食物浓度对来自不同营养水平水体盔型溞克隆生活史参数的影响

黄小娥　郭诗元　林秋奇

摘要：探讨浮游动物对食物浓度变化的生态适应性，为了解环境中食物浓度对浮游动物生存、进化的影响提供理论依据。于2018年5月采集广东流溪河水库、广西岩滩水库和洪潮江水库（营养水平分别为贫-中营养型、中营养型和富营养型）盔型溞克隆，比较分析了高食物浓度（以碳浓度计为2 mg/L）和低食物浓度（以碳浓度计为0.5 mg/L）的斜生栅藻（碳磷比为105：1）对这3个水库的盔型溞克隆生活史参数的影响。在高食物浓度处理组，3个克隆幼溞生长速率、首窝和第二窝产仔量和内禀增长率均显著高于低食物组，首次生殖时间和新生幼溞体长显著小于低食物组，首次怀卵体长在2个处理间无显著差异。食物的增加缩短了性成熟时间、增加产仔量，从而提高内禀增长率。首次生殖时间在3个克隆间没有显著差异，但来自中营养水体克隆的产仔量在2个食物处理组中均显著低于其他2个克隆，导致中营养水体克隆内禀增长率小于其他2个克隆。贫-中营养水体克隆在2个食物处理组中内禀增长率均与富营养水体克隆没有显著差异。结果表明，3个盔型溞克隆对食物浓度变化均表现出较高的表型可塑性，但在生活史策略上并未表现出适应性进化。

关键词：枝角类；生活史策略；食物数量；富营养化

中图分类号：Q178.1        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2023）05-0084-08

富营养化是淡水水体普遍面临的环境问题，它可以改变浮游植物的数量和质量，从而通过食物链对浮游动物产生强烈的选择压力（Hairston et al， 1999; Mao et al， 2020）。浮游植物质量变化包括化学计量比、大小可食性、不饱和脂肪酸含量等（Enache et al， 2019）。富营养化对浮游植物的影响主要包括：降低浮游植物碳磷比，提高浮游植物的化学计量学质量（De Senerpont Domis et al， 2014）；增加浮游植物丰度，提高其总生物量（Van Meerssche & Pinckney， 2019）；使浮游植物群落结构转变为以蓝藻为优势类群，从而降低群落多不饱和脂肪酸含量，增加蓝藻毒素含量（Sommer et al， 1986; Demott & Müller‐Navarra， 1997）等。如果环境中食物条件的变化是短期的，浮游动物可通过表型可塑性来调整生活史策略以应对（Stearns， 1989）；如果食物变化是长期且持续的，浮游动物可通过微进化、改变种群在世代过程中等位基因的频率来适应（Weider et al， 2005）。经自然选择后生活于当前环境的个体，较之其他水体环境中的克隆而言对该水体有更高的适合度。如Hairston等（1999）在20世纪60-70年代对欧洲中部的康斯坦茨湖沉积物中的盔型溞（Daphnia galeata）休眠卵进行了孵化，发现富营养化期间产生的克隆比贫营养期产生的克隆对产毒蓝藻具有更高的抗性。随后的研究发现，富营养化期间产生的克隆在产毒蓝藻环境下始终具有较高的适合度（Hairston et al， 2001）。Frisch等（2014）发现富营养化导致的浮游植物化学计量比变化使美国明尼苏达南中心湖多蚤溞（Daphnia pulicaria）的种群遗传结构发生变化。沉积物中年轻基因型（2002-2008年）的多蚤溞对磷的利用效率和滞留率均低于古老基因型（1301-1418年）；年轻基因型在高磷食物下的适合度高于古老基因型，而古老基因型在低磷食物下的适合度大于年轻基因型。

溞属（Daphnia）是枝角类中的重要类群，具有分布范围广、滤食能力强、个体相对较大等特点；在环境条件良好的情况下进行孤雌生殖，因而也容易发生等位酶变异，是生态学和生物进化研究的重要对象和模式生物（Lampert， 2011）。以往研究已表明，在富营养化的过程中，溞属种类对于食物中磷含量的变化以及蓝藻毒素的变化产生了适应性进化（Frisch et al， 2014; Hairston et al， 1999），生活于富营养时期的溞类个体比贫营养时期的个体在高磷环境下有更高的生长速率，且对蓝藻有更高的抗性。那么溞类在面临富营养化所造成的食物数量的变化时是否也存在这种适应性进化？本研究以中国南亚热带水库常见的大型枝角类盔型溞（Daphnia galeata）为研究对象，从空间尺度上，选取了3个来源地营养水平不同的盔型溞克隆，研究三者在不同的食物浓度下的生活史差异，探讨食物数量在盔型溞对富营养化过程的适应中所产生的影响，为更好地了解环境中食物数量的变化对浮游动物生存、进化的影响提供理论依据。

