管氏腫腿蜂母蜂產(chǎn)卵前合作的適合度代價

莊桂苓, 郭曉萌, 孟 玲, 李保平

(南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院, 南京 210094)

硬皮腫腿蜂屬Sclerodermus寄生蜂雌蜂可合作寄生同一寄主，因而成為寄生蜂中唯一具有準社會性的類群(Tangetal., 2014)，是研究寄生蜂社會習性進化的難得材料(趙琪等, 2020)。硬皮腫腿蜂營群聚外寄生，母蜂(交配后雌蜂)可多頭合作制服體型較大、防衛(wèi)較強的天牛幼蟲寄主，并共同撫育子代蜂(Liuetal., 2011, 2021; 伍紹龍等, 2013; Tangetal., 2014)。母蜂合作可縮短制服寄主所需時間，減小被寄主傷害的風險，提高寄生成功率(康文通等, 2008;丁治國等, 2010; Tangetal., 2014; 林芳芳等, 2015； Gaoetal., 2016; 黃維亞和李莉, 2017； 伍紹龍等, 2017; 王瑜琪等, 2019; Abdietal., 2020a, 2020b)。合作行為得以進化的前提是適合度利益大于非合作行為，故有必要明確合作行為的適合度利益得失(Lin and Michener, 1972)。

管氏腫腿蜂S.guani母蜂合作包括產(chǎn)卵前的制服和產(chǎn)卵后的護幼階段(張衛(wèi)光等, 2004)，制服寄主依賴于母蜂的毒素(卓志航等, 2013)，但每頭母蜂的毒素含量有限，只有多頭雌蜂合作才可有效制服防衛(wèi)較強、體型較大的寄主(Tangetal., 2014)。雌蜂釋放毒素麻醉制服寄主必然付出一定的適合度代價，迄今尚不明確該代價的具體表征。

本研究以管氏腫腿蜂為對象，用黃粉蟲Tenebriomolitor蛹為替代寄主，任意2頭母蜂合作制服寄主0.5，1.5和2.5 d后，隨機保留其中1頭蜂(受益蜂)獨自繼續(xù)完成寄生過程，為另1頭蜂(利他蜂)提供1頭新寄主獨自完成寄生過程；觀察母蜂存活、產(chǎn)卵量和子代蜂發(fā)育表現(xiàn)，以明確母蜂在產(chǎn)卵前合作所付出的適合度代價，為認識管氏腫腿蜂合作行為的適應性提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

管氏腫腿蜂從江蘇省林業(yè)科學院森林保護研究所引進后，在養(yǎng)蟲室內(nèi)以松墨天牛Monochamusalternatus幼蟲為寄主繼代飼養(yǎng)，供試雌蜂(稱“母蜂”)3-5日齡，已交配且無寄生經(jīng)歷。黃粉蟲蛹可替代天牛幼蟲作為管氏腫腿蜂的寄主(賀凱等, 2006)，自江蘇省南京市夫子廟花鳥市場購得黃粉蟲幼蟲，帶回養(yǎng)蟲室用麥麩飼養(yǎng)；挑選24 h內(nèi)化的新鮮蛹為寄主供試。養(yǎng)蟲室溫度為26±0.5℃，相對濕度為60%～80%。

1.2 母蜂合作處理和觀測

隨機選取1頭黃粉蟲蛹，稱鮮重(Mettler Toledo，AL204-IC型，精確到0.001 g)后接入指形管(直徑1 cm，長度5 cm)，然后接入2頭母蜂(來自于不同母蜂的子代成蟲，3-5日齡，已交配且無寄生經(jīng)歷)，待2頭母蜂都(往往幾乎同時)爬上寄主后開始計時，于0.5，1.5和2.5 d(分別對應母蜂寄生過程中的蟄刺、清理和取食階段)后，隨機選擇其中1頭母蜂(稱“受益蜂”)繼續(xù)后續(xù)寄生過程，將另1頭母蜂(稱“利他蜂”)移至新指形管中提供1頭新寄主供其寄生。每天觀察1次，觀測記錄產(chǎn)卵前期、產(chǎn)卵數(shù)量(鑒于母蜂可能偶爾取食卵，取產(chǎn)卵4-6 d內(nèi)卵量最大的數(shù)值代表產(chǎn)卵量)、子代卵歷期和幼蟲歷期(取1頭寄主上所有子代個體的平均值)；待子代成蟲羽化后，收集所有子代蜂統(tǒng)計出蜂數(shù)和性比(用雄蜂占比表示)；鑒于性比極端偏雌，故將同一窩子代雌蜂集體稱重后再取平均值代表子代蜂個體大小?？紤]寄主中途死亡后無法觀測到某些后續(xù)發(fā)育特征，為確保各觀測變量的每個時段處理的有效重復數(shù)在20組利他蜂和受益蜂以上，3個合作時段處理的起始重復數(shù)分別為40組。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為估計母蜂的死亡風險(瞬時死亡概率)，用Cox比例風險模型擬合母蜂個體的存活時間；分析計算用R功能包survival(Themeau, 2015)。用泊松回歸模型擬合母蜂產(chǎn)卵數(shù)量和子代出蜂數(shù)量，用logistic回歸模型擬合子代蜂性比，用一般線性模型擬合母蜂產(chǎn)卵前期、子代雌蜂體重及子代蜂發(fā)育歷期。以合作時長和母蜂類型作為自變量因素，將寄主體重作為協(xié)變量以控制其影響；在擬合一般線性模型中用F測驗估計自變量的影響顯著性，在擬合廣義線性模型中用似然比卡方測驗估計自變量的影響顯著性；當合作時長因素有顯著影響時，在不同水平之間的差異用模型估計出的邊際均值進行比較，計算分析用R功能包emmeans(Lenth, 2019)。 數(shù)據(jù)分析采用R4.0.3統(tǒng)計軟件(RCoreTeam, 2020)。

