恒溫和變溫馴化對大蟾蜍蝌蚪熱耐受性的影響

王立志

(1. 西北大學生命科學學院, 西安 710069; 2. 陜西學前師范學院生物科學與技術系, 西安 710061)

恒溫和變溫馴化對大蟾蜍蝌蚪熱耐受性的影響

王立志1,2,*

(1. 西北大學生命科學學院, 西安 710069; 2. 陜西學前師范學院生物科學與技術系, 西安 710061)

為了解大蟾蜍蝌蚪 (Bufogargarizans)的熱適應性并驗證最適性模型，將大蟾蜍蝌蚪分別在10、15、20 ℃和 25 ℃ 4個不同恒溫下及 15.76-5.42 ℃的變溫下馴養2周，利用溫度梯度裝置觀察記錄其最適溫度、最高逃避溫度和最高致死溫度。結果表明，經過在10、15、20 ℃和 25 ℃四個恒溫及在15.76—5.42 ℃的變溫下馴化，大蟾蜍蝌蚪的最適溫度分別為(14.8±2.9)，(17.2±3.8)，(18.1±3.5)，(19.6±2.5)和(15.8±2.2) ℃；最高逃避溫度分別為(27.6±1.9)，(31.3±1.3)，(32.5±0.8)，(33.9±1.0)和(31.6±1.3) ℃；最高致死溫度分別為(32.9±1.6)，(36.5±1.0)，(37.9±0.9)，(38.8±1.1)和(37.2±1.3) ℃。馴化溫度對大蟾蜍蝌蚪的最適溫度、最高逃避溫度和最高致死溫度都有顯著影響 (P< 0.001)。馴化溫度對大蟾蜍蝌蚪最適溫度產生的影響比最高逃避溫度和最高致死溫度的小。溫度的晝夜變化，都會呈現兩峰或三峰分布，雙峰環境實際上是具有同一標準誤差的兩個正常分布的混合體，這兩個正常分布被一個峰間距所隔離。最適性模型預測：當呈雙峰分布的溫度的峰間距為17℃時，動物將出現3個適合度峰值。研究結果支持最適性模型。

馴化溫度；最適溫度；最高逃避溫度；最高致死溫度；大蟾蜍；蝌蚪

外溫動物主要利用外熱源,選擇活動時間和冷熱斑塊之間穿梭等行為途徑進行體溫調節, 以維持相對較高且穩定的體溫[1]。環境溫度通過影響體溫而影響動物的生理功能和行為表現[2- 3]。過高或過低的體溫對動物有害甚至能導致其死亡, 在極端高、低體溫之間, 相對較高的體溫有利于動物較好地表達其生理功能和行為表現[1- 4]。

馴化傳統上被定義為，在實驗室條件下，動物針對一個單一因子變量的改變所產生的生理機能上的補償性調整[5]。國際生理科學協會(International Union of Physiological Sciences, IUPS)下屬的熱力學委員會2003給馴化的定義是，馴化是有機體發生的一些生理和行為上的變化，這些生理和行為上的變化能夠減少由實驗誘導的特定氣候因子的刺激性變化帶來的不良影響或能夠提高動物對這些不良影響的耐受性。生理學家一般認為，所有由馴化產生的表型上的補償性變化能夠提高有機體在誘導這些補償性變化發生的環境中的生理機能或適合度[6]。

自Mendelssohn[7]對動物熱適應的開拓性研究以來，已有一系列溫度梯度裝置被用來研究各種動物的熱偏愛。然而，很少有對不同生長階段兩棲類的熱偏愛方面的研究報道。有關恒溫下中國林蛙和大蟾蜍的蝌蚪的熱適應及其馴化溫度對其的影響已有報道[8]。然而關于在自然環境下生長發育的大蟾蜍蝌蚪的熱適應還沒有報道。

