周天成, 胡思敏, 林先智, 劉 勝, 黃 暉, 3

基于18S rDNA條形碼技術(shù)的珊瑚礁區(qū)塔形馬蹄螺()食性分析

周天成1, 2, 胡思敏1, 林先智1, 2, 劉 勝1, 黃 暉1, 3

(1. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 中國(guó)科學(xué)院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東省應(yīng)用海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510301; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國(guó)科學(xué)院海南熱帶海洋生物實(shí)驗(yàn)站, 海南 三亞 572000)

塔形馬蹄螺()是一種暖水性較強(qiáng)的海洋貝類, 也是一種重要的礁棲生物, 研究其自然環(huán)境中的食物組成對(duì)于認(rèn)識(shí)其生態(tài)功能具有重要意義, 但由于缺少直接的食物組成信息, 對(duì)其食性和生態(tài)功能定位尚不明確。本研究于2017年春季在南沙珊瑚礁區(qū)采集了塔形馬蹄螺樣品, 以18S rDNA可變區(qū)(V4)序列為靶標(biāo), 用高通量測(cè)序技術(shù)分析了其現(xiàn)場(chǎng)食物組成。共測(cè)得41個(gè)OTU, 分屬11個(gè)門類, 包括節(jié)肢動(dòng)物門(Arthropoda)、子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、絲足蟲(chóng)門(Cercozoa)、刺胞動(dòng)物門(Cnidaria)、Stramenopiles(不等鞭毛類)、網(wǎng)粘菌門(Labyrinthulomycota)、軟體動(dòng)物門(Mollusca)、多孔動(dòng)物門(Porifera)、甲藻門(Pyrrophyta)、捕蟲(chóng)霉亞門(Zoopagomycota)。與以往研究不同的是, 本研究發(fā)現(xiàn)塔形馬蹄螺消化道中存在大量沉積物碎屑, 其中有孔蟲(chóng)、真菌、后生動(dòng)物是最重要的類群, 占食物序列組成的99.76%, 它們主要存在于海洋沉積物、有機(jī)碎屑和礁石表生藻類基質(zhì)(Epilithic algal matrix, EAM)中。研究結(jié)果揭示了塔形馬蹄螺的食物主要來(lái)源于EAM中的小型生物和碎屑以及珊瑚礁石上的有害生物, 推測(cè)塔形馬蹄螺屬于沉積物碎屑食性生物, 可能在清除珊瑚表面藻類基質(zhì)、促進(jìn)珊瑚幼體附著過(guò)程中發(fā)揮一定的作用, 對(duì)于維護(hù)珊瑚生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定具有積極意義。

塔形馬蹄螺(); 食性; DNA條形碼; 生態(tài)功能; 珊瑚礁

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)具有極高的生物多樣性和生產(chǎn)力, 礁棲生物之間復(fù)雜的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系是保證物質(zhì)和能量高效傳遞的基礎(chǔ), 其中底棲生物在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)遷移與轉(zhuǎn)化、能量流動(dòng)中發(fā)揮重要作用[1]。底棲生物的攝食活動(dòng)可在一定程度上維持底棲群落的穩(wěn)定, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到一定的調(diào)控作用[2]。因此, 研究底棲生物的現(xiàn)場(chǎng)食物組成有助于認(rèn)識(shí)其在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和自我調(diào)控過(guò)程中的生態(tài)功能[3]。

軟體動(dòng)物是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中底棲生物的重要優(yōu)勢(shì)類群, 其物種數(shù)可占底棲生物群落的38.85%[4], 生物量可占50.74%[5]。腹足綱(螺類)是軟體動(dòng)物門中最大的一綱, 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的螺類主要棲息于珊瑚礁石或沉積物表面, 不同種的螺食性差別較大, 食物種類包括珊瑚組織、藻類和小型底棲動(dòng)物[6-8]等, 其攝食特征將直接影響珊瑚礁的健康狀況。但這些觀點(diǎn)都是基于室內(nèi)模擬或野外觀察得出的推測(cè), 缺少直接的胃容物證據(jù), 因而容易誤判其自然狀況下的真實(shí)食性, 如Marshell等通過(guò)野外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)櫛齒刺尾魚(yú)()可以減少礁石表生藻類基質(zhì)EAM(Epilithic algal matrix)的生物量而認(rèn)為其屬于植食性魚(yú)類[9],但Tebbett通過(guò)顯微鏡檢測(cè)消化道內(nèi)容物發(fā)現(xiàn)櫛齒刺尾魚(yú)主要攝食碎屑和沉積物(占比99.6%~100%), 極少攝食EAM中的藻類, 從而確定其屬于碎屑食性魚(yú)類[10]。

