饥饿时间对大型溞摄食行为的影响

刘玮，杜蓓蓓，刘钢，殷旭旺

(1．国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061;2．大连海洋大学辽宁省水生生物学重点实验室，辽宁大连116023)

藻类是浮游动物的主要食物来源，其食物质量主要取决于藻细胞的适口性 (粒径大小、有无细胞壁等)和营养含量 (脂类含量、总碳含量等)［1-2］。适口性高的食物可降低觅食者在摄食过程中的能量消耗，以获得最大的净能量收益［3］;营养含量高的食物让觅食者在摄食单位质量 (或体积)的食物后，可获得更多的养分，从而提高其存活率和繁殖率［4］。目前，关于浮游动物最优觅食行为的研究大多是在试验动物饱食状态下进行的，饱食状态下的溞类总是以藻细胞的适口性作为高质量食物的判定标准，优先摄食粒径较大且细胞壁较薄的食物［1，3，5］。然而，自然状态下的浮游动物个体总是处于不同程度的食物短缺状态，会经受不同程度的饥饿胁迫［6］。研究表明，饥饿胁迫下大型溞Daphnia magna滤食胸肢的运动频率显著增加［7］。

自然状态下，浮游动物在生活史过程中可能经历不同的饥饿时间，例如，水体“净水期”时，溞类会经历1周以上的饥饿［6］;而由于捕食者造成的溞类在水体中昼夜垂直移动过程中，溞类可能会饥饿6～12 h［8］。当食物在环境中重现后，能否在众多质量不同的食物资源中选择“高质量的食物”，将是浮游动物在觅食过程中所面临的主要问题，摄食高质量的食物将显著提高浮游动物个体和种群的适合度，进而提高其自身的竞争能力［9］，最终影响浮游动物的群落结构特征。研究饥饿胁迫状态下浮游动物的摄食策略，将有助于了解在自然水体的特殊时期内，不同类群浮游动物群落间的相互作用机理，进而阐述浮游动物群落物种多样性的维持机制。关于浮游动物在不同程度的饥饿条件下摄食选择性的研究相对较少。本研究中，以淡水池塘和湖泊中习见的一种滤食性浮游动物——大型溞为研究对象，评价不同饥饿状态下大型溞对沙角衣藻Chlamydomonas sajao和蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa的摄食选择性，旨在为不同饥饿状态下浮游动物的最优觅食理论的研究提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用沙角衣藻 (Cs)细胞体积为307．5 μm3(n=50)，蛋白核小球藻 (Cp)细胞体积为26．5 μm3(n=50)，均购买于中科院水生生物研究所。大型溞采集于吉林农业大学校园内一人工水池，为成熟的雌性个体 (体长约3 mm)。

1.2 方法

1．2．1 藻类和试验动物的培养 Cs、Cp和大型溞均培养于SE培养液中［3］，并置于光照培养箱中连续培养，光照强度为2500 lx，光照周期为14L∶10D，温度为 (20±1)℃。

大型溞每天喂食Cs和Cp的混合液，以避免大型溞对某一种食物产生依赖性，食物浓度约为1 mg C/L。Cs、Cp和大型溞的培养液每周更新1次，同时调整大型溞种群密度到较低水平 (＜100 ind．/L)。

1．2．2 试验设计 本试验中进行不同食物比例对不同饥饿水平大型溞摄食行为的影响试验。试验环境中的Cs和Cp依照如下密度比例，添加到试验环境中:(1)5×104∶35×104cells/mL(环境中沙角衣藻密度占优势);(2)20×104∶20×104cells/mL(环境中两种藻密度相等);(3)35×104∶5×104cells/mL(环境中小球藻密度占优势);同时，大型溞在SE培养液中分别饥饿0、0．25、1、4、8 d，以获得不同饥饿胁迫状态下的大型溞个体。

试验开始时，为了避免由于个体间的相互作用而对试验结果产生影响，大型溞被单独放置于6孔组织培养板中，添加10 mL含不同食物组成的SE培养液，各摄食试验处理组均设10个重复。同时，还设只含有Cs和Cp而不含有大型溞的藻类对照组 (设3个重复)。所有试验均在全黑暗和 (20±1)℃的条件下进行。试验期间，每隔30 min用吸管轻轻吹动培养液，以混匀环境中的Cs和Cp。