1   材料与方法

1.1   实验动物与食物的培养

实验选用的流溪河水库克隆（LXH克隆）、岩滩水库克隆（YT克隆）及洪潮江水库克隆（HCJ克隆）均于2018年5月分别采自于广东流溪河水库（113°47'E，23°45'N）、广西岩滩水库（107°30'E，24°3'N）和洪潮江水库（109°7'E，21°50'N）。其营养水平分别为贫-中营养型、中营养型和富营养型（Lin et al， 2018; 周晴等， 2015; 唐汇娟等， 2021）。用孔径113 μm的浮游生物网由水体底部至表层垂直拖取，从采集到的水样中，随机挑选出20只盔型溞并进行单独培养。取它们的下一代个体进行线粒体COI基因测序，挑选出各个水体的优势克隆。在实验室，每个克隆只挑选出1个雌性个体，喂以1 mg/L（食物浓度均以碳浓度计） 的斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）进行单克隆培养。培养用水为经孔径 0.22 μm的滤膜过滤后的流溪河水库水，流溪河水库为贫-中营养型水库，没有蓝藻毒素分布，经0.22 μm滤膜过滤后水的水质状况不会对实验结果造成干扰。培养条件为：光照强度1 200 lx，光周期 L∶D = 12 h： 12 h，温度25℃。

本实验所选用的食物为斜生栅藻，在光周期L ： D = 12 h： 12 h和25℃条件下用标准CMOBO培养基培养（Kilham et al， 1998）。在对数生长期，将斜生栅藻藻液以3 000 r/ min 的速度离心10 min，去掉上清液，加无菌蒸馏水再次离心去掉上清液，随后加入到适量的无氮、无磷的CMOBO培养基中，于4℃条件下避光保存。取少量藻液在孔径为0.22 μm的玻璃纤维滤膜上过滤，在60℃烘箱中烘干24 h，称重，用元素分析仪（vario EL cube， 德国）测定栅藻碳含量。用钼酸铵分光光度法测定藻细胞磷含量，可知该时期藻细胞的碳磷原子比为105：1，可确保3个盔型溞克隆不受食物磷限制，以便比较分析食物数量对盔型溞克隆的影响。

1.2   实验处理

实验开始的前1 d，将即将孵化出幼溞的母溞转移到培养用水中，获取足够数量的龄期小于24 h的幼溞，每个克隆随机挑出20只新生幼溞测量它们的体长。实验设计3个动物处理组：LXH克隆、HCJ克隆和YT克隆；2个食物浓度处理组：0.5 mg/L和2 mg/L。参考Pajk等（2018）的方法，采用单个体培养实验，培养容器为50 mL的烧杯，实验用水为经孔径0.22 μm的滤膜过滤后的流溪河水库水，体积为30 mL。每只烧杯投放1只龄期小于24 h的幼溞，每个处理组设置20个平行。培养条件与母体相同。每天观察盔型溞的生长和怀卵情况，并将其转移至新配制的含有相应食物浓度的过滤流溪河水库水中，记录母溞的存活情况及所产幼仔数，并将幼溞移除；测量母溞首次怀卵体长、首窝和第二窝幼溞体长。

1.3   数据处理与分析

编制生命表，计算首次怀卵时间，特定龄期存活率（lx）、特定龄期生殖率（mx）、第一窝产仔量和第二窝产仔量等参数。种群内禀增长率（r）根据欧拉方程计算获得：

式中：lt为实验动物首次怀卵体长，l0为实验动物的初始体长，t为首次生殖时间。

在R4.0.3中用arm程序包进行统计分析。对数据进行lg x对数转换，使各处理组数据呈正态分布且方差齐性。采用双因素方差分析和Tukey多重比较来比较食物浓度和克隆对生活史参数的影响。数据均为mean[±]SD，以不同字母表示差异显著（P<0.05），大小按字母排序，即a>b>c，在图中显示方差分析中克隆（c）、食物（F）和它们的相互作用（c[×]F）影响的F值和P值。