對(duì)于類似植食性或碎屑食性底棲生物的攝食研究, 消化道內(nèi)容物分析是目前比較常用的方法, 但是這種基于形態(tài)學(xué)鑒定的傳統(tǒng)方法仍具有一定的局限性, 無(wú)法獲取準(zhǔn)確的食物種類組成信息[10], 從而難以準(zhǔn)確分析其在珊瑚礁食物網(wǎng)中的具體位置和功能作用?；诟咄繙y(cè)序技術(shù)(High-throughput sequencing technology)的分子標(biāo)記方法在攝食生態(tài)學(xué)研究中應(yīng)用前景巨大, 解決了形態(tài)學(xué)鑒定中食物碎片難以分辨的問(wèn)題, 可以更為全面的覆蓋研究對(duì)象的食物譜, 往往能發(fā)現(xiàn)之前容易忽視的食物來(lái)源。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于多種海洋生物的攝食研究, 如橈足類、方格星蟲(chóng)、刺參、金錢魚(yú)稚魚(yú)、龍蝦、樽海鞘等[11]。Zhang使用高通量測(cè)序技術(shù)分析了刺參()的食物組成, 共獲取823個(gè)有效食物序列分屬于 40個(gè)食物門類, 包括硅藻、節(jié)肢動(dòng)物、有孔蟲(chóng)和軟體動(dòng)物等, 結(jié)果顯示海參的食物來(lái)源并非只有沉積物中的有機(jī)碎屑, 也包括水體中的藻類和有機(jī)物[11], 而傳統(tǒng)研究無(wú)法確定這些碎屑的具體組成和來(lái)源, 體現(xiàn)了高通量測(cè)序技術(shù)在底棲生物食性分析方面的有效性和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

南沙珊瑚礁區(qū)常夏無(wú)冬, 表層海水溫度較高,而年溫差較小, 平均水溫27.9℃[12], 適合珊瑚生長(zhǎng), 其生物物種十分豐富, 是世界上熱帶生物種類最豐富的區(qū)域之一。南沙群島已報(bào)道的底棲生物種類有309科837屬1 444種[4], 但以往對(duì)南沙珊瑚礁區(qū)多關(guān)注造礁石珊瑚和礁棲魚(yú)類的群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)分布, 對(duì)底棲生物生態(tài)功能的認(rèn)識(shí)尚不明確。馬蹄螺科暖水性較強(qiáng), 生活于熱帶珊瑚礁和亞熱帶巖礁海域, 是南沙珊瑚礁區(qū)常見(jiàn)的底棲生物[13]。塔形馬蹄螺()是其中重要的代表種, 也是南方沿海的重要經(jīng)濟(jì)貝類[14]。本文通過(guò)特異性引物擴(kuò)增塔形馬蹄螺消化道樣本中真核生物18S rDNA 的可變區(qū)片段, 構(gòu)建高通量測(cè)序文庫(kù)并對(duì)18S rDNA可變區(qū)序列進(jìn)行分析, 從而準(zhǔn)確鑒定塔形馬蹄螺的食物組成, 推測(cè)其食物來(lái)源以及在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)功能。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與處理

2017年春季在南沙群島珊瑚礁水域進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和采樣, 調(diào)查區(qū)域(8°51′—9°54′N, 112°50′—115°35′E)見(jiàn)圖1。本次調(diào)查區(qū)域礁石上的EAM覆蓋面積大, 采集到的塔形馬蹄螺大多生活在EAM中。在采樣區(qū)域內(nèi)徒手采集塔形馬蹄螺樣品裝入網(wǎng)兜, 帶回船上立即用封口袋包裝放入–20℃冰箱保存待用。

