兔裸皮蠅對宿主高原鼠兔生理和個性特征的影響

余義博，鐘亮，朱紅娟，譚春桃，曲家鵬

(1.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008；2.青海省動物生態基因組學重點實驗室，青海 西寧 810008；3.中國科學院大學，北京 100049)

寄生在自然界中普遍存在，是指一種生物生活在另一種生物的體內或體表，從中取得養分，維持生活的行為[1-3]。寄生蟲感染可以直接或間接地改變宿主行為[4]。一方面，寄生蟲感染水平和宿主的行為特征之間存在顯著的相關性，可能導致個體間的行為差異[5]。例如：寄生負荷從0到最大(>40個)，歐鸕鶿(Phalacrocoraxaristotelis)的飛行時間呈線性變化，約減少了40%[6]。另一方面，寄生狀態的相對穩定，可能導致宿主行為的一致性[7-8]。例如，感染微孢子蟲(Nosema)的意大利蜜蜂(Apismelliferasubsp.ligustica)和歐洲黑蜂(A.m.spp.mellifera)飛行持續時間隨著感染天數的增加均顯著降低[9]。因此，寄生蟲感染可以解釋宿主行為的差異性和一致性，闡明宿主個體間行為差異產生的原因與生態學意義[8]。

個性特征是指動物個體間穩定的、可遺傳的行為差異，包括活動性、冒失性、探索性、社會性和攻擊性等5個方面[10-12]。個性特征是動物長期適應與進化的結果，具有重要的生態學意義[13]。傳統觀點認為個性特征是動物應對某種環境變化或面臨外界干擾時，行為做出的調整或改變[14-16]。例如：與低捕食和低寄生風險河流中的群體相比，高捕食和高寄生風險河流中的歐亞鰷魚表現出更高的冒失性，更低的活躍性[17]。為了獲取更多的能量和有效抵抗吸蟲(Echinoparyphiumspp.)感染，木蛙(Lithobatessylvaticus)幼體或蝌蚪表現出較高的活動性和探索性[18]。這些行為適應性調整都有利于宿主的生存。然而，Vyas等[19]研究發現感染弓形蟲的大鼠更容易被貓的氣味所吸引，而不是逃逸。這表明宿主的行為也可能被寄生蟲操縱，從而促進寄生蟲的傳播[20]。因此，寄生導致的宿主個性變異是對宿主有利，還是對寄生蟲有利，還需進一步研究。

寄生可以影響宿主的生理和個性特征[8]。生理方面，寄生蟲感染會導致索艾羊(Ovisaries)體重下降[21]，地松鼠(Xerusinauris)靜止代謝率降低[22]，北歐馴鹿(Rangifertarandus)糞便皮質醇濃度降低[23]，水蚤(Daphniapulicaria)心率降低[24]，患者因免疫反應而呼吸加快[25]。行為方面，與未受格留蟲(Glugeaanomala)感染的三刺魚(Gasterosteusaculeatus)相比，受感染的個體社會性和冒失性更強，在陌生環境中的活動性更高[8]。與未受舌隱穴吸蟲(Cryptocotylelingua)感染的玉黍螺(Littorinalittorea)相比，感染個體的冒失性更低[26]。蓖子硬蜱(Ixodesricinus)負荷增加了西伯利亞金花鼠(Tamiassibiricus)的探索性和活動性[27]。然而，寄生狀態-生理-個性是如何共變異的，目前尚不清楚。

本文以高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)為研究對象，探討體表寄生蟲對宿主的生理和個性特征及其關聯性的影響。高原鼠兔是青藏高原特有的小型哺乳動物，是高原草甸草原生態系統中的關鍵物種[28-29]。前期研究已發現，高原鼠兔的冒失性、探索性、溫順性均具有較高的重復性，且都與交感神經反應相關，進而影響其擴散與繁殖[30-31]。兔裸皮蠅(Oestromyialeporina)常寄生于高原鼠兔四肢和軀干的皮下組織。感染期通常在7月至次年3月，感染產生的瘤包容易被識別[32-34]。同屬皮蠅科的牛皮蠅(Hypagermabovis)可寄生于家畜的皮下并危害其健康，導致牦牛體重下降、貧血、煩躁不安[35-37]。本研究選擇感染和未感染兔裸皮蠅的高原鼠兔群體，比較兩組間體重、體重矯正的靜止代謝率、皮質醇濃度、心率、呼吸率、冒失性、溫順性、探索性等生理和行為特征的差異，探討兔裸皮蠅寄生對高原鼠兔生理和個性特征的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究地點位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣大武鎮東2 km處的高寒草甸，地理位置N 34°25′，E 100°16′，海拔3 984 m，屬高原大陸性氣候。晝夜溫差大，年平均氣溫-2.6℃，年降水量330～513 mm，多集中在5～9月[38]。無絕對無霜期和四季之分，暖季短暫、冷季漫長。植被以高寒嵩草草甸類型為主，主要優勢種有高山嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(K.humilis)、西藏嵩草(K.tibetica)等，主要伴生種有草地早熟禾(Poapratensis)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、異針茅(Stipaaliena)、苔草(Carexmoorcroftii)等[39-40]。

