繁殖期4種淡水魚類化學(xué)預(yù)警行為及其與性腺指數(shù)的關(guān)聯(lián)

夏繼剛,張 嬙,劉 香,張 寧

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

化學(xué)通訊是水生動物最原始、最普遍和最主要的通訊方式之一[1-9]。與陸生動物相比,由于受到水環(huán)境透明度、濁度等生態(tài)因子的制約,魚類等水生動物的視覺通訊往往受到很大限制,依賴于嗅覺系統(tǒng)的化學(xué)通訊成為水生動物生存的必要選擇[4-8]。介導(dǎo)魚類通訊的化學(xué)信息主要包括性信息素和一般環(huán)境化學(xué)信息,其中性信息素主要與魚類的繁殖生理與繁殖活動有關(guān),相關(guān)研究已日趨成熟；相較而言,食物或化學(xué)預(yù)警信息(Chemical alarm cues, CAC)則在魚類捕食者-獵物種間關(guān)系中起重要作用,主要與生存適合度密切關(guān)聯(lián),近年來逐漸成為研究熱點(diǎn)[10-13]。CAC能夠引起同伴快速預(yù)警與反捕食響應(yīng),從而提高種群的整體適合度[2-3,6-10]。

在眾多的魚類化學(xué)預(yù)警信息中,魚體受到來自捕食者攻擊等外界的機(jī)械性損傷時由表皮棒狀細(xì)胞破損釋放的化學(xué)預(yù)警信息(Damage-released chemical alarm cues, DCAC)備受研究者關(guān)注。DCAC是一種次黃嘌呤-3-N-氧化物(Hypoxanthine-3-N-oxide)或一組功能相似的化合物,在實(shí)驗條件下相對比較穩(wěn)定[14]。DCAC的表達(dá)與釋放無疑有助于提高魚類的反捕食能力,但魚類DCAC的產(chǎn)生及其行為應(yīng)答本身是一種較為耗能的生理/生態(tài)過程[7,15-18]。值得注意的是,繁殖也是一種高能耗的生命活動[19-21]。因此,繁殖期魚類對DCAC是否依然保留或多大程度上保留對DCAC的響應(yīng)便是一個有意義的問題。Smith等[22-23]少量研究者曾報道了繁殖期某些硬骨魚類DCAC的產(chǎn)生及其行為應(yīng)答模式缺失并引起學(xué)界對繁殖期魚類化學(xué)預(yù)警通訊研究的回避[5,16]。

生態(tài)學(xué)家認(rèn)為反捕食能力是動物適合度的基礎(chǔ)條件,適合度最大化必須同時依賴成功的生存和高效的繁衍。我們近期的一項研究發(fā)現(xiàn),繁殖期高體鳑鲏(Rhodeusocellatus)依然對DCAC展現(xiàn)出一定程度的行為應(yīng)答,并且其行為響應(yīng)程度不受繁殖生理狀態(tài)和性別的影響[5],表明Smith等的研究結(jié)果并不具有普遍性。不過,考慮到高體鳑鲏繁殖生理投入很低,這種現(xiàn)象是否存在于其它不同繁殖投入(繁殖對策)魚類有必要進(jìn)一步考證。為此,我們假定：(1)繁殖期魚類的化學(xué)預(yù)警通訊是否缺失與不同物種的繁殖生理投入有關(guān),高繁殖投入的物種化學(xué)預(yù)警通訊可能弱化甚至缺失,而低繁殖投入的物種或?qū)⒈Ａ麸@著的化學(xué)預(yù)警行為(假說一)；(2)個體對DCAC的應(yīng)答程度同時受到環(huán)境風(fēng)險強(qiáng)度(例如DCAC濃度)的影響和自身繁殖-預(yù)警能量分配的限制(假說二)。為驗證以上科學(xué)假說,本研究選取高體鳑鲏(卵生,繁殖投入較低)、斑馬魚(Daniorerio,卵生,繁殖投入較高)、孔雀魚(Poeciliareticulata,卵胎生,繁殖投入較高)和皮球魚(Poecilialatipinna,卵胎生,繁殖投入很高)4種淡水魚類為實(shí)驗對象(圖1),測定了繁殖IV期實(shí)驗魚對不同濃度DCAC的行為響應(yīng)模式,并探究了4種實(shí)驗魚的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與其性腺指數(shù)(Gonadosomatic index, GSI)的關(guān)聯(lián)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗動物