圖1 調(diào)查區(qū)域地理位置(紅色方框, 審圖號(hào): 0010287159)及塔形馬蹄螺自然生境情況

1.2 消化道內(nèi)容物的處理及DNA提取

共采集到大小相近的塔形馬蹄螺16個(gè),重量95.14±16.66 g, 螺殼寬56.44±4.85 mm。用無(wú)菌解剖刀迅速解剖馬蹄螺, 從消化道中小心提取其內(nèi)容物, 使用MP糞便DNA快速提取試劑盒(FastDNA? Spin Kit for Feces, MP Biomedicals, Santa Ana, USA)提取消化道內(nèi)容物DNA, 溶于30 μL Tris-HCl(10 mmol·L–1, pH 8.0), DNA純度和含量使用分光光度法檢測(cè)(Thermo NanoDrop ND-2000; Gene Company Limited, Waltham, Massachusetts, USA), 提取的DNA置于–20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 高通量測(cè)序

使用擴(kuò)增片段約為380 bp的通用引物TAReuk454FWD1-TAReukREV3 (TAReuk454FWD1: 5′-CCAGCASCYGCGGTAATTCC-3′; TAReukREV3: 5′-ACTTTCGTTCTTGATYRA-3′)[15], 對(duì)塔形馬蹄螺消化道內(nèi)容物的18S rDNA V4區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增, 該區(qū)域是真核生物18S rDNA可變區(qū)域之一, 使用最多、數(shù)據(jù)庫(kù)信息最全、分類效果最好, 是18S rDNA基因分析注釋的最佳選擇[16]。擴(kuò)增在20 μL體系中進(jìn)行: 0.4 μL FastPfu聚合酶, 2 μL 2.5 mmol·L–1dNTPs, 4 μL 5×FastPfu緩沖液, 5 μmol·L–1的正反引物各0.8 μL, 10 ng DNA模板。PCR擴(kuò)增程序設(shè)定為: 95℃預(yù)變性 5 min; 95℃變性30 s, 55℃退火30 s, 72℃延伸45 s, 進(jìn)行27個(gè)循環(huán); 最后72℃延伸10 min。

PCR產(chǎn)物經(jīng)2%瓊脂糖電泳檢測(cè)后, 在Illumina HiSeq測(cè)序平臺(tái)(Illumina, San Diego, CA, USA)進(jìn)行高通量測(cè)序。得到的原始下機(jī)數(shù)據(jù)(Raw Data)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)拆分、去引物序列、PE Reads拼接、Tags質(zhì)量及長(zhǎng)度過(guò)濾和截取, 然后去除嵌合體后得到最終的有效序列(Effective Sequence)。然后基于有效序列進(jìn)行OUT (operational taxonomic units)聚類和物種分類分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

為了得到OTU對(duì)應(yīng)的物種分類信息, 使用RDP classifier貝葉斯算法對(duì)97%相似水平的OTU代表序列進(jìn)行分類學(xué)分析, 并在各個(gè)水平統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣本的群落組成, 比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)為Silva_128 18S rRNA database(http: //www.arb-silva.de/)。使用BLAST(basic local alignment search tool)與GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行核對(duì)(http: //blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi), 下載相似度最高的同源序列, 與測(cè)得的OTU序列進(jìn)行排列(CLUSTAL W 1.8), 剔除掉塔形馬蹄螺自身序列后, 使用MEGA7.0 構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù), 以大鼠(sp.)為外群, 算法選擇最大似然法(Maximum Likelihood)。

