張 嬙,付世建,夏繼剛

重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室,重慶市動(dòng)物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331

與陸生動(dòng)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(jué)通訊受到很大限制,依賴于嗅覺(jué)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(bào)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(lái)的研究發(fā)現(xiàn)證實(shí)：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(xì)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(lái)自捕食者等外界的機(jī)械性損傷時(shí)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(jìn)化以及保護(hù)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(diǎn)。

對(duì)CAC的識(shí)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(dòng)物的生存適合度密切相關(guān)[6- 8]。盡管CAC對(duì)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(guò)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(duì)同生群個(gè)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(dòng)[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(jià)-收益(Cost-benefit)的權(quán)衡？

迄今為止,有關(guān)非繁殖期魚類對(duì)CAC的行為響應(yīng)及其生態(tài)機(jī)制已有較多研究報(bào)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(kāi)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(wú)產(chǎn)生CAC的細(xì)胞而雌魚有[14]；繁殖期不同性別曲口魚(Campostomaanomalum)產(chǎn)生CAC的細(xì)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(xì)胞,但卻對(duì)CAC無(wú)行為響應(yīng)[16]；類似地,生殖洄游期間太平洋鮭魚(Oncorhynchusnerka)對(duì)同伴遭遇應(yīng)激刺激后所釋放信號(hào)的行為響應(yīng)也存在性別差異[17]。那么,繁殖期魚類對(duì)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(wèn)題,本研究選取具有特殊繁殖方式的高體鳑鲏(Rhodeusocellatus)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)通過(guò)產(chǎn)卵管(Oviduct)將卵產(chǎn)至河蚌的外套腔內(nèi),同時(shí)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(wú)生殖洄游、無(wú)筑巢行為、無(wú)撫幼行為,產(chǎn)卵量和性腺指數(shù)較低),據(jù)此推測(cè)：①繁殖期高體鳑鲏的化學(xué)預(yù)警通訊不會(huì)缺失(推測(cè)一),②但繁殖投入較高的個(gè)體行為響應(yīng)較弱(推測(cè)二)。高體鳑鲏號(hào)稱“中國(guó)彩虹”、“水中蝴蝶”,尤其在繁殖期雄性個(gè)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(xiǎn),但雌魚體色卻無(wú)巨大變化,加之雄性相對(duì)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(duì)CAC的行為響應(yīng)程度更大(推測(cè)三)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

高體鳑鲏于2017年5月捕撈自重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室條件下馴養(yǎng)適應(yīng)2 d。馴養(yǎng)水槽長(zhǎng)200 cm、寬100 cm、高50 cm,實(shí)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(gè)體開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)(3.14±0.055) cm,n=11；雄魚：體重(0.83±0.074) g、體長(zhǎng)(3.32±0.092) cm,n=10)用于預(yù)警物質(zhì)的制備。首先將實(shí)驗(yàn)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(jì)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(xì)胞,過(guò)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(shí)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(shí)驗(yàn)研究。

1.2.2 行為學(xué)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)設(shè)備為自制的方形水槽(長(zhǎng)60 cm、寬10.5 cm、高60 cm)。將單尾實(shí)驗(yàn)魚轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)水槽(實(shí)際水深為30 cm),并給予15 min的適應(yīng)期(依據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,15 min后絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)魚的行為響應(yīng),拍攝時(shí)間為5 min(Pre-test)；采用注射器將CAC(實(shí)驗(yàn)組)或魚塘池水(Pool water, PW; 對(duì)照組)10 mL通過(guò)管道緩緩?fù)迫雽?shí)驗(yàn)水槽(操作時(shí)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(shí)驗(yàn)共使用測(cè)試水槽4個(gè),其中兩個(gè)用于實(shí)驗(yàn)組(被試雌雄實(shí)驗(yàn)魚各一個(gè)),兩個(gè)用于對(duì)照組(被試雌雄實(shí)驗(yàn)魚各一個(gè))；每做完一個(gè)重復(fù),將所有實(shí)驗(yàn)水槽沖洗三遍,確保無(wú)CAC及被試魚化學(xué)信息殘留。用于行為學(xué)測(cè)試的雌雄實(shí)驗(yàn)魚處理組和對(duì)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(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤軟件(EthoVision XT 9.0, Noldus, Netherlands)對(duì)視頻進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)魚空間分布狀態(tài)(底棲時(shí)間)、活躍狀態(tài)(靜止時(shí)間、運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)魚的圖心位移小于1 cm/s)、逃逸行為(高速運(yùn)動(dòng)時(shí)間,即運(yùn)動(dòng)速度大于30 cm/s的時(shí)間)的解析來(lái)量化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)魚的I級(jí)、II級(jí)和III級(jí)預(yù)警響應(yīng)。

1.2.3 形態(tài)及生理參數(shù)測(cè)定

視頻錄制結(jié)束后,將實(shí)驗(yàn)魚用MS- 222麻醉,檢測(cè)其健康狀況并用分析天平和直尺測(cè)定體重、性腺重、體長(zhǎng)、產(chǎn)卵管長(zhǎng)度(Oviduct length,OL)等,并依據(jù)以上參數(shù)計(jì)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(zhǎng),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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)。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(yàn)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(yàn)差異顯著性,采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)魚對(duì)PW和CAC的響應(yīng),采用Sign檢驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)前后(Pre-test vs. Post-test)動(dòng)物行為的變化,Spearman相關(guān)分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)魚行為變化與其生理參數(shù)(性腺指數(shù)GSI、產(chǎn)卵管長(zhǎng)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(duì)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(shí)間的顯著差異(P<0.05); #表示引入不同信息后底棲時(shí)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(duì)CAC的響應(yīng)

