林木青, 劉益帆, 吳琛帆, 束祖飛, 朱朝東,5, 肖治術,*

(1. 中國科學院動物研究所, 農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室, 北京 100101; 2. 中國科學院大學生命科學學院,北京 100049; 3. 河北大學生命科學學院, 河北保定 071002; 4. 廣東車八嶺國家級自然保護區(qū)管理局, 廣東韶關 512500;5. 中國科學院動物研究所動物進化與系統(tǒng)學(院)重點實驗室, 北京 100101)

獨棲蜂是營獨居生活，并具有筑巢習性的一類野生蜂，包括蜜蜂總科(Apoidea)和胡蜂總科(Vespoidea)等部分類群(Krombein, 1967; Staabetal., 2018)。獨棲蜂在農(nóng)林業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)中扮演著傳粉者和天敵等重要角色，其中以胡蜂科為代表的獨棲蜂則是農(nóng)林業(yè)重要害蟲的天敵昆蟲(Kremenetal., 2007; Rezendeetal., 2014)。因其物種多樣性高和營養(yǎng)級復雜，獨棲蜂可作為重要的生物指示類群(Tscharntkeetal., 1998)。由于受到人類活動和全球變化的影響，獨棲蜂的多樣性和種群數(shù)量在全球范圍內呈急劇減少的趨勢(Sánchez-Bayo and Wyckhuys, 2019; Wagneretal., 2021)。對這些關鍵昆蟲進行保護是當前生態(tài)學和保護生物學領域面臨的一個主要任務。然而，我們對絕大部分獨棲蜂的繁殖策略仍缺少認識。因此，明晰獨棲蜂的繁殖策略及其影響因素是進行農(nóng)林天敵昆蟲保護和利用的重要前提。

獨棲蜂除受遺傳調節(jié)外，通常在筑巢產(chǎn)卵過程中通過調節(jié)其繁殖行為來權衡產(chǎn)卵數(shù)量和子代性別分配。然而，巢材特征、巢材可利用性和棲息地環(huán)境因子等可顯著影響其筑巢產(chǎn)卵行為，從而影響其繁殖成功和種群動態(tài)(Trivers and Willard, 1973; Kim and Thorp, 2001; Renauldetal., 2016)。根據(jù)巢材資源的可利用性及特征，獨棲蜂的產(chǎn)卵策略通常受到筑巢空間的限制和寄生風險的影響。首先，獨棲蜂在巢址選擇上存在著空間和時間的權衡。由于筑巢空間的限制，獨棲蜂在某個巢穴的產(chǎn)卵數(shù)量、子代性別及其排列順序可能受到較大的選擇壓力。因此，獨棲蜂可能通過權衡巢穴內的產(chǎn)卵數(shù)量和子代性別結構，以提高子代的適合度。相關研究發(fā)現(xiàn)，獨棲蜂的孵育室數(shù)量與巢穴的固有長度呈正相關(Krombein, 1967; Santosetal., 2020)。其次，由于受寄生脅迫的影響，雌蜂可通過增加單個巢穴內的產(chǎn)卵數(shù)量來增加子代的存活率(Buyanjargal and Abasheev, 2015)，同時通過建造更多防御性的巢室結構(如增加間室和前庭的數(shù)量)(圖1)來降低被寄生風險(Krombein, 1967; Seidelmann, 1999)。一些研究也發(fā)現(xiàn)，獨棲蜂更可能將雌性子代產(chǎn)在巢管內端，而將雄性子代產(chǎn)在巢管外端(Silvaetal., 2001; Polidorietal., 2011; Shibataetal., 2020)。這表明獨棲蜂的子代性別在巢內的排列次序亦可受到寄生脅迫的選擇(Santonietal., 2007)。如果巢管暴露的時間越長，外端的巢室可能更容易被寄生性天敵發(fā)現(xiàn)而增加被寄生風險，從而導致處于巢管外端的子代被寄生風險高于內端(Buschini and Fajardo, 2010)。因此，為了保證雌性后代的有效數(shù)量和更高的存活率，獨棲蜂可能將雌性子代產(chǎn)于巢管內端來提高其繁殖的適合度。