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)序數(shù)據(jù)評(píng)估

對(duì)塔形馬蹄螺消化道內(nèi)容物樣品進(jìn)行高通量測(cè)序, 共獲得有效序列64 199條, 序列平均長(zhǎng)度為363.12 bp, 去除塔形馬蹄螺自身序列30 698條后, 有效食物序列共32 982條, 占總有效序列的51.37%。若序列相似性≥97%, 則認(rèn)為可以鑒定到種水平[17]; 若序列相似性為90%~97%, 則認(rèn)為可以鑒定到屬水平[18]。根據(jù)比對(duì)結(jié)果, 本次鑒定到種的OTU占63.41%, 鑒定到屬的OTU占31.71%, 鑒定到其他分類等級(jí)的OTU僅占4.88%(圖2)。

圖2 食物序列在不同分類水平上的豐度分布

2.2 塔形馬蹄螺的食物組成

去除塔形馬蹄螺自身序列、無(wú)法鑒定且數(shù)量較少的序列后, 共獲得41個(gè)OTU, 分屬于11個(gè)門類(圖3): 節(jié)肢動(dòng)物門(Arthropoda)、子囊菌門(Asco-my-cota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、絲足蟲(chóng)門(Cercozoa)、刺胞動(dòng)物門(Cnidaria)、Stramenopiles(不等鞭毛類)、網(wǎng)粘菌門(Labyrinthulomycota)、軟體動(dòng)物門(Mollusca)、多孔動(dòng)物門(Porifera)、甲藻門(Pyrrophyta)、捕蟲(chóng)霉亞門(Zoopagomycota)。有孔蟲(chóng)是食物序列中最豐富的類群, 占總食物序列的89.967%, 包含8個(gè)OTU, 均屬于絲足蟲(chóng)門。后生動(dòng)物占據(jù)食物序列組成的比例雖然不高, 僅為2.795%, 但種類豐富, 包括9個(gè)OTU, 屬于石珊瑚、水螅蟲(chóng)、介形蟲(chóng)、海綿、螺等生物類群, 其中珊瑚2種(指狀薔薇珊瑚和細(xì)柱濱珊瑚), 水螅蟲(chóng)2種(植叢管螅和), 介形蟲(chóng)2種(陸奧彎角介和), 海綿動(dòng)物2種(山海綿和穿貝海綿), 螺類1種(玉輪螺屬)。此外, 還有少量的藻類, 均為甲藻(卵甲藻屬2種, 費(fèi)氏藻屬1種), 占食物序列的0.236%。

圖3 基于OTU構(gòu)建的 ML 系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)

食物序列中另一個(gè)重要類群是海洋真菌, 占食物序列的5.979%, 包含18個(gè)OTU, 主要為沉積物來(lái)源的子囊菌和擔(dān)子菌, 如sp.、、、、, 也包括一些碎屑表生真菌, 如、、、以及少量藻類共附生真菌, 如、、。

此外還有一些分類地位尚不明確或無(wú)法鑒定到種屬的OTU, 占食物序列的1.082%, 包括不等鞭毛類(sp., 相似性82%)、接合菌類(, 相似性85%)等。

綜上, 塔形馬蹄螺的食物序列種類十分多樣(圖4), 在門水平(phylum)上: 有孔蟲(chóng)占據(jù)了可識(shí)別食物序列總數(shù)的絕大部分(89.967%), 此外, 真菌占7.061%, 其余生物類群的序列所占比例較少: 珊瑚占0.894%、海綿占0.810%、介形蟲(chóng)占0.491%、水螅占0.409%、藻類僅占0.236%。根據(jù)食物序列的門類及其比例可以判斷, 本次在南海海域采集到的塔形馬蹄螺的主要食物類群是有孔蟲(chóng)、真菌等, 食物序列中有97.028%可能來(lái)源于碎屑和沉積物。

圖4 塔形馬蹄螺消化道內(nèi)食物組成比例(扇形大小代表序列數(shù)目)

注: a: 門水平(Phylum) b: 目水平(Order, 選取序列相對(duì)含量前10的目)