CAC對(duì)雌性實(shí)驗(yàn)魚的底棲時(shí)間影響顯著(P<0.05,表2,圖1)。不同性別鳑鲏底棲時(shí)間對(duì)CAC的響應(yīng)無(wú)顯著差異(P>0.05,表2,圖1)。

2.2 高體鳑鲏活躍狀態(tài)對(duì)CAC的響應(yīng)

CAC對(duì)雌雄實(shí)驗(yàn)魚靜止時(shí)間和身體不重合度影響顯著(P< 0.05,表2)；CAC僅對(duì)雌性實(shí)驗(yàn)魚的運(yùn)動(dòng)距離影響顯著(P<0.05)。不同性別實(shí)驗(yàn)魚靜止時(shí)間、運(yùn)動(dòng)距離和身體不重合度對(duì)CAC的響應(yīng)無(wú)顯著差異(P>0.05,表2,圖2)。

2.3 高體鳑鲏逃逸行為對(duì)CAC的響應(yīng)

CAC對(duì)實(shí)驗(yàn)魚的高速運(yùn)動(dòng)時(shí)間無(wú)顯著影響(P>0.05,表2,圖3)。不同性別實(shí)驗(yàn)魚高速運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)CAC的響應(yīng)無(wú)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(yùn)動(dòng)時(shí)間的變化與性腺指數(shù)(GSI)呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)(r=-0.445,P<0.05,表3,圖4),實(shí)驗(yàn)魚其余化學(xué)預(yù)警行為參數(shù)的變化與GSI、產(chǎn)卵管長(zhǎng)度(OL)、肥滿度(CF)等均無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05; 表3; 圖4)。

表2 化學(xué)信息和性別對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)CAC的行為響應(yīng)及其性別差異

本研究中,將高體鳑鲏對(duì)CAC的應(yīng)答分為三級(jí)行為響應(yīng),其重要特點(diǎn)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(shí)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(shí)間和靜止時(shí)間增加、運(yùn)動(dòng)距離和身體不重合度下降(研究結(jié)果支持“推測(cè)一”)；這表明繁殖期高體鳑鲏對(duì)CAC展現(xiàn)出較為溫和的行為應(yīng)答模式(I級(jí)和II級(jí))。另一方面,由于繁殖期魚類的游泳能力降低并且運(yùn)動(dòng)所需的能量代價(jià)增大,逃逸行為(III級(jí))作為高耗能的行為應(yīng)答,其對(duì)CAC的非顯著變化提示該物種可能存在基于能量代價(jià)-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(duì)于物理刺激也有反應(yīng)。

對(duì)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(gè)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(shí),雌性的底棲時(shí)間以及占用避難所的時(shí)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(huì)喪失覓食和尋找配偶的機(jī)會(huì)；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(duì)CAC的應(yīng)答無(wú)性別差異(研究結(jié)果不符合“推測(cè)三”),研究結(jié)果提示：盡管由于性選擇的作用繁殖期雄性個(gè)體色鮮麗,但是否這種體色的變化增加其被捕食風(fēng)險(xiǎn)有待于進(jìn)一步研究。

3.2 繁殖期高體鳑鲏對(duì)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?jī)?chǔ)備狀況的重要指標(biāo),為評(píng)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上顯著相關(guān)性,但GSI與反捕食行為存在負(fù)相關(guān)趨勢(shì)[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(wú)顯著相關(guān)性(研究結(jié)果不符合“推測(cè)二”),研究結(jié)果與Pollock等類似[21],但原因不盡相同。Pollock等認(rèn)為,實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)方面：

其一,高體鳑鲏與河蚌是共生關(guān)系,通過(guò)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(shí)驗(yàn)對(duì)象為野生種群,相對(duì)而言,魚體生理狀況仍趨近同質(zhì)化。從這一點(diǎn)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(duì)CAC的行為響應(yīng)可能更多的與其個(gè)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(gè)性行為可能掩蓋了繁殖狀態(tài)的效應(yīng),進(jìn)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(jìn)化生態(tài)學(xué)的視角來(lái)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(jī)械性損傷時(shí)釋放至水體,引起同伴預(yù)警/反捕食響應(yīng),對(duì)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(qiáng),化學(xué)預(yù)警通訊相對(duì)低效,在這種情況下,魚類對(duì)CAC的行為響應(yīng)程度可能更多的與其社群等級(jí)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(dòng)物通常面臨基于能量代價(jià)-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(cè)這種現(xiàn)象并不是普遍存在的(本研究已經(jīng)證實(shí)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(cè)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(cè)這種相關(guān)性的有無(wú)/強(qiáng)弱在不同魚類中可能差異較大,在未來(lái)研究中著眼于繁殖期不同繁殖投入/繁殖對(duì)策魚類的化學(xué)預(yù)警通訊的比較生理學(xué)與進(jìn)化生態(tài)學(xué)研究是十分必要的。