黃緣蜾蠃Anterhynchiumflavomarginatum隸屬于膜翅目(Hymenoptera)胡蜂科(Vespidae)蜾蠃亞科(Eumeninae)(Kim, 2003)，是農(nóng)林業(yè)害蟲的重要天敵昆蟲。黃緣蜾蠃廣泛分布于中國(廣東、江西、福建、香港和臺灣等)、蒙古、韓國、日本、越南、老撾、緬甸、巴基斯坦、馬來西亞、印度尼西亞、印度和尼泊爾等國家(Kim, 2003; Pannureetal., 2016)。黃緣蜾蠃是探究獨棲蜂產(chǎn)卵策略及其影響因素的理想研究對象。雌性黃緣蜾蠃具有筑巢習性，常利用樹洞、空莖等自然巢材進行筑巢，每個巢室被一個薄的隔板所隔開，最內端的空間為空室(empty space, EB)；存放獵物并產(chǎn)卵的巢室稱為孵育室(brood cell, BC)，通常在一個孵育室內僅產(chǎn)一枚卵；相鄰孵育室之間的空隙為間室(intercalary cell, IC)；最外端的空的巢室為前庭(vestibular cell, VC)(da Costa and Gon?alves, 2019)(圖1: A)，在孵育室中放置鱗翅目幼蟲作為其子代的食物，并以泥土對巢進行封口。因此人工巢管成為研究黃緣蜾蠃等獨棲蜂繁殖生態(tài)的重要技術工具(Staabetal., 2018)。黃緣蜾蠃的子代會受到寄生性天敵的影響，其常見寄生性天敵包括鉤腹蜂科(Trigonalyidae)、青蜂科(Chrysididae)、麻蠅科(Sarcophagidae)、蚤蠅科(Phoridae)等類群(Staabetal., 2016)。人工巢管研究發(fā)現(xiàn)，棲息地破碎化會降低蜾蠃類的筑巢率(Hashimoto and Endo, 2015)。黃緣蜾蠃子代雌性比例均與巢管的長度和直徑呈顯著正相關(郭鵬飛等, 2018)。綜上，黃緣蜾蠃是森林生態(tài)系統(tǒng)中食物鏈的關鍵一環(huán)，不僅分布廣，且是獨棲蜂的典型代表，并有一定的研究基礎，因此利用黃緣蜾蠃來探究獨棲蜂產(chǎn)卵策略及其影響因素具有重要的和普適性的生態(tài)學意義。

廣東車八嶺國家級自然保護區(qū)分布有南嶺山脈南緣保存完整、面積較大、分布集中、且原生性較強的典型性亞熱帶常綠闊葉林，其植物區(qū)系為南亞熱帶向中亞熱帶過渡類型，且其生物多樣性也是整個南嶺過渡帶的典型代表(徐燕千, 1993)。 于2018-2020年，本研究在廣東車八嶺國家級自然保護區(qū)及周邊區(qū)域使用人工巢管技術和公里網(wǎng)格方案(共計100個調查網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1 km2)探究了黃緣蜾蠃的產(chǎn)卵策略及其與寄生脅迫之間的關系。通過連續(xù)采集該蜂的筑巢巢管并飼養(yǎng)調查，測量了每根巢管的長度、內徑和巢室特征，并詳細記錄了每根巢管的孵育室數(shù)量以及子代在巢管里的次序、性別和被寄生情況。 本研究擬回答以下問題：(1)巢管特征(長度和內徑)和寄生脅迫如何影響黃緣蜾蠃的產(chǎn)卵策略？ (2)黃緣蜾蠃的子代性別在巢管的排列策略是否受到寄生脅迫的影響？我們預測，黃緣蜾蠃孵育室數(shù)量和非孵育室數(shù)量受到巢管長度和內徑的正影響，而孵育室數(shù)量和非孵育室數(shù)量均與被寄生率呈負相關(圖1: B)。由于增加潛在暴露時間，巢管外端孵育室受到的寄生壓力高于內端孵育室。因此，我們預測黃緣蜾蠃在巢管內子代性別的排列模式為在內側的孵育室傾向于產(chǎn)雌性卵，而在外端的孵育室傾向于產(chǎn)雄性卵，且其被寄生的風險也更高(圖1: C)。

1 材料與方法

1.1 研究地點

研究地點位于廣東車八嶺國家級自然保護區(qū)(簡稱車八嶺保護區(qū))(24°40′29″-24°46′21″N, 114°09′04″-114°16′46″E)(圖1: A)。該保護區(qū)總面積75.45 km2，地質構造屬華南褶皺系，地勢西北高東南低，最高峰天平架海拔1 256 m，最低處樟棟水海拔330 m。保護區(qū)平均溫度19.6℃，最高溫度38.4℃，最低溫度-5.5℃；年降水量1 150～2 126 mm。

