管氏肿腿蜂母蜂产卵前合作的适合度代价

庄桂苓, 郭晓萌, 孟 玲, 李保平

(南京农业大学植物保护学院, 南京 210094)

硬皮肿腿蜂属Sclerodermus寄生蜂雌蜂可合作寄生同一寄主，因而成为寄生蜂中唯一具有准社会性的类群(Tangetal., 2014)，是研究寄生蜂社会习性进化的难得材料(赵琪等, 2020)。硬皮肿腿蜂营群聚外寄生，母蜂(交配后雌蜂)可多头合作制服体型较大、防卫较强的天牛幼虫寄主，并共同抚育子代蜂(Liuetal., 2011, 2021; 伍绍龙等, 2013; Tangetal., 2014)。母蜂合作可缩短制服寄主所需时间，减小被寄主伤害的风险，提高寄生成功率(康文通等, 2008;丁治国等, 2010; Tangetal., 2014; 林芳芳等, 2015； Gaoetal., 2016; 黄维亚和李莉, 2017； 伍绍龙等, 2017; 王瑜琪等, 2019; Abdietal., 2020a, 2020b)。合作行为得以进化的前提是适合度利益大于非合作行为，故有必要明确合作行为的适合度利益得失(Lin and Michener, 1972)。

管氏肿腿蜂S.guani母蜂合作包括产卵前的制服和产卵后的护幼阶段(张卫光等, 2004)，制服寄主依赖于母蜂的毒素(卓志航等, 2013)，但每头母蜂的毒素含量有限，只有多头雌蜂合作才可有效制服防卫较强、体型较大的寄主(Tangetal., 2014)。雌蜂释放毒素麻醉制服寄主必然付出一定的适合度代价，迄今尚不明确该代价的具体表征。

本研究以管氏肿腿蜂为对象，用黄粉虫Tenebriomolitor蛹为替代寄主，任意2头母蜂合作制服寄主0.5，1.5和2.5 d后，随机保留其中1头蜂(受益蜂)独自继续完成寄生过程，为另1头蜂(利他蜂)提供1头新寄主独自完成寄生过程；观察母蜂存活、产卵量和子代蜂发育表现，以明确母蜂在产卵前合作所付出的适合度代价，为认识管氏肿腿蜂合作行为的适应性提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

管氏肿腿蜂从江苏省林业科学院森林保护研究所引进后，在养虫室内以松墨天牛Monochamusalternatus幼虫为寄主继代饲养，供试雌蜂(称“母蜂”)3-5日龄，已交配且无寄生经历。黄粉虫蛹可替代天牛幼虫作为管氏肿腿蜂的寄主(贺凯等, 2006)，自江苏省南京市夫子庙花鸟市场购得黄粉虫幼虫，带回养虫室用麦麸饲养；挑选24 h内化的新鲜蛹为寄主供试。养虫室温度为26±0.5℃，相对湿度为60%～80%。

1.2 母蜂合作处理和观测

随机选取1头黄粉虫蛹，称鲜重(Mettler Toledo，AL204-IC型，精确到0.001 g)后接入指形管(直径1 cm，长度5 cm)，然后接入2头母蜂(来自于不同母蜂的子代成虫，3-5日龄，已交配且无寄生经历)，待2头母蜂都(往往几乎同时)爬上寄主后开始计时，于0.5，1.5和2.5 d(分别对应母蜂寄生过程中的蛰刺、清理和取食阶段)后，随机选择其中1头母蜂(称“受益蜂”)继续后续寄生过程，将另1头母蜂(称“利他蜂”)移至新指形管中提供1头新寄主供其寄生。每天观察1次，观测记录产卵前期、产卵数量(鉴于母蜂可能偶尔取食卵，取产卵4-6 d内卵量最大的数值代表产卵量)、子代卵历期和幼虫历期(取1头寄主上所有子代个体的平均值)；待子代成虫羽化后，收集所有子代蜂统计出蜂数和性比(用雄蜂占比表示)；鉴于性比极端偏雌，故将同一窝子代雌蜂集体称重后再取平均值代表子代蜂个体大小。考虑寄主中途死亡后无法观测到某些后续发育特征，为确保各观测变量的每个时段处理的有效重复数在20组利他蜂和受益蜂以上，3个合作时段处理的起始重复数分别为40组。