2   结果与分析

HCJ、LXH和YT克隆的首次产仔时间分别为8.4～9.7、8.3～10.7和7.4～10.7 d。3个克隆在低食物浓度处理组首次产仔时间均显著长于高食物浓度处理组（P<0.001）；在相同食物处理组，首次产仔时间在3个克隆间没有显著差异（图1A）。克隆与食物数量对首次产仔时间的影响不存在显著的交互作用。HCJ、LXH和YT克隆的首次怀卵母溞体长分别为1.45～1.49、1.56～1.57 和1.53～1.54 mm。3个克隆的首次怀卵母溞体长在2个食物浓度处理组间没有显著差异；在同一食物处理组，LXH克隆和YT克隆的首次怀卵母体体长没有显著差异，而HCJ克隆首次怀卵母溞体长显著小于LXH和YT克隆（P<0.001）（图1B）。克隆与食物数量对首次怀卵母溞体长的影响不存在显著的交互作用。

HCJ、LXH和YT克隆的首窝产仔量分别为1～6、1～6和1～3个。YT克隆首窝产仔量在2个食物浓度处理组间无显著差异，LXH和HCJ克隆首窝产仔量高食物浓度处理组显著高于低浓度处理组（P<0.001）（图2）。克隆与食物数量对首窝产仔量的影响存在显著的交互作用（P<0.05）。在高食物浓度处理组中，HCJ和LXH克隆首窝产仔量差异不显著，YT克隆首窝产仔量显著少于HCJ和LXH克隆（P<0.001）。在低食物浓度处理组中，3个克隆间的首窝仔量无显著差异。HCJ、LXH和YT克隆的第二窝产仔量分别为1～8、1～9和1～6个。3个克隆的第二窝产仔量在高食物浓度处理组均显著高于低食物浓度处理组（P<0.001）；在不同食物浓度处理组中，HCJ克隆和LXH克隆第二窝产仔量均无显著差异，而YT克隆第二窝产仔量均显著少于HCJ和LXH克隆（P<0.001）。克隆与食物数量对第二窝产仔量的影响不存在显著的交互作用。

HCJ、LXH和YT克隆的首窝新生幼溞体长分别为0.55～0.60、0.57～0.63和0.59～0.63 mm。3个克隆的首窝新生幼溞体长在高食物浓度处理组均显著小于低食物浓度处理组（P<0.001）；在同一食物处理组中，LXH克隆和YT克隆之间没有显著差异，而HCJ克隆显著小于LXH和YT克隆（P<0.001）（图3A）。克隆与食物浓度对首窝产新生幼溞体长的影响不存在显著的交互作用。HCJ、LXH和YT克隆第二窝新生幼溞体长分别为0.58～0.61、0.61～0.64和0.61～0.65 mm。3个克隆的第二窝新生幼溞体长在高食物浓度处理组显著小于低食物浓度处理组（P<0.001）；在同一食物处理组中，LXH和YT克隆之间没有显著差异，而HCJ克隆显著小于LXH和YT克隆（P<0.001）（图3B）。克隆与食物浓度对第二窝产新生幼溞体长的影响不存在显著的交互作用。

HCJ、LXH和YT克隆的幼体生长速率分别为0.18～0.54、0.21～0.53和0.19～0.47 mm/d。3个克隆的幼体生长速率在高浓度处理组显著高于低浓度处理组（P<0.001）；在同一食物处理组中，3个克隆的幼体生长速率没有显著差异（图4A）。克隆与食物数量对幼溞体生长速率的影响不存在显著的交互作用。HCJ、LXH和YT克隆的种群内禀增长率分别为0.08～0.36、0.05～0.37和0.05～0.29 d-1。3个克隆的种群内禀增长率在高浓度处理组均显著高于低食物浓度处理组（P<0.001）；在同一食物浓度处理组中，LXH克隆和HCJ克隆间内禀增长率无显著差异，二者均显著高于YT克隆（P<0.001）（图4B）。克隆与食物数量对内禀增长率的影响不存在显著的交互作用。