1.2 巢管布設及回收觀測

根據(jù)車八嶺保護區(qū)生物多樣性公里網(wǎng)格監(jiān)測規(guī)范，本研究在該保護區(qū)及周邊區(qū)域設置了 100個公里網(wǎng)格(網(wǎng)格面積為1 km×1 km)，其中保護區(qū)內有80個公里網(wǎng)格和保護區(qū)外20個公里網(wǎng)格(圖1: A)(肖治術, 2019)。每個公里網(wǎng)格內隨機布設3個巢箱位點，位點之間的間距不少于100 m，整個實驗設計共計300個巢箱位點。每個巢箱由一對長為250 mm、內徑為110 mm的PVC管組成，而每個PVC管用長度相同而內徑不等的蘆葦Phragmitesaustralis管塞滿(n=64±5)。蘆葦管通常具有一個節(jié)間，節(jié)間到端口的有效長度為5～240 mm不等，內徑為4～16 mm不等。巢箱用鐵絲固定在樹枝上，距離地面約1.5 m，巢箱口朝向東南方向。巢箱設置時，每次在鐵絲上涂上凡士林(Tanglefoot?)以防止螞蟻等侵害巢箱。

所有巢箱均在2018年5月被放置到每個公里網(wǎng)格，并在2018年7月至2020年11月期間按每1-2月回收被蜂類利用的巢管(表1)。已筑巢的巢管被回收后，用同等長度和內徑的蘆葦管進行替換，確保每個巢箱處于塞滿的狀態(tài)。每個巢箱的經(jīng)緯度、海拔、生境和回收日期等重要信息被詳細記錄，所有回收的巢管均被貼上標簽帶回實驗室用于進一步的飼養(yǎng)調查。

表1 廣東車八嶺國家級自然保護區(qū)通過人工巢管收集黃緣蜾蠃的抽樣總結(2018-2020)Table 1 Sampling summary for Anterhynchium flavomarginatum using trap-nestsin the Chebaling National Nature Reserve, Guangdong during 2018-2020

在實驗室內對回收的巢管進行集中處理，使用小刀縱向剖開巢管，然后測量和記錄巢口的內徑、巢管長度、巢室類型、寄主數(shù)量和發(fā)育階段以及寄生性天敵類型和數(shù)量。黃緣蜾蠃的低齡幼蟲通過撕咬鱗翅目幼蟲吸食體液來完成發(fā)育， 老齡幼蟲吞食鱗翅目幼蟲頭殼等堅固部位后進入預蛹期。每年8-寄生率Parasitism rate=被寄生巢室量Number of parasitized cells/孵育室總數(shù)Total number of brood cells.

12月的預蛹進入休眠期，在次年4月中下旬羽化。對已羽化的寄主和寄生性天敵均貼上標簽，并用無水乙醇保存；尚未羽化的寄主連同巢管一并將放入玻璃管(規(guī)格：長度25 mm，直徑6～20 mm)中用脫脂棉封口，放置在室內飼養(yǎng)避免陽光直曬，每隔3 d進行一次集中觀察，直至巢管內所有昆蟲羽化或幼蟲死亡。死亡標本同樣貼上標簽用無水乙醇保存。成蟲標本請分類學家進行了形態(tài)分類鑒定，寄生性天敵主要鑒定到目標類群，所有標本保存在中國科學院動物研究所。

1.3 數(shù)據(jù)分析

基于黃緣蜾蠃產(chǎn)卵的巢管特征和巢室結構，以及單根巢管的孵育室、非孵育室、子代性別和被寄生等情況，本研究綜合分析了以下指標和相關因素：巢管長度為單根巢管的空室隔板到封口的距離；巢管內徑為單根巢管內圓的直徑(圖1: A)；蟲室數(shù)量為巢管內孵育室，間室和前庭數(shù)量的總數(shù)；孵育室數(shù)量為在單個巢管內的產(chǎn)卵數(shù)量，即孵育室總數(shù)；非孵育室數(shù)量為單根巢管內所有間室和前庭數(shù)量之和；寄生率為單根巢管內被寄生的孵育室數(shù)量與孵育室數(shù)量之間的比值。

結構方程模型(structural equation modeling, SEM)通常可用來探究不同變量之間的直接和間接的關系(Shipley, 2009)。本研究使用了SEM來探究巢管特征(長度和內徑)對蜾蠃蟲室數(shù)量(孵育室和非孵育室)的影響，進而直接和間接地影響寄生率(圖1: B)。所有變量在分析前進行均值為0、標準差為1的標準化處理?；诳ǚ綑z驗的P值和相對擬合指數(shù)(cfi)來評估模型擬合的可靠程度。刪除不顯著的連接來完善模型，通過比較AIC值對不同模型進行篩選并選擇最佳模型。使用R包lavaan(Rosseel, 2012)進行SEM分析。