1.3 数据分析

为估计母蜂的死亡风险(瞬时死亡概率)，用Cox比例风险模型拟合母蜂个体的存活时间；分析计算用R功能包survival(Themeau, 2015)。用泊松回归模型拟合母蜂产卵数量和子代出蜂数量，用logistic回归模型拟合子代蜂性比，用一般线性模型拟合母蜂产卵前期、子代雌蜂体重及子代蜂发育历期。以合作时长和母蜂类型作为自变量因素，将寄主体重作为协变量以控制其影响；在拟合一般线性模型中用F测验估计自变量的影响显著性，在拟合广义线性模型中用似然比卡方测验估计自变量的影响显著性；当合作时长因素有显著影响时，在不同水平之间的差异用模型估计出的边际均值进行比较，计算分析用R功能包emmeans(Lenth, 2019)。 数据分析采用R4.0.3统计软件(RCoreTeam, 2020)。

2 结果

2.1 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的存活

利他蜂在产卵前期的瞬时死亡概率(死亡风险或存活函数)与受益蜂的存在显著差异(χ2=11.93,P<0.01)，该差异不受合作时长的影响(χ2=0.69,P=0.41)。利他蜂的死亡风险比受益蜂高5.4倍(图1)。

图1 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的存活曲线Fig. 1 Survival curves of altruistic and beneficiaryfoundresses of Sclerodermus guani after differentperiods of cooperation以黄粉虫蛹作为替代寄主, 在两头已交配管氏肿腿蜂雌蜂(母蜂)分别合作0.5, 1.5和2.5 d后保留其中一头(“受益蜂”)继续后续寄生过程，将另一头母蜂(“利他蜂”)移至一头新寄主上完成寄生过程。下同。Tenebrio moliter pupae were used as the substitutive host. Two mated female wasps (foundresses) of S. guani were allowed to colonize together on a single host for different cooperation periods (0.5, 1.5, or 2.5 d) and then randomly retained one to continue the following parasitism on the host as the beneficiary foundress, while transferred another to a new host to make another parasitism as the altruistic foundress. The same below.

2.2 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的产卵前期

母蜂产卵前期受母蜂类型与合作时长互作(F2,50=4.00,P=0.02)和合作时长(F2,50=1.42,P<0.01)的影响，合作0.5 d(Z=0.93,P=0.35)后的利他蜂与受益蜂之间的产卵前期没有显著差异，合作1.5 d的利他蜂产卵前期比受益蜂的缩短14.1%(Z=-2.57,P=0.01)，合作2.5 d的利他蜂的产卵前期比受益蜂的缩短28.6% (Z=-2.06,P=0.04)(图2)。

图2 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂与受益蜂的产卵前期Fig. 2 Pre-oviposition time of altruistic andbeneficiary foundresses of Sclerodermus guaniafter different periods of cooperation部分数据点由于数值相同而重叠,下同。Some of the data points are overlapped for having the same value. The same below.

2.3 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的产卵量

产卵量不受合作时长与母蜂类型互作(χ2=2.16,P=0.34)、母蜂类型(χ2=0.10,P=0.75)及合作时长(χ2=1.01,P=0.60)的影响；利他蜂和受益蜂的平均产卵量分别为38.41和37.34粒(图3)。

图3 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂与受益蜂的产卵量Fig. 3 Number of eggs laid by altruistic and beneficiaryfoundresses of Sclerodermus guani afterdifferent periods of cooperation鉴于母蜂可能偶尔取食卵，取产卵4-6 d内卵量最大的数值代表产卵量。Due to occasional ovicide, we adopt the highest number of eggs laid on the host during 4-6 d of oviposition.

2.4 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的子代卵历期

子代卵历期不受合作时长与母蜂类型互作(F1,52=0.36,P=0.55)及合作时长(F1,52=0.70,P=0.41)的影响，但受母蜂类型(F1,52=8.08,P<0.01)的影响，利他蜂比受益蜂的子代卵历期延长6.8%(图4)。

图4 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂子代卵历期Fig. 4 Egg duration of offspring of altruistic andbeneficiary foundresses of Sclerodermus guaniafter different periods of cooperation

2.5 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的子代幼虫历期

子代幼虫历期不受合作时长与母蜂类型互作(F1,52=0.08,P=0.77)的影响，但受母蜂类型(F1,52=22.74,P<0.01)及合作时长(F1,52=12.59,P<0.01)的影响，利他蜂的子代幼虫历期比受益蜂的延长8.4%；合作0.5 d下的子代幼虫历期比合作1.5 d及合作2.5 d下的子代幼虫历期分别缩短6.6%和4.7%(图5)。

图5 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的子代蜂幼虫历期Fig. 5 Larval duration of offspring of altruistic andbeneficiary foundresses of Sclerodermus guaniafter different periods of cooperation