3 討論

自然海域中, 底棲生物食性與所處環(huán)境有一定的關(guān)系, 其食物來(lái)源廣泛且食物種類多樣, 利用光學(xué)顯微鏡鑒定與計(jì)數(shù)的傳統(tǒng)食性分析方法難以準(zhǔn)確獲取食物信息[10-11], 傳統(tǒng)測(cè)序方法(Sanger測(cè)序)可以比較準(zhǔn)確地鑒定餌料生物的種類, 但是其工作量較大, 成本較高, 進(jìn)而限制了對(duì)食物種類的覆蓋范圍[19]。用于胃腸內(nèi)容物分析的DNA條形碼有很多種類, 包括COI(線粒體細(xì)胞色素氧化酶I基因)、ITS(核糖體rRNA基因內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū))和18S rDNA(真核生物的核糖體小亞基RNA的編碼DNA)等, 而18S rDNA是目前使用最多、數(shù)據(jù)庫(kù)信息最全、分類效果最好的DNA條形碼[16]。而且食物 DNA 往往會(huì)隨消化過(guò)程逐步降解、片段化, 高通量測(cè)序技術(shù)恰好能有效利用長(zhǎng)度很小的模版, 發(fā)掘更多種類信息, 適合于降解 DNA[20], 因此本研究選擇了18S rDNA V4位點(diǎn)作為DNA條形碼來(lái)進(jìn)行塔形馬蹄螺消化道內(nèi)容物的分析。此前的研究認(rèn)為塔形馬蹄螺是植食性螺類, 本研究發(fā)現(xiàn)其消化道中存在大量沉積物碎屑, 使用基于18S rDNA條形碼的高通量測(cè)序技術(shù)在其消化道內(nèi)容物中檢測(cè)到41個(gè)生物種類, 其中沉積物來(lái)源的有孔蟲(chóng)、真菌和后生動(dòng)物是最豐富的食物類群。研究結(jié)果揭示了塔形馬蹄螺食物組成的復(fù)雜性, 沉積物中豐富的生物碎屑和小型生物是其主要的食物來(lái)源。本研究也檢測(cè)到了一些傳統(tǒng)技術(shù)難以辨認(rèn)或易忽略的類群, 如海綿、水螅、珊瑚等, 表明高通量測(cè)序技術(shù)比顯微鏡檢技術(shù)更有優(yōu)勢(shì), 因其提供了更準(zhǔn)確、更全面的攝食數(shù)據(jù), 有利于重新認(rèn)識(shí)生物的食物來(lái)源和食性。因此, 推測(cè)珊瑚礁區(qū)塔形馬蹄螺可能是碎屑食性而非植食性, 在清除有害真菌、霉菌、海綿等對(duì)珊瑚礁有潛在威脅的生物, 促進(jìn)沉積物流出和珊瑚幼體附著, 維持珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有一定作用, 可能是一種重要的護(hù)礁生物。

3.1 塔形馬蹄螺的食性及食物來(lái)源

一般認(rèn)為塔形馬蹄螺是植食性螺類[14], 主要攝食大型藻, 但這并非來(lái)源于直接的消化道內(nèi)容物證據(jù), 而是根據(jù)其棲息環(huán)境的推測(cè)。本研究中, 并未在塔形馬蹄螺消化道內(nèi)容物中檢測(cè)到大型藻類的序列信息, 考慮到高通量測(cè)序的靈敏度及食物中其他微藻種類的存在, 這種結(jié)果的出現(xiàn)不太可能是由于對(duì)大型藻類的消化吸收速率更快導(dǎo)致無(wú)法被檢測(cè); 且許多大型藻類組織中會(huì)產(chǎn)生一些次級(jí)代謝產(chǎn)物或碳酸鈣等, 來(lái)避免被動(dòng)物攝食[21], 如網(wǎng)地藻(spp.)、葡扇藻(spp)和仙掌藻(spp.)等。因此, 塔形馬蹄螺可能并非植食性生物。本研究從塔形馬蹄螺消化道中僅鑒定出少量甲藻, 包括2種原甲藻和1種費(fèi)氏藻。原甲藻在海洋中廣泛分布, 通常附生于珊瑚礁區(qū)大型藻類或藻坪藻類表面[22], 推測(cè)其主要來(lái)源于珊瑚礁區(qū)藻坪EAM表面, 可能由塔形馬蹄螺攝食其他有機(jī)成分時(shí)一并攝入。