根據(jù)單根巢管孵育室的數(shù)量劃分為2～7組(僅2019年單根巢管內孵育室數(shù)量為2～7個，其余年份均只有2～5個，見圖4)。分析中，剔除了孵育室數(shù)量少于10根巢管的組別(圖2: A)，每組孵育室從內到外依次計算各自的寄主雌性比例和被寄生率，計算方法為每組孵育室排序的雌蜂總量(或被寄生的巢室總量)/每組孵育室對應的產(chǎn)卵總量。Meta分析的方法可比較不同組別和總體情況下，子代性別和寄生性天敵數(shù)量在巢管內外的差異。首先分別構建巢管最內、外端的子代幼蟲性別與寄生性天敵數(shù)量的2×2列聯(lián)表，接著計算效應值和對應的研究組內方差來量化巢管最內端和最外端子代性別和寄生性天敵數(shù)量的差異。使用對數(shù)化的比值比(odds ratio)作為效應值。運用隨機效應模型的meta分析對效應值進行顯著性檢驗。Meta分析在R中用metafor包運行(Viechtbauer, 2010)。

所有的數(shù)據(jù)分析均在R 3.5.1(R core team 2018)中進行分析，并使用ggplot2軟件包(Wickham, 2016)進行可視化。

2 結果

3年中，累計回收黃緣蜾蠃的巢管3 733根，孵育室總數(shù)9 269個，其中羽化成蟲達6 097頭，被寄生的巢室量1 420個，非孵育室總數(shù)6 858個(表1)。 黃緣蜾蠃的被寄生率平均為17.39%±5.43%，寄生性天敵以麻蠅科昆蟲居多，占總寄生巢室的38%，其次是青蜂科，其占比為16%。黃緣蜾蠃羽化的子代以雄性居多(雄∶雌=1.98∶1)。黃緣蜾蠃在單個巢管內構建了2.50±1.25個孵育室(范圍：1～8個)，其中含1～3個孵育室的巢管占總巢管量的81%，以含2個孵育室的巢室為最多(35%)(圖2: A)。 此外，單個巢管內的非孵育室數(shù)量有1.84±1.14個(范圍：0～7個)，其中1～3個非孵育室的巢管占總巢管量的83%，以含1個非孵育室的巢管為最多(36%)(圖2: B)。

SEM分析表明，巢管長度和內徑均顯著正影響孵育室數(shù)量(長度:P<0.01, effect=0.47; 內徑:P<0.01, effect=0.18)，巢管長度也顯著正影響非孵育室數(shù)量(P<0.01, effect=0.47)。孵育室數(shù)量和非孵育室數(shù)量直接顯著負影響被寄生率(孵育室數(shù)量:P<0.01, effect=-0.59; 非孵育室數(shù)量:P=0.03, effect=-0.07)。巢管長度通過孵育室數(shù)量和非孵育室數(shù)量間接負影響被寄生率(total effect=-0.31)，巢管內徑通過孵育室數(shù)量間接負影響被寄生率(effect=-0.11)(圖3; 表2)。

表2 基于結構方程模型的巢管特征(長度和內徑)、孵育室數(shù)量和非孵育室數(shù)量對寄生率的直接、間接和總標準化效應Table 2 Direct, indirect and total standardized effects of trap-nest traits (length and inner diameter), the number ofbrood cells and the number of non-brood cells on the parasitism rate based on the structural equation models

2018-2020年孵育室數(shù)量為2-7個的巢管中，以最內端的子代雌性比例最高，而以最外端的被寄生率最高(圖4)。Meta分析結果表明，巢管最內端孵育室的子代雌性數(shù)量顯著高于巢管最外端的孵育室的(2018:β=1.35,z=3.83,P<0.001; 2019:β=1.94,z=5.36,P= 0.001; 2020:β=2.06,z=4.88,P<0.001)(圖5: A, B, C)。2019年巢管最外端巢室的寄生性天敵數(shù)量顯著高于巢管最內端巢室的(2019:β=-0.49,z=-5.02,P<0.001)(圖5: E)，而2018和2020年巢管最外端巢室的寄生性天敵數(shù)量亦高于巢管最內端的巢室的，但均無顯著性差異(2018:β=-0.25,z=-1.24,P=0.21; 2020:β=-0.17,z=-1.05,P= 0.29)(圖5: D, F)。