大蟾蜍(Bufogargarizans)是一種具有較高的營養價值和藥用價值的兩棲類動物，其經濟價值很高。本文研究了在恒溫和變溫下大蟾蜍蝌蚪的熱適應性，得到了其在不同溫度條件下的最適溫度、最高逃避溫度和最高致死溫度，為實現人工控制其在野外環境下的生長發育，為大蟾蜍蝌蚪的人工飼養提供新的理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究材料

大蟾蜍卵采自秦嶺北麓滈河邊的池塘中, 滈河位于N:36°06′916″，E:108°54′455″，海拔420m，池塘的水溫約為0—5 ℃，pH值為6.6—6.8。試驗用水均為采自原生境中的天然河水，pH值為6.8。試驗容器為半徑15.0cm 的塑料盆，高約20.0cm。將采集的大蟾蜍卵分別放在4個相同的盛有pH值為6.6—6.8天然河水的塑料盆中，每個盆中均投放100枚(均來自同一母體)，水深10.0cm。與采集當天把裝有大蟾蜍卵的塑料盆分別放在25、20、15 ℃和10 ℃的恒溫恒濕培養箱(LRH- 250-S)中孵化,濕度均為70%，光照14L∶10D。將孵化出的大蟾蜍蝌蚪仍然分別放在25、20、15 ℃和10 ℃的恒溫恒濕培養箱中馴化2周。在馴化期間，用魚飼料喂養，每天投食和換水1次，并清除水中雜質。在野外環境下生長的大蟾蜍蝌蚪的水溫變化范圍為15.76—5.42 ℃，平均水溫為10.59 ℃。

1.2 研究方法

將在不同溫度下馴化2周后的大蟾蜍蝌蚪和在野外環境下生長2周的大蟾蜍蝌蚪分別用溫度梯度裝置測量記錄它們的最適溫度、最高逃避溫度和最高致死溫度。溫度梯度裝置主要由溫梯金屬盒(100 cm ×10 cm ×5 cm)、冰水浴和恒溫水浴構成[9]。在由溫梯金屬板形成的盒子中加入2cm深的蒸餾水，形成一個水槽結構。水槽一端連接在恒溫水浴鍋上(溫度為60 ℃)，另一端置于0 ℃的冰水中，以便使槽內的蒸餾水形成一系列的溫度梯度。用熱敏電偶測定蒸餾水的溫度。蝌蚪在水槽中掉轉身體逃避時所在位置的溫度即為逃避溫度，如果蝌蚪沒有立即逃離但已經出現異常行為(如表現為急躁、亂撞、緊張等)時所在點的溫度也被認為是其逃避溫度，在5min的時間內停留或出現頻率(頻率是指單個個體在5min內出現的位置的頻率)最高的位置的溫度范圍即為最適溫度范圍；致死溫度的測量采用逐漸升高水溫直至蝌蚪死亡時的溫度值。每個馴化溫度下用來測量的蝌蚪個數均為30尾。整個試驗過程中,每次試驗只用一個大蟾蜍蝌蚪,測量其最適溫度、最高逃避溫度或最高致死溫度。整個試驗的操作時間是在8：00到10:00，試驗時環境溫度為：(16±1)℃。

1.3 數據處理

馴化反應比率(The acclimation response ratio, ARR)通過不同溫度馴化后的最適溫度、逃避溫度和致死溫度變化量除以馴化溫度變化量求得[10]。馴化反應比率用來估計熱馴化對最適溫度、最高逃避溫度和最高致死溫度的影響程度。馴化反應比率的數值越大表明馴化溫度對動物的影響越大，反之亦然。馴化反應比率的計算方法如下:

最適溫度的ARRs =(25 ℃下馴化的最適溫度-10 ℃下馴化的最適溫度)/(25 ℃—10 ℃)；

最高逃避溫度的ARRs=(25 ℃下馴化的最高逃避溫度-10 ℃下馴化的最高逃避溫度)/(25 ℃—10 ℃)；

最高致死溫度的ARRs=(25 ℃下馴化的最高致死溫度-10 ℃下馴化的最高致死溫度)/(25 ℃—10 ℃)。

數據統計前，對所有的數據進行正態性檢驗。在SPSS10.0 中用線性回歸和單因素方差分析(one-way ANOVA)對數據進行統計處理。描述性統計值均用平均值±標準差表示，顯著性水平設在α=0.05。