1.2 研究方法

2018年和2019年的6月至9月，采用繩套法捕獲高原鼠兔，使用耳標標記。每隔30 d測量高原鼠兔的生理和行為參數，包括體重、靜止代謝率、糞便皮質醇濃度、束縛下的心率和呼吸率、冒失性、溫順性和探索性等。測量完畢后，檢查高原鼠兔的體表皮膚，重點檢查四肢和背腹部，用手觸摸皮膚的凹凸情況，統計皮蠅數量和寄生部位[41]。反復檢查3次，以觸摸不到新的瘤包為止。隨后，輕輕擠壓，去除皮蠅。采用二分法，將發現瘤包的鼠兔標記為感染，記錄為1；沒有發現瘤包的鼠兔標記為未感染，記錄為0。

1.2.1 生理測量 靜止代謝率(resting metabolic rate，RMR)是指靜止狀態和不受外界干擾情況下動物在熱中性區內的能量消耗，反映了動物維持正常生理活動的最低能量需求[42]。代謝率(metabolic rate，MR)計算公式如下：

式中，RER (respiratory exchange ratio)為呼吸交換率，即CO2產生率(VCO2，mL/min)除以O2消耗率(VO2，mL/min)[43-45]，W為瓦特(J/s)。

靜止代謝率通常和體重呈線性正相關[42]。因此，使用體重矯正的靜止代謝率(即靜止代謝率除以體重)表示高原鼠兔的能量代謝情況。使用8通道FMS便攜式動物呼吸代謝測量系統(FMS，Sable Systems International，Las Vegas，NV，USA)測量高原鼠兔的靜止代謝率。該系統主要包括氣泵、8通道分流器、呼吸室、8通道氣路切換器、FMS便攜式代謝儀、連接管道和電腦等(圖1)。

將1號代謝室作為空白對照，7只鼠兔分別置入2-8號代謝室中，氣流量設定為600 mL/min。先適應30 min，然后測定高原鼠兔的代謝率。持續且重復測量4次，每次30 min，共測量2 h。導出數據，根據上述公式計算RMR的平均值，計為靜止代謝率。

皮質醇濃度。在行為測量過程中，收集高原鼠兔新鮮糞便樣品，置于液氮中保存。將樣品送至上海篤瑪生物科技有限公司，采用酶聯免疫法(ELISA)測量。檢測靈敏度為1.0 ng/mL。板間和板內差異均為15%。

圖1 動物呼吸代謝測量系統連接示意圖Fig.1 Diagram showing the connection of respiratory metabolism measurement system in animal注：箭頭表示氣流的方向，氣流量設為600 mL/min

心率和呼吸率。心率反映了高原鼠兔在束縛狀態下的交感神經反應[30]。一名測量者A輕輕束縛住目標個體，另一名測量者B使用Sony錄音機(PCM-D100，Japan)置于鼠兔左側胸腔部位，聽到清晰心跳聲后，連續錄音30 s。同時，測量者A記錄30 s內呼吸的次數，再乘以2，計為呼吸率。為了避免觀察者效應，呼吸率由同一個人進行測量。將心率文件導入Praat軟件(Vision 5.4.01，http://www.fon.hum.uva.nl/praat/)，隨機選取12個相鄰且相似的波峰，記錄相鄰波峰最高點的時間差即每次心跳的時間，經換算得到鼠兔的心率值[46]。

1.2.2 行為測量 高原鼠兔的行為測量逐只進行。每次測試完畢后使用75%的酒精清理試驗曠場，待風干后再測量下1只，避免鼠兔受到尿液或糞便氣味的干擾[47]。

溫順性是動物在人為束縛下的反應[11，48]。測完心率和呼吸率后，將高原鼠兔輕輕放入透明網袋(長×寬：20 cm×15 cm)，記錄鼠兔60 s內靜止不動的時間[46，49]。為避免觀察者效應，溫順性由同一個人進行測量。隨后，稱量高原鼠兔的體重。