實(shí)驗所用4種實(shí)驗魚種群均已在實(shí)驗室長期馴養(yǎng)。這4種魚均無親體撫育行為,在實(shí)驗室條件下也無尋覓適宜產(chǎn)卵生境或筑巢行為,因此繁殖生理投入基本上反映了繁殖投入總體狀況。為保證實(shí)驗馴養(yǎng)條件的一致性,實(shí)驗前,將所有實(shí)驗魚飼養(yǎng)于12個24 L的玻璃質(zhì)循環(huán)水槽(40 cm×23 cm×42 cm,實(shí)際水深約26 cm；每種實(shí)驗魚設(shè)3個平行),并于實(shí)驗室條件下馴養(yǎng)適應(yīng)2周。馴養(yǎng)期間,實(shí)驗用水為曝氣24 h以上的自來水,水溫(24±1)℃,溶解氧大于6.5 mg/L,光周期14 L∶10 D。每日早晚(09:00和20:00)以冰凍水絲蚓(Tubifexspp.)各飽足投喂1次,投喂15 min后,吸去殘餌及糞便并更換1/3水體。馴養(yǎng)結(jié)束后,選取健康活潑、大小相近且預(yù)估處于繁殖Ⅳ期的個體用于DCAC制備以及后來的行為學(xué)測試。繁殖Ⅳ的判斷以實(shí)驗測定結(jié)束后對性腺的解剖學(xué)特征為依據(jù),非繁殖Ⅳ個體的相關(guān)測定不用于統(tǒng)計分析。

1.2 DCAC制備

將實(shí)驗魚鈍擊后斷頭處死,并在低溫條件下(冰上操作)迅速剝離身體兩側(cè)皮膚組織并精確計算出面積大小,然后將所剝離的皮膚組織放入研磨棒中加入適量冰水充分研磨使表皮細(xì)胞破碎、內(nèi)容物流出,過濾,并最終配制成10 mL/cm2含有DCAC的母液。將各種實(shí)驗魚的DCAC母液分別及時分裝至若干10 mL的小袋中于-20℃冷凍保存,一周內(nèi)用于實(shí)驗研究。根據(jù)前期實(shí)驗結(jié)果[5]和預(yù)實(shí)驗研究,繁殖期幾種實(shí)驗魚的DCAC是存在的。

1.3 實(shí)驗方案

對每種實(shí)驗魚均設(shè)置10 mL自來水(對照組)、2.5 mL DCAC+7.5 mL自來水(低濃度DCAC組)、10 mL DCAC(高濃度DCAC組)3個化學(xué)信息處理組,對應(yīng)的濃度分別為0、0.025、0.1 cm2/mL的皮膚組織研磨液。實(shí)驗觀測設(shè)備為自制的方形水槽(60 cm×11 cm×36 cm,實(shí)際水深26 cm)。將單尾實(shí)驗魚轉(zhuǎn)移至實(shí)驗水槽,并給予20 min的適應(yīng)期(依據(jù)預(yù)實(shí)驗研究結(jié)果,20 min后絕大多數(shù)實(shí)驗魚能夠適應(yīng)實(shí)驗測試條件,恢復(fù)自發(fā)游泳狀態(tài))。在此期間解凍DCAC和冰凍自來水。適應(yīng)結(jié)束后,用攝像頭(Logitech Webcam Pro 9000,15幀/s)拍攝記錄實(shí)驗魚的行為響應(yīng),拍攝時間為5 min(Pretest)；之后,采用注射器分別將10 mL 的自來水或不同濃度的DCAC通過管道緩緩?fù)迫雽?shí)驗水槽(操作時間為20 s并給予20 s的加樣操作恢復(fù)期)；接著繼續(xù)拍攝記錄5 min(Posttest)。實(shí)驗同時使用3個測試水槽(每個化學(xué)信息處理隨機(jī)使用1個),每做完1個重復(fù),將所有實(shí)驗水槽沖洗3遍,確保無DCAC以及被試魚化學(xué)信息殘留。視頻錄制期間,水溫水質(zhì)條件與馴養(yǎng)期間保持一致。