2 結果

2.1 大蟾蜍蝌蚪的最適溫度

在不同的馴化溫度下，大蟾蜍蝌蚪有不同的最適溫度(平均值)和最適溫度范圍(表1,圖1)。單因素方差分析表明在不同的馴化溫度下，大蟾蜍蝌蚪的最適溫度有著顯著的差異(F=13.33;P< 0.001; df=4;N=150)。在恒溫條件下，隨著馴化溫度的升高大蟾蜍蝌蚪的最適溫度和最適溫度范圍都在增加。在恒溫條件下，馴化溫度和大蟾蜍蝌蚪的最適溫度存在線性關系，其表達式為：Y=0.3074X+12.053,r=0.982,P< 0.01,N=120；Y表示最適溫度，X表示馴化溫度。

表1 不同馴化溫度下的大蟾蜍蝌蚪的最適溫度和最適溫度范圍

Table 1 Range of preferred temperatures and preferred temperatures of the common giant toad tadpoles in different acclimation temperatures

馴化溫度Acclimationtemperature/℃1015202515．76—5．42最適溫度/℃Preferredtemperatures14．8±2．917．2±3．818．1±3．519．6±2．513．9±1．7；17．2±1．4最適溫度范圍/℃Rangeofpreferredtemperatures11—1514—1816—2017—2113—15；15—18

圖1 不同馴化溫度下的大蟾蜍蝌蚪的最適溫度Fig.1 Preferred temperatures of the common giant toad tadpoles in different acclimation temperatures

2.2 大蟾蜍蝌蚪的最高逃避溫度

10、15、20 ℃和25 ℃恒溫馴化2周的大蟾蜍蝌蚪的最高逃避溫度分別為：(27.6±1.9)，(31.3±1.3)，(32.5±0.8)，(33.9±1.0) ℃；在15.76—5.42 ℃變溫馴化下的大蟾蜍蝌蚪的最高逃避溫度為(31.8±1.3) ℃(圖2)。單因素方差分析說明在不同的馴化溫度下，大蟾蜍蝌蚪的最高逃避溫度也有顯著的差異(F=176.606;P< 0.001; df=4;N=150)。在恒溫條件下，隨著馴化溫度的升高大蟾蜍蝌蚪的最高逃避溫度都在增加。在恒溫條件下，馴化溫度和大蟾蜍蝌蚪的最高逃避溫度存在線性關系，其表達式為：Y=0.4109X+ 24.31,r=0.954,P< 0.01,N=120；Y表示最高逃避溫度，X表示馴化溫度。

2.3 大蟾蜍蝌蚪的最高致死溫度

10、15、20 ℃和25 ℃恒溫馴化2周的大蟾蜍蝌蚪的最高致死溫度分別為：(32.9±1.6)，(36.5±1.0)，(37.9±0.9)，(38.8±1.1)℃；在15.76—5.42 ℃變溫馴化下的大蟾蜍蝌蚪的最高致死溫度為(37.2±1.3) ℃(圖2)。單因素方差分析說明在不同的馴化溫度下，大蟾蜍蝌蚪的最高致死溫度也有顯著的差異(F=178.917;P< 0.001; df=4;N=150)。在恒溫條件下，隨著馴化溫度的升高中大蟾蜍蝌蚪的最高致死溫度都在增加。在恒溫條件下，馴化溫度和大蟾蜍蝌蚪的最高致死溫度存在線性關系，其表達式為：Y=0.3847X+ 29.774,r=0.954,P< 0.01,N=120；Y表示最高致死溫度，X表示馴化溫度。

2.4 馴化反應速率(ARRs)