本研究中檢測(cè)到了豐富的原生動(dòng)物和后生動(dòng)物來(lái)源的序列, 在以往研究中未有報(bào)道, 這些生物可能被消化破碎以碎屑的形式存在, 從而未被傳統(tǒng)方法檢出, 也可能由于體積太小而被忽視[11], 這些生物和有機(jī)碎屑主要來(lái)源于海洋沉積物和EAM, 證明了塔形馬蹄螺是沉積物碎屑食性。絲足蟲(chóng)在塔形馬蹄螺食物序列中的占絕大部分且均屬于Thaumato-mastigidae科, 這是一類生活于海洋沉積物碎屑中的微型生物, 體型在10 μm左右, 在沉積物食性的刺參消化道中也檢測(cè)到了大量絲足蟲(chóng), 最高達(dá)到36.35%[11],一些絲足蟲(chóng)種類在珊瑚礁EAM中也有發(fā)現(xiàn)[23]。檢測(cè)到的介形蟲(chóng)和小型腹足動(dòng)物在海洋沉積物環(huán)境中分布廣泛, 近期在大堡礁的EAM中也發(fā)現(xiàn)了多種類似的介形蟲(chóng)和腹足動(dòng)物[24]。所以推測(cè)這些食物類群主要來(lái)源于EAM中的沉積物碎屑, 是塔形馬蹄螺最主要的食物來(lái)源。

真菌在塔形馬蹄螺的食物序列中比重很低但多樣性很高, 其中大部分種類存在于沉積物和有機(jī)碎屑中, 如sp.、、、sp. 、, 這些真菌可以產(chǎn)生一些生物堿或次級(jí)代謝產(chǎn)物來(lái)抑制其他致病菌的生長(zhǎng)繁殖, 一些種類具有分解植物纖維或蛋白質(zhì)的能力[25], 同樣生活于沉積物中的方格星蟲(chóng)和的腸道中也檢測(cè)到了類似的真菌類群[25], 推測(cè)這些菌群可能是塔形馬蹄螺等沉積物碎屑食性生物消化道中的共生真菌, 可以更好地促進(jìn)底棲生物分解、利用沉積物中的各類有機(jī)碎屑。此外還檢測(cè)到3種藻類附生真菌: 分別為、、, 這些真菌可能來(lái)源于EAM中的藻類表面, 塔形馬蹄螺在這些藻類表面攝食其他有機(jī)成分時(shí)打包攝入。

礁石表生藻類基質(zhì)即EAM是珊瑚礁區(qū)普遍存在的底質(zhì)類型, 可占據(jù)珊瑚礁基底面積的 30%~80%[26], 其成分主要包括絲狀藻類、微生物、沉積物、有機(jī)碎屑及小型無(wú)脊椎動(dòng)物等[27]。本次研究發(fā)現(xiàn)調(diào)查區(qū)域礁石上的EAM覆蓋面積很大, 且采集到的塔形馬蹄螺大多生活在EAM中(圖1), 因此推測(cè)EAM中的微小生物和碎屑是塔形馬蹄螺的主要食物來(lái)源。EAM中菌類、微藻以及各類小型生物的存在改善了沉積物碎屑的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值, 使得碎屑的蛋白質(zhì)/能量比率、C/N比率和總可水解氨基酸含量等營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)均高于藻類[28-29], 這可能是塔形馬蹄螺偏向于攝食EAM中有機(jī)碎屑的主要原因。