2 結果

2.1 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的存活

利他蜂在產(chǎn)卵前期的瞬時死亡概率(死亡風險或存活函數(shù))與受益蜂的存在顯著差異(χ2=11.93,P<0.01)，該差異不受合作時長的影響(χ2=0.69,P=0.41)。利他蜂的死亡風險比受益蜂高5.4倍(圖1)。

圖1 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的存活曲線Fig. 1 Survival curves of altruistic and beneficiaryfoundresses of Sclerodermus guani after differentperiods of cooperation以黃粉蟲蛹作為替代寄主, 在兩頭已交配管氏腫腿蜂雌蜂(母蜂)分別合作0.5, 1.5和2.5 d后保留其中一頭(“受益蜂”)繼續(xù)后續(xù)寄生過程，將另一頭母蜂(“利他蜂”)移至一頭新寄主上完成寄生過程。下同。Tenebrio moliter pupae were used as the substitutive host. Two mated female wasps (foundresses) of S. guani were allowed to colonize together on a single host for different cooperation periods (0.5, 1.5, or 2.5 d) and then randomly retained one to continue the following parasitism on the host as the beneficiary foundress, while transferred another to a new host to make another parasitism as the altruistic foundress. The same below.

2.2 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的產(chǎn)卵前期

母蜂產(chǎn)卵前期受母蜂類型與合作時長互作(F2,50=4.00,P=0.02)和合作時長(F2,50=1.42,P<0.01)的影響，合作0.5 d(Z=0.93,P=0.35)后的利他蜂與受益蜂之間的產(chǎn)卵前期沒有顯著差異，合作1.5 d的利他蜂產(chǎn)卵前期比受益蜂的縮短14.1%(Z=-2.57,P=0.01)，合作2.5 d的利他蜂的產(chǎn)卵前期比受益蜂的縮短28.6% (Z=-2.06,P=0.04)(圖2)。

圖2 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂與受益蜂的產(chǎn)卵前期Fig. 2 Pre-oviposition time of altruistic andbeneficiary foundresses of Sclerodermus guaniafter different periods of cooperation部分數(shù)據(jù)點由于數(shù)值相同而重疊,下同。Some of the data points are overlapped for having the same value. The same below.

2.3 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的產(chǎn)卵量

產(chǎn)卵量不受合作時長與母蜂類型互作(χ2=2.16,P=0.34)、母蜂類型(χ2=0.10,P=0.75)及合作時長(χ2=1.01,P=0.60)的影響；利他蜂和受益蜂的平均產(chǎn)卵量分別為38.41和37.34粒(圖3)。

圖3 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂與受益蜂的產(chǎn)卵量Fig. 3 Number of eggs laid by altruistic and beneficiaryfoundresses of Sclerodermus guani afterdifferent periods of cooperation鑒于母蜂可能偶爾取食卵，取產(chǎn)卵4-6 d內(nèi)卵量最大的數(shù)值代表產(chǎn)卵量。Due to occasional ovicide, we adopt the highest number of eggs laid on the host during 4-6 d of oviposition.

2.4 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的子代卵歷期

子代卵歷期不受合作時長與母蜂類型互作(F1,52=0.36,P=0.55)及合作時長(F1,52=0.70,P=0.41)的影響，但受母蜂類型(F1,52=8.08,P<0.01)的影響，利他蜂比受益蜂的子代卵歷期延長6.8%(圖4)。

圖4 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂子代卵歷期Fig. 4 Egg duration of offspring of altruistic andbeneficiary foundresses of Sclerodermus guaniafter different periods of cooperation

2.5 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的子代幼蟲歷期

子代幼蟲歷期不受合作時長與母蜂類型互作(F1,52=0.08,P=0.77)的影響，但受母蜂類型(F1,52=22.74,P<0.01)及合作時長(F1,52=12.59,P<0.01)的影響，利他蜂的子代幼蟲歷期比受益蜂的延長8.4%；合作0.5 d下的子代幼蟲歷期比合作1.5 d及合作2.5 d下的子代幼蟲歷期分別縮短6.6%和4.7%(圖5)。

圖5 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的子代蜂幼蟲歷期Fig. 5 Larval duration of offspring of altruistic andbeneficiary foundresses of Sclerodermus guaniafter different periods of cooperation