馴化溫度對大蟾蜍蝌蚪的最適溫度施加的影響要比最高逃避溫度和最高致死溫度的影響小(表2)。大蟾蜍蝌蚪最適溫度的ARRs比最高逃避溫度的低0.1，比最高致死溫度的低0.07。

3 討論

從原生動物到哺乳類，所有動物都會逃避極端低溫和極端高溫，表現出偏愛溫度適中區。在一個有溫度梯度的熱環境中，能夠運動的動物都會向一個較窄的最適溫度范圍集中。這種現象稱作行為熱調節或溫度偏愛[11]。這種最終適溫被賦予以下定義：在一個溫度梯度中，一個給定種的所有個體將最終都會向某一溫度聚集，而不管它們在被置于這一存在溫度梯度的熱環境之前的熱經歷如何，這一溫度稱作最終適溫[12]。熱偏愛(thermal preference)反映了諸如新陳代謝、運動、繁殖和生長等生理過程所要求的最適溫度[13- 18]。事實上，動物常常將諸如生長、繁殖和覓食等能夠提高適合度的活動集中在一個較窄的溫度范圍內[19- 20]。顯然，動物在最適溫度范圍內能最有效地完成那些能提高適合度的活動。換句話說，任何偏離最適溫度的溫度環境都會給旨在提高適合度的活動的表達帶來不利的影響。有關上、下限臨界溫度的研究給動物提供了一個生態指標[21- 22]。

圖2 不同馴化溫度下的大蟾蜍蝌蚪的最高逃避溫度和最高致死溫度Fig.2 High avoidance temperature and high lethal temperature of the common giant toad tadpoles in different acclimation temperatures

種名NameofSpecies馴化溫度Acclimationtemperature最適溫度的ARRsARRsofPT?最高逃避溫度的ARRsARRsofHAT?最高致死溫度的ARRsARRsofHLT?大蟾蜍蝌蚪Thecommongianttoadtadpoles10℃/25℃0．320．420．39

*PT：Preferred temperature; HAT：High avoidance temperature; HLT：High lethal temperature

任何隨時間呈正弦軌跡變化的環境因子，如溫度的晝夜變化，都會呈現兩峰或三峰分布[23]。根據最適性模型，雙峰環境實際上是具有同一標準誤差的兩個正常分布的混合體，這兩個正常分布被一個峰間距所隔離。該模型預測，當呈雙峰分布的溫度的峰間距為17℃時將出現3個適合度峰值[24]。

在恒溫條件下馴化的大蟾蜍蝌蚪的最適溫度分布僅有一個峰值，而在自然變溫環境下生長發育的大蟾蜍蝌蚪的最適溫度分布出現兩個峰值。這種現象可以通過馴化溫度的波動來解釋。經過恒溫馴化的大蟾蜍蝌蚪只經歷了一個穩定的溫度馴化過程，因而它們的最適溫度分布只有一個峰值，而那些經過變溫馴化的大蟾蜍蝌蚪經歷了由低到高再由高到低并以24h為周期的正弦軌跡式溫度變化。較大的馴化溫度范圍產生較大的最適溫度范圍。較低的最適溫度峰值對應于夜間較低的水溫，較高的最適溫度峰值對應于白天較高的水溫。因此，在自然變溫環境下生長發育的大蟾蜍蝌蚪的最適溫度分布出現兩個峰值，且最適溫度范圍也比在恒溫條件下馴化的大蟾蜍蝌蚪的寬。

大蟾蜍蝌蚪的最高逃避溫度可能代表了它們在自然環境中遭遇的溫度變化范圍。最高逃避溫度遠高于最適溫度范圍。這一結果符合最適性模型的另一個預測：動物能夠進行正常活動的溫度范圍一般小于在任何一個世代內動物所經歷的環境溫度[24]。