3 討論

通過SEM分析，本研究發(fā)現(xiàn)巢管內徑和長度顯著地正影響黃緣蜾蠃孵育室數(shù)量，而孵育室數(shù)量和非孵育室數(shù)量顯著地負影響被寄生率(圖3)。在巢管最內端的子代雌性比例顯著高于巢管最外端的，而最內端的被寄生率顯著低于最外端的(圖5)。

黃緣蜾蠃的產(chǎn)卵策略受到巢管特征和寄生脅迫的影響。在本研究中，巢管內徑對孵育室數(shù)量具有正效應影響(圖3)，其可能的原因是本研究所采用的人工巢管內徑(4～16 mm)處于被雌蜂所選擇的范圍。通常，雌蜂的體型決定了其選擇巢管內徑的范圍，內徑過小則雌蜂無法進入，降低了巢管的可利用性，內徑過大則增加雌蜂搬運筑巢材料的能量，也不利于雌蜂產(chǎn)卵(Alonsoetal., 2012)。此外，雌蜂通過選擇較長的巢管來筑巢并產(chǎn)更多的子代和建造更多的非孵育室(前庭和間室)，可顯著減少尋找其他筑巢場所所耗費的能量和被捕食的風險(Tepedino and Parker, 1984; Wearing and Harris, 1999)。同時，在寄生脅迫的環(huán)境下，黃緣蜾蠃可通過多繁衍子代和更多建造間室和前庭，以減少和抵御寄生風險來提高繁殖適合度。該結果與Buyanjargal和Abasheev(2015)對Euodynerusdantici的研究一致。研究表明間室和前庭具有抵御寄生性天敵入侵危害的功能(Coville and Griswold, 1984)，而且每個巢室所形成的獨立隔室也可防止相鄰同類相殘(Krombein, 1967)。

基于黃緣蜾蠃雌性子代和寄生性天敵在巢管內排列分布的結果，我們發(fā)現(xiàn)雌性黃緣蜾蠃傾向于在巢管外端產(chǎn)雄性子代，而在巢管內端產(chǎn)雌性子代。同時，寄生性天敵的寄生率在巢管最外端顯著高于最內端(圖5)。該類性別排列模式也出現(xiàn)在切葉蜂科(Raw, 1972; Hawkins, 1975)、蜜蜂科(Silvaetal., 2001; Buschini and Wolff, 2006)、蜾蠃科(Assis and Camillo, 1997; Polidorietal., 2011)、泥蜂科(Shibataetal., 2020)等獨棲蜂類群中。黃緣蜾蠃的巢室由黃泥混合其唾液筑成，巢室間由隔板分隔，緊密又嚴實，不易破裂；黃緣蜾蠃從內到外依次建造巢室，建一個巢室產(chǎn)一個卵，然后即用隔板堵住。調查發(fā)現(xiàn)，麻蠅科、蚤蠅科和青蜂科昆蟲是黃緣蜾蠃的重要寄生性天敵。這些寄生性天敵在野外環(huán)境中能通過巢入口或者在寄主外出尋覓食物的時間間隙入侵巢室(Jayasingh and Taffe, 1982; Coville and Griswold, 1984)。通常，雌蜂產(chǎn)卵越多，外出覓食的時間間隙越長，導致巢管暴露的時間越長，從而可能導致處于外端未封口的巢室面臨更大的被寄生風險(Woginetal., 2013)。因此，獨棲蜂將雌性子代更多產(chǎn)于內端巢室，有助于顯著降低被寄生的風險，增加其繁殖的適合度(Buschini and Fajardo, 2010)。除此之外，獨棲蜂的性別分配同時受到食物資源、局域交配競爭(local mate competition)等的影響(Boultonetal., 2015)。

本研究明確了巢管特征和寄生脅迫對黃緣蜾蠃產(chǎn)卵策略的影響，證實了寄生脅迫對該蜂子代在巢管內性別排列分布的影響。本研究通過了解黃緣蜾蠃等獨棲蜂昆蟲種群的繁殖策略，為進一步揭示獨棲蜂與寄生性天敵之間的協(xié)同進化關系提供了新的見解，為農(nóng)林天敵昆蟲的保護和利用提供了科學依據(jù)。

致謝野外調查工作得到了廣東車八嶺國家級自然保護區(qū)管理局和當?shù)卮迕竦姆e極支持和幫助。感謝重慶師范大學的李廷景老師和中國科學院動物研究所的袁峰老師對蜾蠃及天敵的分類鑒定。感謝課題組李海東博士和歐陽芳博士在數(shù)據(jù)分析和在本文修改中提出的寶貴意見。