本研究也從塔形馬蹄螺消化道中檢測(cè)到了造礁石珊瑚來(lái)源的序列(指狀薔薇珊瑚和細(xì)柱濱珊瑚), 這兩種珊瑚是潮間帶或潮下帶礁坪的優(yōu)勢(shì)種[30], 在采樣區(qū)域也廣泛存在。檢測(cè)到的不等鞭毛類生物多生活于珊瑚表面的黏液中, 其中可能導(dǎo)致珊瑚患病[31], 塔形馬蹄螺對(duì)這類生物的攝食對(duì)于維持珊瑚的健康具有重要的意義; 此外, 也檢測(cè)到了一些常見(jiàn)的珊瑚礁固著生物[32], 包括海綿、水螅蟲(chóng)等, 其中由穿貝海綿引起的生物侵蝕會(huì)造成嚴(yán)重的珊瑚礁退化[33], 可見(jiàn), 馬蹄螺的攝食對(duì)于維持底棲群落穩(wěn)定具有一定的積極作用。但是這些珊瑚或珊瑚共生/共存生物的序列相對(duì)豐度較低, 推測(cè)塔形馬蹄螺主要還是以攝食EAM為主, 只是偶爾在珊瑚主導(dǎo)區(qū)域攝食海綿、水螅蟲(chóng)等固著生物及珊瑚粘液有機(jī)物。

3.2 塔形馬蹄螺生態(tài)功能探討

底棲生物是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)碎屑食物鏈的重要一環(huán), 可攝食上層各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物產(chǎn)生的有機(jī)顆粒, 避免顆粒態(tài)有機(jī)物POM(particulate organic matter)因埋藏而離開(kāi)生物地球化學(xué)循環(huán)[34], 其自身又被其他高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的動(dòng)物攝食, 從而將沉積物-水界面的物質(zhì)和能量進(jìn)行再加工和分配, 一定程度上驅(qū)動(dòng)了珊瑚礁區(qū)有機(jī)碳的高效循環(huán); 更重要的是, 底棲生物的攝食對(duì)于維持珊瑚礁區(qū)底棲生物群落的平衡和穩(wěn)定具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)EAM對(duì)沉積物的富集會(huì)對(duì)整個(gè)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)造成許多潛在的生態(tài)威脅: EAM可能因?yàn)槌练e物增加而轉(zhuǎn)變?yōu)槎喑练e物藻類基質(zhì)(long sediment-laden algal turfs, LSATs)狀態(tài), 這種轉(zhuǎn)變會(huì)影響珊瑚幼體附著而減少珊瑚的補(bǔ)充量[35]; 此外, EAM中沉積物碎屑的增加也會(huì)減少植食性魚(yú)類對(duì)大型藻的攝食[36], 導(dǎo)致珊瑚礁覆蓋率降低和珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)退化, 這個(gè)過(guò)程將破壞珊瑚礁特有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和生物多樣性, 導(dǎo)致生物多樣性和生產(chǎn)力大大降低[37]。而塔形馬蹄螺的攝食活動(dòng)清除了EAM和珊瑚礁石表面的沉積物碎屑, 從而避免沉積物增加對(duì)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)健康的影響, 如塔形馬蹄螺可以通過(guò)攝食活動(dòng)對(duì)沉積物進(jìn)行再加工, 其消化過(guò)程會(huì)減小沉積物顆粒, 從而使沉積物更容易被水流從EAM中帶離[38]。通過(guò)清除因水流和動(dòng)物排泄滯留在礁石EAM中的沉積物和有機(jī)顆粒, 保持了珊瑚生活環(huán)境的潔凈, 一定程度上可以減少大型藻的附著生存[38], 也有利于植食性魚(yú)類對(duì)大型藻類的攝食[36]; 而且無(wú)沉積物的礁石表面更有利于珊瑚幼蟲(chóng)在礁石上的附著與成活[39], Omori(2005)通過(guò)野外培養(yǎng)證實(shí)了塔形馬蹄螺的近源種—大馬蹄螺()確實(shí)可以促進(jìn)柔枝鹿角珊瑚幼體的附著與成活[40]。