2.6 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的子代出蜂數(shù)量

子代出蜂數(shù)量不受合作時長與母蜂類型互作(χ2=0.40,P=0.82)、母蜂類型(χ2=0.07,P=0.79)及合作時長(χ2=1.52,P=0.47)的影響；利他蜂與受益蜂的子代平均出蜂數(shù)分別為26.97和26.41頭(圖6)。

圖6 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的子代出蜂數(shù)量Fig. 6 Number of offspring emerged to adulthoodproduced by altruistic and beneficiary foundressesof Sclerodermus guani after differentperiods of cooperation

2.7 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的子代蜂性比

子代蜂性比(雄性占比)不受合作時長與母蜂類型互作(χ2=2.37,P=0.31)、母蜂類型(χ2=1.37,P=0.24)以及合作時長(χ2=3.36,P=0.19)的影響。利他蜂與受益蜂的子代蜂平均性比分別為3.4%和5.2%(圖7)。

圖7 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的子代蜂性比(雄性比例)Fig. 7 Sex ratio (proportion of males) of offspring atemergence produced by altruistic and beneficiaryfoundresses of Sclerodermus guani afterdifferent periods of cooperation

2.8 不同合作時長下子代雌蜂體重

子代雌蜂體重受合作時長與母蜂類型互作(F2,51=6.49,P<0.01)的影響；利他蜂與受益蜂之間的子代雌蜂體重在合作0.5 d(z=0.50,P=0.62)和1.5 d(z=0.43,P=0.67)下沒有顯著差異，在合作2.5 d下利他蜂的子代雌蜂體重比受益蜂的減小25.4%(z=-4.51,P<0.01)(圖8)。

圖8 不同合作時長下管氏腫腿蜂利他蜂和受益蜂的子代雌蜂體重Fig. 8 Body weight of female offspring adults atemergence produced by altruistic and beneficiaryfoundresses of Sclerodermus guani afterdifferent periods of cooperation

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，無論合作時間長短，利他蜂的死亡風險顯著大于受益蜂(圖1)。該結果說明母蜂合作制服寄主需付出生存適合度代價。

利用毒素廣泛存在于膜翅目昆蟲中(Walker, 2020)，在寄生性(外寄生蜂)、捕食性(胡蜂、螞蟻)和植食性(蜜蜂)類群的雌性生殖系統(tǒng)中由附腺演化出發(fā)達的毒腺，從而使雌蜂制服寄主順利完成寄生或削弱獵物防衛(wèi)將其捕食。外寄生蜂產(chǎn)卵及其子代幼蟲在寄主體表生活(Godfray, 1994)，故在面臨寄主的防衛(wèi)時，只有先刺扎寄主釋放足夠的毒素(以寄主體型大小而定)將其麻醉后，方可產(chǎn)卵。例如，川硬皮腫腿蜂S.sichuanenensis的毒腺體積占雌性生殖系統(tǒng)的很大比例(蔣學建和周祖基， 2006)。硬皮腫腿蜂制服寄主依賴于母蜂的毒素存量(Huetal., 2012; 卓志航等, 2013)，通過注射毒液制服寄主是產(chǎn)卵的必要前提(Tangetal., 2014; Liuetal., 2021)。毒素是高代價有限資源(Morgenstern and King, 2013)，所以，母蜂合作制服寄主理應付出一定的適合度代價。本研究明確,硬皮腫腿蜂母蜂在產(chǎn)卵前的合作所付出的代價首先體現(xiàn)在生存上。

本研究未發(fā)現(xiàn)合作時長影響利他母蜂與受益母蜂的生存差異(圖1)。這意味著母蜂刺扎寄主釋放毒素的行為可能發(fā)生在很短的時間內(nèi)，至少短于本研究設置的最短合作時長(0.5 d)。母蜂在產(chǎn)卵前可能先快速麻痹寄主，然后清潔寄主體表和吸食寄主獲取補充營養(yǎng)(張衛(wèi)光等; 2004; 康文通等; 2008; 吳偉等, 2008)。所以，需進一步研究更短時間合作的影響，以更精確定量適合度代價與毒素投入之間的關系。除適合度代價外，利他蜂的產(chǎn)卵前期較短、卵和幼蟲發(fā)育期較長，在合作時間較長情況下子代雌蜂體型也較小(圖2, 4, 5, 8)。這說明母蜂的合作不僅付出毒素代價，而且還有其他方面的代價。

合作行為進化的基本前提是獲得的適合度利益大于獨自生活所得，利他性的演化可通過親緣關系提高廣義適合度(Hamilton, 1964)而實現(xiàn)；如果合作者之間沒有親緣關系，則可能通過提高合作者在特殊環(huán)境條件下的適合度而得以實現(xiàn)(Clutton-Brock, 2009)。盡管親緣關系可在一定程度上影響硬皮腫腿蜂的合作行為(Abdietal., 2020a, 2020b)，但無親緣關系的硬皮腫腿蜂母蜂通過合作可利用體型更大的寄主，從而提高各自的適合度(Tangetal., 2014)。本研究明確了母蜂合作所付出的代價，從而支持生態(tài)因素促使硬皮腫腿蜂合作的解釋。