行為測試結(jié)束后,將每一條與行為測試相對應(yīng)的實(shí)驗魚用MS-222麻醉后解剖,檢測其健康狀況及性腺成熟程度,用分析天平和直尺測定體重、體長、性腺重,并依據(jù)以上參數(shù)計算出性腺指數(shù)(GSI,GSI=m′/m× 100,式中m′、m分別為性腺重和體重)。本研究中,僅將體質(zhì)健康并處于繁殖Ⅳ期的個體用于統(tǒng)計分析。各個化學(xué)信息處理組,高體鳑鲏、斑馬魚、孔雀魚和皮球魚被用于統(tǒng)計分析的樣本量分別為n=28、n=25、n=28、n=28。4種實(shí)驗魚的GSI差異顯著(圖1,表1)。

表1 4種實(shí)驗魚的形態(tài)參數(shù)與性腺指數(shù)

圖1 4種實(shí)驗魚的形態(tài)與性腺指數(shù)示意圖

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Noldus動物運(yùn)動軌跡跟蹤軟件(EthoVision XT 9.0, Noldus, Netherlands)對所有錄制視頻進(jìn)行分析。通過對實(shí)驗魚空間分布狀態(tài)(以底棲時間表征,即在距離實(shí)驗水槽底部5 cm范圍內(nèi)出現(xiàn)的時間)、活躍狀態(tài)(以靜止時間、運(yùn)動距離、運(yùn)動平均速度和身體不重合度表征,其中靜止?fàn)顟B(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)驗魚的圖心位移小于1 cm/s)、逃逸行為(以高速運(yùn)動時間表征,即運(yùn)動速度大于30 cm/s的時間)的解析來量化實(shí)驗魚的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)[5,7,16]。為了消除行為背景值對DCAC效應(yīng)的影響,將DCAC加入前后行為參數(shù)的變化量(Posttest-Pretest)用于統(tǒng)計分析[2]。

應(yīng)用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。首先對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性和方差齊性檢驗。若數(shù)據(jù)滿足正態(tài)性和方差齊性,采用單因素協(xié)方差分析(以GSI為協(xié)變量)和Tukey′s HSD多重比較檢驗差異顯著性,Pearson相關(guān)分析檢測實(shí)驗魚行為響應(yīng)變化與GSI的關(guān)聯(lián)；若數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性和方差齊性,采用Scheirer-Ray-Hare分析[24]檢驗差異顯著性,Spearman相關(guān)分析檢測實(shí)驗魚行為響應(yīng)變化與GSI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。

2 結(jié)果

2.1 化學(xué)預(yù)警信息對4種實(shí)驗魚的行為響應(yīng)的影響

DCAC對4種實(shí)驗魚的化學(xué)預(yù)警行為均有顯著影響,不同魚類對DCAC的行為應(yīng)答不盡相同(表2,圖2)。總體上,DCAC導(dǎo)致實(shí)驗魚底棲時間和靜止時間增加(P<0.05)或有增加的趨勢、運(yùn)動距離和身體不重合度減少(P<0.05)或有減少的趨勢。DCAC對運(yùn)動平均速度無顯著影響(P>0.05),除孔雀魚外DCAC對高速運(yùn)動時間也無顯著影響(P>0.05)。此外,高濃度和低濃度DCAC處理對除身體不重合度以外的行為參數(shù)均無顯著影響(P>0.05)。

圖2 化學(xué)預(yù)警信息對4種實(shí)驗魚的行為響應(yīng)的影響

表2 化學(xué)信息和性腺指數(shù)對4種實(shí)驗魚的行為響應(yīng)參數(shù)的影響

2.2 4種實(shí)驗魚化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與其GSI的關(guān)聯(lián)

除了高濃度DCAC處理組皮球魚的GSI與其底棲時間的變化顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.405,P<0.05,表3),在其它處理組以及其它魚類中均未發(fā)現(xiàn)GSI與化學(xué)預(yù)警響應(yīng)參數(shù)的變化有顯著的相關(guān)性(P>0.05,表3)。