2.6 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的子代出蜂数量

子代出蜂数量不受合作时长与母蜂类型互作(χ2=0.40,P=0.82)、母蜂类型(χ2=0.07,P=0.79)及合作时长(χ2=1.52,P=0.47)的影响；利他蜂与受益蜂的子代平均出蜂数分别为26.97和26.41头(图6)。

图6 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的子代出蜂数量Fig. 6 Number of offspring emerged to adulthoodproduced by altruistic and beneficiary foundressesof Sclerodermus guani after differentperiods of cooperation

2.7 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的子代蜂性比

子代蜂性比(雄性占比)不受合作时长与母蜂类型互作(χ2=2.37,P=0.31)、母蜂类型(χ2=1.37,P=0.24)以及合作时长(χ2=3.36,P=0.19)的影响。利他蜂与受益蜂的子代蜂平均性比分别为3.4%和5.2%(图7)。

图7 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的子代蜂性比(雄性比例)Fig. 7 Sex ratio (proportion of males) of offspring atemergence produced by altruistic and beneficiaryfoundresses of Sclerodermus guani afterdifferent periods of cooperation

2.8 不同合作时长下子代雌蜂体重

子代雌蜂体重受合作时长与母蜂类型互作(F2,51=6.49,P<0.01)的影响；利他蜂与受益蜂之间的子代雌蜂体重在合作0.5 d(z=0.50,P=0.62)和1.5 d(z=0.43,P=0.67)下没有显著差异，在合作2.5 d下利他蜂的子代雌蜂体重比受益蜂的减小25.4%(z=-4.51,P<0.01)(图8)。

图8 不同合作时长下管氏肿腿蜂利他蜂和受益蜂的子代雌蜂体重Fig. 8 Body weight of female offspring adults atemergence produced by altruistic and beneficiaryfoundresses of Sclerodermus guani afterdifferent periods of cooperation

3 讨论

本研究发现，无论合作时间长短，利他蜂的死亡风险显著大于受益蜂(图1)。该结果说明母蜂合作制服寄主需付出生存适合度代价。

利用毒素广泛存在于膜翅目昆虫中(Walker, 2020)，在寄生性(外寄生蜂)、捕食性(胡蜂、蚂蚁)和植食性(蜜蜂)类群的雌性生殖系统中由附腺演化出发达的毒腺，从而使雌蜂制服寄主顺利完成寄生或削弱猎物防卫将其捕食。外寄生蜂产卵及其子代幼虫在寄主体表生活(Godfray, 1994)，故在面临寄主的防卫时，只有先刺扎寄主释放足够的毒素(以寄主体型大小而定)将其麻醉后，方可产卵。例如，川硬皮肿腿蜂S.sichuanenensis的毒腺体积占雌性生殖系统的很大比例(蒋学建和周祖基， 2006)。硬皮肿腿蜂制服寄主依赖于母蜂的毒素存量(Huetal., 2012; 卓志航等, 2013)，通过注射毒液制服寄主是产卵的必要前提(Tangetal., 2014; Liuetal., 2021)。毒素是高代价有限资源(Morgenstern and King, 2013)，所以，母蜂合作制服寄主理应付出一定的适合度代价。本研究明确,硬皮肿腿蜂母蜂在产卵前的合作所付出的代价首先体现在生存上。

本研究未发现合作时长影响利他母蜂与受益母蜂的生存差异(图1)。这意味着母蜂刺扎寄主释放毒素的行为可能发生在很短的时间内，至少短于本研究设置的最短合作时长(0.5 d)。母蜂在产卵前可能先快速麻痹寄主，然后清洁寄主体表和吸食寄主获取补充营养(张卫光等; 2004; 康文通等; 2008; 吴伟等, 2008)。所以，需进一步研究更短时间合作的影响，以更精确定量适合度代价与毒素投入之间的关系。除适合度代价外，利他蜂的产卵前期较短、卵和幼虫发育期较长，在合作时间较长情况下子代雌蜂体型也较小(图2, 4, 5, 8)。这说明母蜂的合作不仅付出毒素代价，而且还有其他方面的代价。

合作行为进化的基本前提是获得的适合度利益大于独自生活所得，利他性的演化可通过亲缘关系提高广义适合度(Hamilton, 1964)而实现；如果合作者之间没有亲缘关系，则可能通过提高合作者在特殊环境条件下的适合度而得以实现(Clutton-Brock, 2009)。尽管亲缘关系可在一定程度上影响硬皮肿腿蜂的合作行为(Abdietal., 2020a, 2020b)，但无亲缘关系的硬皮肿腿蜂母蜂通过合作可利用体型更大的寄主，从而提高各自的适合度(Tangetal., 2014)。本研究明确了母蜂合作所付出的代价，从而支持生态因素促使硬皮肿腿蜂合作的解释。