探索性是動物對新棲息地、食物或物品的反應[12]。將高原鼠兔輕輕放入曠場(長×寬×高：65 cm×38 cm×45 cm)，使用Nikon相機連續錄像3 min。錄像過程中，盡量保持安靜，避免人為干擾[50]。將視頻導入Ethovision14軟件(Noldus Information Technology，Wageningen，Netherlands)，將曠場劃分為邊緣區(距曠場底部邊緣10 cm的范圍)和中心區(長×寬：35 cm×18 cm)，分析3 min內鼠兔在中心區活動的距離，計為探索性。

冒失性是動物在熟悉的環境中對外界風險的反應[12，51]。探索性測試完畢后，將隱蔽物(長×寬×高：18 cm×12 cm×10 cm)輕輕平放到曠場底部的一側，開口朝向曠場底部中心。待高原鼠兔進入隱蔽物后，記錄120 s內鼠兔首次離開隱蔽物的時間(T)。如果120 s內鼠兔沒有離開隱蔽物，記為120 s。將數值進行lg(121-T)轉換獲得每個個體的冒失性得分。

1.3 統計分析

使用R 3.6.2軟件進行試驗所有數據的統計分析。首先，使用Shapiro-Wilk法檢驗數據是否符合正態分布，分別選用單因素方差分析或Wilcoxon秩和檢驗進行組間比較，評估寄生蟲對宿主生理和個性特征的影響。比較同一個體感染寄生蟲前后生理和個性特征的差異，并使用程序包ggplot2作圖。其次，使用廣義線性模型(GLM)分析寄生蟲、試驗天數、性別對高原鼠兔生理和個性特征的影響。最后，使用Pearson積差相關或Spearman等級相關分析未感染組和感染組高原鼠兔生理與個性特征的組內相關性。

2 結果與分析

2.1 感染前高原鼠兔生理與個性特征的差異

皮質醇濃度、心率、呼吸率均符合正態分布，體重、體重矯正的靜止代謝率、冒失性、溫順性、探索性均不符合正態分布。在群體水平上，感染前高原鼠兔體重、體重矯正的靜止代謝率、心率、呼吸率、冒失性、溫順性、探索性均無顯著差異(表1)。

表1 感染前高原鼠兔生理與個性特征的差異

2.2 未感染組和感染組高原鼠兔生理與個性特征的差異

在群體水平上，感染組高原鼠兔體重(以正態分布進行評估)、體重矯正的靜止代謝率和呼吸率顯著高于未感染組，而探索性顯著低于未感染組；皮質醇濃度、心率、冒失性、溫順性在兩組間均無顯著差異(表2)。

表2 比較未感染和感染狀態下高原鼠兔的生理與個性特征

感染兔裸皮蠅前后，個體體重矯正的靜止代謝率、呼吸率、探索性和冒失性的變化趨勢明顯不同(圖2)。

圖2 感染前后高原鼠兔體重矯正的靜止代謝率(A)、呼吸率(B)、探索性(C)和冒失性(D)的變化Fig.2 Changes of the mass-corrected resting metabolic rate (A)，respiratory rate(B)and exploration(C),boldness(D)of plateau pikas before and after infection注：每條實線代表同一個個體，黑色實點代表該狀態下參數的平均值。W/kg即J·s-1·kg-1

2.3 兔裸皮蠅、試驗天數、性別對高原鼠兔生理和個性特征的影響

廣義線性模型結果表明，感染兔裸皮蠅的高原鼠兔體重、體重矯正的靜止代謝率、呼吸率顯著高于未感染組，而探索性顯著低于未感染組；隨著試驗天數的增加，高原鼠兔體重、呼吸率、溫順性均顯著增加；性別對高原鼠兔體重有顯著的影響(表3)。

表3 廣義線性模型分析兔裸皮蠅、試驗天數、性別對高原鼠兔生理和個性特征的影響Table 3 The effects of warble fly, sex and test days on physiological and personality traits of plateau pika were analyzed by generalized linear model

2.4 未感染組和感染組高原鼠兔生理與個性特征的組內相關性

在未感染組中，高原鼠兔的體重與溫順性(rho=0.77，P=0.072)、糞便皮質醇濃度與心率(r=0.78，P=0.067)均呈顯著的正相關(表4)。在感染組中，高原鼠兔的體重與心率(rho=-0.73，P=0.040)和探索性(rho=-0.70，P=0.053)均呈顯著的負相關；體重矯正的靜止代謝率與呼吸率(rho=0.73，P=0.040)和溫順性(rho=0.66，P=0.076)均呈顯著的正相關(表4)。