表3 4種實(shí)驗魚化學(xué)預(yù)警響應(yīng)與性腺指數(shù)的關(guān)聯(lián)

3 討論

化學(xué)預(yù)警通訊是魚類應(yīng)對被捕食風(fēng)險一種有效的生態(tài)策略,然而,魚類DCAC的產(chǎn)生及其行為應(yīng)答本身是一種較為耗能的生理/生態(tài)過程[7,15-18]。在不同生活史階段或特定生理狀態(tài)下,魚類往往面臨基于能量供需的“覓食-避敵”、“生存-發(fā)育”等權(quán)衡(Trade-offs)。例如,Brown等[16]發(fā)現(xiàn),黑頭呆魚(Pimephalespromelas)被饑餓48 h后對DCAC的行為應(yīng)答缺失,而飽食組和短時饑餓組(12 h以內(nèi))的實(shí)驗魚卻展示出顯著的化學(xué)預(yù)警行為(包括增加的隱匿時間、增加的爆發(fā)游泳以及僵直行為等)；類似地,McCormick等[17]發(fā)現(xiàn),來自被食物剝奪的星塘鱧(Asterropteryxsemipunctatus)的DCAC不能夠引發(fā)同種個體的化學(xué)預(yù)警響應(yīng),而來自飽食投喂組動物的DCAC卻能夠?qū)е峦N個體產(chǎn)生顯著的化學(xué)預(yù)警響應(yīng),提示食物剝奪或能量赤字將對魚類DCAC的產(chǎn)生以及行為應(yīng)答造成不利影響。此外,發(fā)育早期的孔雀魚仔魚并不表現(xiàn)出對同生群個體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),提示發(fā)育早期生長優(yōu)先的策略可能更有益于種群適合度的提高[3]。

魚類進(jìn)入繁殖狀態(tài)需要較高的能量成本,能量儲備被認(rèn)為是雌性能否進(jìn)入繁殖期的限制條件之一,只有貯存了足夠能量的個體才能進(jìn)入繁殖狀態(tài)[19-21]。GSI通常被作為魚類繁殖生理投入的核心指標(biāo)用于相關(guān)研究[19,25]。由于繁殖期增大的GSI往往導(dǎo)致魚體腹部顯著凸起,增加其運(yùn)動能耗并限制其逃逸能力[26-27],因此,對環(huán)境風(fēng)險信息的識別與應(yīng)答就至關(guān)重要。鑒于繁殖期魚類的繁殖生理投入和化學(xué)預(yù)警響應(yīng)均具有較高的能量需求,二者可能存在基于能量供需的生存-繁殖的權(quán)衡。那么,繁殖期魚類的化學(xué)預(yù)警行為表現(xiàn)到底如何呢？早期的一些研究者發(fā)現(xiàn)黑頭呆魚等一些硬骨魚類繁殖期DCAC的產(chǎn)生及其行為應(yīng)答模式缺失。例如,繁殖期雄性黑頭呆魚產(chǎn)生DCAC的表皮棒狀細(xì)胞缺失,無法產(chǎn)生DCAC,但雌性仍可通過棒狀細(xì)胞產(chǎn)生[22]；繁殖期不同性別的曲口魚(Campostomaanomalum)產(chǎn)生DCAC的表皮棒狀細(xì)胞均大量缺失,無法產(chǎn)生足夠量的DCAC[23]；Pollock等[28]發(fā)現(xiàn),黑頭呆魚對來自繁殖期和非繁殖期雌性個體的DCAC的行為響應(yīng)無顯著差異,繁殖生理狀況與反捕食行為無統(tǒng)計學(xué)意義上顯著相關(guān)性,但與反捕食行為存在負(fù)相關(guān)趨勢[28]。本研究發(fā)現(xiàn),DCAC對高體鳑鲏、斑馬魚、孔雀魚、皮球魚4種不同繁殖生理投入(繁殖對策)的實(shí)驗魚的化學(xué)預(yù)警行為均有顯著影響,具有最高繁殖投入的皮球魚的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)不僅沒有缺失而且沒有弱化,研究結(jié)果不支持“假說一”；不僅如此,除了高濃度DCAC處理組皮球魚的GSI與其底棲時間的變化呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān),在皮球魚的其它處理組以及其它魚類中均未發(fā)現(xiàn)GSI與化學(xué)預(yù)警響應(yīng)參數(shù)的變化有顯著的相關(guān)性,結(jié)果提示高繁殖投入物種種內(nèi)個體的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)可能存在繁殖投入-避敵表現(xiàn)的權(quán)衡,但這種權(quán)衡也僅在高風(fēng)險環(huán)境下(例如高濃度DCAC)顯著存在,研究結(jié)果僅在少有的特定情況下支持“假說二”。

