信息對不同性別高體鳑鲏活躍性的影響Fig.2 The effects of chemical alarm cues and gender on the activity of Rhodeus ocellatus*表示引入信息前后活躍狀態(tài)的顯著差異(P<0.05)；#表示引入不同信息后活躍狀態(tài)的顯著差異(P<0.05)

圖3 化學(xué)預(yù)警信息對不同性別高體鳑鲏逃逸行為的影響 Fig.3 The effects of chemical alarm cues and gender on the escape behavior of Rhodeus ocellatus*表示引入信息前后逃逸行為的顯著差異(P<0.05)；#表示引入不同信息后逃逸行為的顯著差異(P<0.05)

圖4 高體鳑鲏性腺指數(shù)與其化學(xué)預(yù)警行為的關(guān)系Fig.4 The relationships between gonado somatic index and the changes of behavioral responses to chemical alarm cues in Rhodeus ocellatus

3 討論

3.1 繁殖期高體鳑鲏對CAC的行為響應(yīng)及其性別差異

本研究中,將高體鳑鲏對CAC的應(yīng)答分為三級行為響應(yīng),其重要特點分別是“底棲”、“靜止”、“逃逸”。與已有的大多數(shù)研究結(jié)果不同[14- 16],本研究證實了繁殖期高體鳑鲏依然展現(xiàn)出一定程度的化學(xué)預(yù)警通訊,主要體現(xiàn)在底棲時間和靜止時間增加、運動距離和身體不重合度下降(研究結(jié)果支持“推測一”)；這表明繁殖期高體鳑鲏對CAC展現(xiàn)出較為溫和的行為應(yīng)答模式(I級和II級)。另一方面,由于繁殖期魚類的游泳能力降低并且運動所需的能量代價增大,逃逸行為(III級)作為高耗能的行為應(yīng)答,其對CAC的非顯著變化提示該物種可能存在基于能量代價-收益(Cost-benefit)的權(quán)衡。此外,值得注意的是,加樣(加入PW或CAC)前后高體鳑鲏的行為也有一定的變化(圖1—3),提示繁殖期該物種對于物理刺激也有反應(yīng)。

對多數(shù)魚類而言,由于體型、體色、繁殖投入等的差異,不同性別個體的反捕食行為往往差異較大。例如,不同性別紅劍尾魚(Xiphophorushelleri)的預(yù)警響應(yīng)差異顯著,當(dāng)紅劍尾魚感知到化學(xué)預(yù)警信息時,雌性的底棲時間以及占用避難所的時間顯著高于雄性[20]。性別二態(tài)性使其獲得最大化的生存收益,即：雄性流線型的體型既不易被捕食又不會喪失覓食和尋找配偶的機會；雌性的身型限制了其逃逸能力,避難和底棲行為才能保證其安全[20]。本研究中,高體鳑鲏雖具性別二態(tài)性,但對CAC的應(yīng)答無性別差異(研究結(jié)果不符合“推測三”),研究結(jié)果提示：盡管由于性選擇的作用繁殖期雄性個體色鮮麗,但是否這種體色的變化增加其被捕食風(fēng)險有待于進一步研究。

3.2 繁殖期高體鳑鲏對CAC的行為響應(yīng)與其生理狀態(tài)的關(guān)聯(lián)

GSI和CF作為魚類性腺發(fā)育和能量儲備狀況的重要指標(biāo),為評估魚類的繁殖投入提供了參考。Pollock 等研究發(fā)現(xiàn),繁殖期黑頭呆魚的CF、GSI均與其反捕食行為無統(tǒng)計學(xué)意義上顯著相關(guān)性,但GSI與反捕食行為存在負相關(guān)趨勢[21]。然而,Bachman 1993發(fā)現(xiàn),CF較低的Belding′s地松鼠(Spermophilusbeldingi)警戒響應(yīng)更弱[22]。本研究顯示：繁殖期IV高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警行為的變化與其生理狀態(tài)(GSI、CF、OL)無顯著相關(guān)性(研究結(jié)果不符合“推測二”),研究結(jié)果與Pollock等類似[21],但原因不盡相同。Pollock等認為,實驗室馴養(yǎng)導(dǎo)致的魚體生理狀況同質(zhì)化是造成黑頭呆魚化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與生理狀態(tài)不相關(guān)的主要因素；本研究對象為高體鳑鲏野生種群,造成上述結(jié)果的原因可能有以下幾個方面：

其一,高體鳑鲏與河蚌是共生關(guān)系,通過河蚌完成受精以及胚胎和仔魚發(fā)育,繁殖投入較低。盡管實驗對象為野生種群,相對而言,魚體生理狀況仍趨近同質(zhì)化。從這一點考慮,造成高體鳑鲏化學(xué)預(yù)警行為與生理狀態(tài)不相關(guān)的原因本質(zhì)上與Pollock等相近。

其二,由于繁殖投入低,高體鳑鲏對CAC的行為響應(yīng)可能更多的與其個性行為(Personality)有關(guān)[23],而受繁殖狀態(tài)的影響小。本研究中,高體鳑鲏的個性行為可能掩蓋了繁殖狀態(tài)的效應(yīng),進而導(dǎo)致化學(xué)預(yù)警行為與生理狀態(tài)不相關(guān)。

其三,從進化生態(tài)學(xué)的視角來看,魚類的化學(xué)預(yù)警通訊反應(yīng)了魚類在特定生理狀態(tài)和特定環(huán)境下的生態(tài)策略。CAC為魚體遭遇捕食者等外界的機械性損傷時釋放至水體,引起同伴預(yù)警/反捕食響應(yīng),對提高種群生存適合度顯然是有利的；然而,繁殖期魚類的集群性不強,化學(xué)預(yù)警通訊相對低效,在這種情況下,魚類對CAC的行為響應(yīng)程度可能更多的與其社群等級地位、被捕食經(jīng)歷等有關(guān),而受生理狀態(tài)的影響較弱。

綜上,CAC在魚類捕食-反捕食功能關(guān)系中扮演重要角色,然而,在特定的生境和生理狀態(tài)下動物通常面臨基于能量代價-收益的權(quán)衡。盡管少量研究發(fā)現(xiàn)某些硬骨魚類繁殖期CAC的產(chǎn)生及其行為應(yīng)答模式缺失,但我們推測這種現(xiàn)象并不是普遍存在的(本研究已經(jīng)證實繁殖期高體鳑鲏依然展現(xiàn)出一定程度的化學(xué)預(yù)警通訊)；與Pollock等研究結(jié)果類似[21],盡管本研究也未檢測到魚類化學(xué)預(yù)警行為的變化與繁殖生理狀態(tài)的相關(guān)性,但我們推測這種相關(guān)性的有無/強弱在不同魚類中可能差異較大,在未來研究中著眼于繁殖期不同繁殖投入/繁殖對策魚類的化學(xué)預(yù)警通訊的比較生理學(xué)與進化生態(tài)學(xué)研究是十分必要的。