最高致死溫度較高于最高逃避溫度，說明大蟾蜍蝌蚪能夠耐受的極端高溫范圍較窄，但能夠適應的溫度范圍卻很寬。經過變溫馴化后的大蟾蜍蝌蚪能夠耐受較高的不利溫度，這一結果也符合最適性模型預測：動物在變溫環境中的溫度耐受性高于其在恒溫環境中的溫度耐受性[24]。

不同的馴化溫度顯著影響大蟾蜍蝌蚪的最適溫度、最高逃避溫度和最高致死溫度，其中對最適溫度的影響最小，對最高逃避溫度影響最大。

[1] Huey R B, Kingsolver J G. Evolution of thermal sensitivity of ectotherm performance. Trends in Ecology & Evolution, 1989, 4: 131- 135.

[2] Avery R A. Field studies of body temperature and thermo regulation//Gans C, Pough F H eds. Biology of the Reptilia Vo. l. 12. New York: Academic Press, 1982: 93- 116.

[3] Huey R B. Temperature, physiology and the ecology of reptiles. In: Gans C, Pough F H eds. Biology of the Reptilia Vo. l. 12. New York: Academic Press. 1982: 25- 91.

[4] Pough F H. The advantages of ectothermy for tetrapods. The American Naturalist, 1980, 115: 92- 112.

[5] Prosser C L. Environmental and Metabolic Animal Physiology: Comparative Animal Physiology, Wiley-Liss. 1991: 24- 47.

[6] Wilson R S, Franklin C E. Testing the beneficial acclimation hypothesis. Trends in Ecology & Evolution, 2002, 17 (2): 66- 70.

[7] Mendelssohn E. Ueber den Thermotropismus einzelner Organismen. Pflügers Arch. Ges. Physiol., 1895, 60: 1- 27.

[8] Wang L Z, Li X C, Sun T. Preferred temperature, avoidance temperature and lethal temperature of tadpoles of the Common Giant Toad (Bufogargarizans) and the Chinese Forest Frog (Ranachensinensis). Chinese Journal of Zoology, 2005, 40(2): 23- 27.

[9] Wang L Z, Li X C. Effects of constant thermal acclimation on thermal tolerance of the Chinese Forest Frog (Ranachensinensis). Acta Hydrobiologica Sinica, 2007, 31(5) : 748- 750.

[10] Claussen D L. Thermal acclimation in ambystomatid salamanders. Comparative Physiology and Biochemistry, 1977, 58A: 333- 340.

[11] Reynolds W W, Casterlin M E. Behavioral thermoregulation and the “final preferendum” paradigma. American zoologist, 1979, 19: 211- 224.

[12] Fry F E J. Effects of the environment on animal activity. University of Toronto Studies, Biological Services, 1947, 68: 1- 62.

[13] Jobling M. Temperature tolerance and the final preferendum-rapid methods for the assessment of optimum growth temperatures. Journal of Fish Biology, 1981, 19: 439- 455.

[14] Kellog R L, Gift J J. Relationship between optimum temperatures for growth and preferred temperatures for the young of four fish species. Transactions of the American Fisheries Society, 1983, 112: 424- 430.

[15] McCauley R W, Casselman J M. The final preferendum as an index of the temperature for optimum growth in fishes. World Symposium on Aquaculture in Heated Effluents and Recirculation Systems, 1981, 2: 81- 93.

[16] Hadfield S. Observations on body temperature and activity in the toadBufowoodhouseifowleri. Copeia, 1996, (4): 581- 582.

[17] Smith G C. Ecological energetics of three species of ectothermic vertebrates. Ecology, 1976, 57: 252- 264.

[18] Lillywhite H B. Behavioural thermoregulation in the BullfrogRanacatesbiana. Copeia, 1970, (1): 58- 168.

[19] Brett J R. Some principles in the thermal requirements of fishes. The Quarterly Review of Biology, 1956, 31: 75- 86.

[20] Hutchison V H. Factors influencing thermal tolerance of individual organisms//Esch W G, McFarland W R, eds. Thermal Ecology Ⅱ. US National Technical Information Service, Springfield, 1976: 10- 26.