此外, 人類活動(dòng)增加了真菌、霉菌等病害生物的數(shù)量, 破壞了珊瑚礁正常的菌群組成, 從而降低了珊瑚的抵抗力和競(jìng)爭(zhēng)力[41], 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中珊瑚的主導(dǎo)地位可能被其他競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)的生物類群(如海綿)取代[42], 導(dǎo)致珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的破壞。本研究發(fā)現(xiàn)塔形馬蹄螺的食物中包含許多種類的有害真菌、霉菌、海綿等對(duì)珊瑚礁有潛在威脅的生物, 塔形馬蹄螺有可能控制或減緩這些有害生物形成優(yōu)勢(shì)群落, 從而推測(cè)塔形馬蹄螺在維護(hù)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定中具有積極作用, 是一種典型的護(hù)礁生物, 但仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其護(hù)礁能力, 以期將塔形馬蹄螺作為人工修復(fù)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中引入的先鋒種類, 在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)早期的構(gòu)建和穩(wěn)定中發(fā)揮相應(yīng)的生態(tài)功能。

4 結(jié)論

塔形馬蹄螺的食物包括節(jié)肢動(dòng)物、絲足蟲(chóng)、刺胞動(dòng)物、不等鞭毛類、軟體動(dòng)物、多孔動(dòng)物、甲藻、擔(dān)子菌、網(wǎng)粘菌、子囊菌、捕蟲(chóng)霉等不同門類, 其中有孔蟲(chóng)、真菌和后生動(dòng)物是最豐富的食物類群, 占99.76%, 這些種類多為典型的沉積物分布的小型底棲類群, 可能來(lái)源于珊瑚礁石表面的海洋沉積物和EAM, 推測(cè)南沙珊瑚礁區(qū)塔形馬蹄螺屬于沉積物碎屑食性生物, 而非傳統(tǒng)認(rèn)為的植食性生物, 可能在清除珊瑚表面藻類基質(zhì)、促進(jìn)珊瑚幼體附著過(guò)程中發(fā)揮作用。

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Study on the feeding habits ofin the coral reef ecosystem based on 18S rDNA barcoding

ZHOU Tian-cheng1, 2, HU Si-min1, LIN Xian-zhi1, 2, LIU Sheng1, HUANG Hui1, 3

(1. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Marine Biology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Tropical Marine Biological Research Station in Hainan, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China)

primarily lives in warm seas and is widely distributed in coral reefs. However, there is a scarcity of knowledge about its ecological role in the coral reef ecosystem due to the lack of clear information regarding its feeding habits. This study was conducted to investigate the in situ diet ofcollected from the coral reefs in Nansha Islands in May 2017 by high-throughput sequencing (HTS) methods targeting the 18S rDNA gene. A total of 41 different operational taxonomic units (OTUs) at 97% similarity level were identified. Diverse prey species detected in this study demonstrated a wide and complicated food spectrum of, including Arthropoda, Ascomycota, Basidiomycota, Cercozoa, Cnidaria, Labyrinthulomycota, Mollusca, Porifera, Stramenopiles, Pyrrophyta, and Zoopagomycota. This finding was different from traditional study that reportedas herbivores, we found thatingests abundant sediments and sequence analysis revealed that foraminifera, fungi, fungus and metazoa were the most abundant food groups, constituting approximately 99.76% of the total sequences. Based on the results of previous studies, these abundant food resources might be derived from the benthic community consisting of the epilithic algal matrix (EAM) in coral reefs. Altogether, these findings indicate thatis a type of detritivore feeding primarily on the EAM in coral reefs and play an important role in cleaning the epilithic algal and promoting the attachment of coral larvae. Therefore, it can help in maintaining the stability and health of the coral reef ecosystem.

; feeding habits; 18S rDNA; ecological functions; coral reef

Jan. 17, 2019

[National Key Research and Development Project of China, No. 2016YFC0502800; Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences, No. XDA13020100; Natural Science Foundation of China, No. 41806188]

P735

A

1000-3096(2020)02-0099-09

10.11759/hykx20190117002

2019-01-17;

2019-04-02

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0502800); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA13020100); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41806188)

周天成(1995-), 男, 湖南省汨羅人, 碩士研究生, 主要從事珊瑚礁棲生物攝食生態(tài)學(xué)研究, 電話: 020-89023196, E-mail: zhoutiancheng17@mails.ucas.ac.cn; 劉勝,通信作者, 研究員, E-mail: shliu@scsio.ac.cn

(本文編輯: 楊 悅 李曉燕)