表4 未感染組和感染組生理與個性特征的組內相關性

對角線上方是未感染組，對角線下方是感染組。表中的數值表示相關系數r/rho， *表示顯著性(P<0.05)。單位：體重(g)，體重矯正的靜止代謝率(J·s-1·kg-1)，皮質醇濃度(ng·mL-1)，心率(bpm)，呼吸率(次·min-1)，冒失性(lg (s))，溫順性(s)，探索性(cm)

3 討論

兔裸皮蠅寄生使高原鼠兔體重、體重矯正的靜止代謝率增加、呼吸率加快，探索性降低，生理與個性特征的關聯性改變。寄生負荷不僅能解釋宿主生理和行為(探索性的組間差異呈弱顯著)的變異，而且也能較好地解釋生理與行為關聯性的變異，這與Poulin的結論一致[5]。寄生蟲感染能引起宿主生理特征的變化，尤其是能量消耗的變化，進而導致個性特征的變異以及生理與個性特征關聯性的改變。

3.1 群體水平上

寄生蟲操縱假說認為某些寄生蟲會為了自身利益而改變宿主的生理、行為或表型特征[4，52-53]。一方面，寄生蟲可以通過對宿主能量收支平衡的操縱來調節宿主的行為特征[4，6]。能量分配模型認為動物具有穩定的能量收支平衡，總能量保持不變；某一方面消耗的能量增加，其他方面消耗的能量就會減少[48，54-55]。探索性是一種重要的能量消耗行為[56]。感染組高原鼠兔的探索性降低，既減少了被捕食風險又節約了能量[57-58]。高原鼠兔通過降低探索性來補償寄生的能量消耗，這與對歐鸕鶿的研究結果一致[6]。另一方面，感染組的高原鼠兔呼吸率與體重矯正的靜止代謝率呈顯著的正相關，表明皮蠅感染同時提高了高原鼠兔的能量產生與消耗，動物能量上限的閾值會受到寄生蟲的操縱。因此，高原鼠兔生理和行為特征的變異可能是能量分配模型下寄生蟲操縱的結果。

3.2 個體水平上

動物應對同一種外界刺激常表現出不同的反應。例如：在捕食氣味誘導下發育的捷蛙(Ranadalmatina)群體中，活動性在個體上既表現出不同的反應模式，又表現出較高的行為一致性，這與本文圖2的結果類似[59]。在持續短時光照下，不同個體的歐洲綠蜥(Lacertaviridis)冒失性保持相對一致[60]。寄生感染與捕食氣味刺激、短時光照刺激相似，都屬于相對穩定的長期刺激，可以維持個體的行為一致性[5，8]。因此，寄生蟲感染可能是宿主個性產生的原因之一；在研究動物群體性狀時，需要考慮群體水平的變化能否全面反映個體水平的變化[61]。

3.3 生理和個性特征的相關性

與未感染組相比，感染組高原鼠兔的探索性降低而相關的體重增加，說明體外寄生感染迫使宿主保持體能;代謝增加而相關的呼吸率也增加、溫順性卻無顯著變化(表1和表3)，說明體外寄生感染導致宿主消耗了更多的能量，可能表現在寄生蟲生長和免疫反應兩個方面[1，62]。一方面，寄生蟲的生長發育消耗了宿主的能量。例如：跳蚤的生長可導致嚙齒動物的體重減少和貧血[63]。另一方面，先天免疫在宿主抵抗一些寄生感染時扮演著重要的角色，同時也消耗了宿主的能量[6，64]。動物的總能量是相對穩定的，在寄生蟲誘導的免疫反應和行為表現之間可能存在能量分配的權衡[6]。例如：鳥類承擔消耗能量的任務后，自身免疫力減弱[64]。因此，我們推測減少探索性可能增加高原鼠兔的免疫力，這需要進一步的研究。

4 結論

兔裸皮蠅寄生導致高原鼠兔體重、靜止代謝率、呼吸率和探索性的改變以及生理與個性特征的關聯性增強。高原鼠兔不同個體應對皮蠅感染時的生理與行為反應不同，群體水平的變化不能代表個體水平的變化。在研究動物對外界刺激的反應時，需要考慮不同個性特征類型的個體應對模式可能存在差異。