本研究回答了長期以來有關(guān)繁殖期魚類化學(xué)預(yù)警通訊是否缺失的問題。主要研究發(fā)現(xiàn)包括：(1)證實(shí)了繁殖期不同繁殖生理投入的4種淡水魚類均有顯著的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)；(2)揭示了魚類GSI與其化學(xué)預(yù)警響應(yīng)程度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)(普遍不相關(guān),僅在高風(fēng)險環(huán)境下繁殖生理投入很高的物種中可能呈現(xiàn)負(fù)相關(guān))。盡管DCAC對4種實(shí)驗魚的空間分布、活躍狀態(tài)、逃逸行為等大部分化學(xué)預(yù)警響應(yīng)參數(shù)均有不同程度的影響,但不同魚類對DCAC的行為應(yīng)答程度不盡相同。特別是,從圖2中靜止時間的變化、身體不重合度的變化等參數(shù)可以看出,隨GSI增加,化學(xué)預(yù)警響應(yīng)程度有增大的趨勢。因此,在種間水平上,繁殖生理投入高的物種可能具有更為顯著的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)。在種內(nèi)水平上,總體上,DCAC導(dǎo)致實(shí)驗魚靜止時間增加、運(yùn)動距離和身體不重合度減少或有減少的趨勢。可見,運(yùn)動狀態(tài)是指示幾種魚化學(xué)預(yù)警響應(yīng)有效的行為參數(shù)。此外,不同行為參數(shù)對環(huán)境風(fēng)險強(qiáng)度(DCAC濃度)的敏感性可能不同,高濃度和低濃度DCAC處理對高體鳑鲏和斑馬魚的身體不重合度有顯著影響,但對其它所測行為參數(shù)均無顯著影響,提示未來魚類化學(xué)預(yù)警行為研究中,對行為應(yīng)答程度的分級是必要的。

本研究所涉及的4種實(shí)驗魚不僅繁殖生理投入差異顯著,而且繁殖對策也體現(xiàn)了多樣性(其中高體鳑鲏和斑馬魚為卵生,孔雀魚和皮球魚為卵胎生),研究結(jié)果具有一定的代表性,對于深入理解魚類繁殖與生存對策的權(quán)衡有一定的生態(tài)學(xué)意義,亦可望為行為生態(tài)學(xué)、保護(hù)與恢復(fù)生態(tài)學(xué)相關(guān)研究提供啟發(fā)。不過,考慮到繁殖期魚類的化學(xué)預(yù)警通訊可能受到多種內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制和外界環(huán)境的影響,在與相關(guān)研究進(jìn)行比較時,必須謹(jǐn)慎對待。首先,本研究所用實(shí)驗魚為來自實(shí)驗室馴養(yǎng)的較長期缺乏天然捕食者的種群,在與野生種群的相關(guān)研究進(jìn)行比較時應(yīng)格外注意[5,28]；其次,“個性”與魚類的化學(xué)預(yù)警響應(yīng)有關(guān)并且可能掩蓋繁殖生理狀態(tài)的效應(yīng)[4],進(jìn)而影響化學(xué)預(yù)警行為與生理狀態(tài)的關(guān)聯(lián)；再次,本實(shí)驗所用幾種魚的繁殖行為相對較為溫和,然而某些魚類由于在繁殖期具有十分劇烈的筑巢、求偶、交配等行為而容易導(dǎo)致皮膚破損,對于那些魚類而言,其DCAC暫時性/季節(jié)性缺失則又是合理的,以避免給予配偶錯誤信號,有助于提高繁殖成功率[29-30]。