[21] Andrewartha H G, Birch L C. The distribution and abundance of animals. Chicargo, USA: University of Chicargo Press, 1954: 26- 235.

[22] Magnuson J J, Crowder L B, Medvick P A. Temperature as an ecological resourse. American Zoologist, 1979, 19: 331- 343.

[23] Curry G L, Feldman R M. Mathematicl foundations of population dynamics. Texas A&M University Press, College Station, 1987: 35- 46.

[24] Gilchrist G W. Specialists and generalists in changing environments. Ⅰ. fitness landscapes of thermal sensitivity. The American Naturalist, 1995, 146(2): 252- 270.

參考文獻：

[8] 王立志, 李曉晨, 孫 濤. 中國林蛙蝌蚪和大蟾蜍蝌蚪的最適溫度、逃避溫度和致死溫度. 動物學雜志, 2005, 40(2): 23- 27.

[9] 王立志, 李曉晨. 恒溫馴化對中國林蛙熱耐受性的影響. 水生生物學報, 2007, 31(5): 748- 750.

The effects of constant and variable thermal acclimation on thermal tolerance of the common giant toad tadpoles (Bufogargarizans)

WANG Lizhi1,2,*

1CollegeofLifeSciences,NorthwestUniversity,Xi′an710069,China2DepartmentofBiologicalScienceandTechnology,ShaanxiXueqianNormalUniversity,Xi′an710061,China

In order to testify the Optimality models, preferred temperature, high avoidance temperature and high lethal thermal maxima of the common giant toad tadpoles were measured using thermal gradient apparatus. Tadpoles of this species were acclimated at different temperatures (10 ℃, 15 ℃, 20 ℃, 25 ℃ and 15.76—5.42 ℃) for two weeks. The results showed that the preferred temperature of the common giant toad tadpoles were (17.2±3.8), (18.1±3.5), (19.6±2.5) and (15.8±2.2) ℃; the high avoidance temperature of the common giant toad tadpoles were (27.6±1.9), (31.3±1.3), (32.5±0.8), (33.9±1.0) and (31.6±1.3) ℃; the high lethal temperature of the common giant toad tadpoles were (32.9±1.6), (36.5±1.0), (37.9±0.9), (38.8±1.1) and (37.2±1.3) ℃ corresponding respectively to the acclimation temperatures 10 ℃, 15 ℃, 20 ℃, 25 ℃ and 15.76—5.42 ℃. The acclimation temperatures significantly influence on the preferred temperature, the high avoidance temperature and the high lethal temperature (P< 0.001). The acclimation temperatures impose less influence on the preferred temperature than on the high avoidance temperature and high lethal temperature in tadpoles of this species. Any environmental factor, such as a diurnal pattern of temperature, that follows an approximately sinusoidal trajectory through time will exhibit a bi- or trimodal distribution. The optimality models modeled the bimodal environment as a mixture of two normal distributions sharing a common standard deviation and separated by an intermodal distance, and these models predicted that three fitness peaks would appear when the intermodal distance of the bimodally distributed temperature was 17 ℃. Results from this study fully supported the Optimality models.

acclimation temperature; preferred temperature; high avoidance temperature; high lethal temperature; the common giant toad; tadpole

陜西省自然科學基金資助項目(2010JM3013)；陜西省教育廳自然科學基金資助項目(2013JK0738)；陜西學前師范學院科研基金資助項目(2012KJ007)

2012- 09- 27;

2013- 12- 29

10.5846/stxb201209271356

*通訊作者Corresponding author.E-mail: rj_wl@126.com

王立志.恒溫和變溫馴化對大蟾蜍蝌蚪熱耐受性的影響.生態學報,2014,34(4):1030- 1034.

Wang L Z.The effects of constant and variable thermal acclimation on thermal tolerance of the common giant toad tadpoles (Bufogargarizans).Acta Ecologica Sinica,2014,34(4):1030- 1034.