不同饥饿胁迫状态下的大型溞个体在试验环境中摄食3 h后，将试验个体移去，同时用鲁哥氏液固定试验环境中的Cs和Cp后，置于体积为0．1 mL的浮游植物计数框中，通过Olympus(400×)计数100个视野，从而获得剩余Cs和Cp的密度。同时固定和计数不含大型溞个体的藻类对照组中Cs和Cp的密度，以消除在摄食试验期间由于藻类在培养环境中进行增殖 (或死亡)而导致试验结果的偏差。

1．2．3 指标的计算 大型溞对Cs和Cp的摄食率［IR，cells/(ind．·h)］和滤水率［FR，mL/(ind．·h)］［10］的计算公式为

其中:D0为藻类初始密度 (cells/mL);Dt为试验后藻类密度 (cells/mL);d为溞密度 (ind．/mL);t为摄食时间 (h)。大型溞对Cs和Cp的选择性用选择系数 (α)表示，其计算公式为

其数值为0～1。当α≤0．5时，表明大型溞优先摄食Cs;当α＞0．5时，则表明优先摄食Cp［11］。

1.3 数据处理

饥饿时间和藻类相对密度对大型溞摄食率、滤水率和选择系数的影响，用双因素方差分析(Two-way ANOVA)进行检验;各食物密度及饥饿时间下，大型溞对Cs和Cp的摄食率和滤水率用独立样本t检验进行比较;各食物密度下，饥饿时间与大型溞对食物选择性 (摄食率和滤水率)的相关关系用Pearson相关性分析进行检验。统计分析在SPSS 12．0软件上进行。

2 结果与分析

2.1 饥饿时间对大型溞摄食率的影响

不同饥饿时间下，大型溞对Cs和Cp的摄食率如图1所示。从图1可见:当环境中Cs和Cp的密度相等时，不饥饿和短时间饥饿 (饥饿0．25、1 d)组，大型溞对 Cs的摄食率较高 (P＜0．05)，而长时间饥饿 (饥饿4、8 d)组，对Cp的摄食率较高 (P＜0．05)(图1-A);当环境中Cs较多时，不饥饿和短时间饥饿组大型溞对Cs的摄食率较高 (P＜0．05)，而长时间饥饿组，对Cs和Cp的摄食率差异不显著 (P=0．88＞0．05)(图1-B);当环境中Cp较多时，各试验组均表现为大型溞对Cp的摄食率较高 (P＜0．05)(图1-C)。

从图1还可以看出，无论Cs和Cp的初始密度如何，长时间饥饿都会导致大型溞对Cp的摄食率显著增加 (P＜0．05)，而对Cs的摄食率显著降低(P＜0．05)，并且这种变化趋势不受两种藻类初始密度的影响。

方差分析表明，饥饿时间、藻密度及其交互作用对Cs和Cp的摄食率均有极显著影响 (P＜0．01)(表1)。此外，饥饿时间与大型溞对Cp的摄食率呈极显著的正相关关系 (P＜0．01)，而与大型溞对Cs的摄食率总体上呈极显著的负相关关系 (P ＜0．01)(表2)。

图1 不同饥饿时间下大型溞对沙角衣藻和蛋白核小球藻的摄食率Fig.1 Food ingestion rate of water fleas Daphnia magna fed alga mixtures of Chlamydomonas sajao and Chlorella pyrenoidosa under various fasting periods

2.2 饥饿时间对大型溞滤水率和食物选择系数的影响

不同饥饿时间下，大型溞对Cs和Cp的滤水率如图2所示。从图2可见:无论环境中Cs和Cp的初始密度如何，均表现为不饥饿和短时间饥饿(饥饿0．25、1 d)组对 Cs的滤水率较高 (P＜0．05)，而长时间饥饿 (饥饿4、8 d)组对Cp的滤水率较高 (P＜0．05)。

方差分析表明，饥饿时间、藻密度及其交互作用对Cs和Cp的滤水率均有极显著影响 (P＜0．01)(表1)。此外，饥饿时间与大型溞对Cp的滤水率呈显著的正相关关系，而与大型溞对Cs的滤水率总体上呈显著的负相关关系 (P＜0．01)(表2)，并且这种变化趋势不受两种藻类初始密度的影响 (图2，表2)。

图2 不同饥饿时间下大型溞对沙角衣藻和蛋白核小球藻的滤水率和选择系数Fig.2 Algal－specific filtration rate and food selectivity coefficient(α)of water fleas Daphnia magna fed mixtures of Chlamydomonas sajao and Chlorella pyrenoidosa under different fasting periods

表1 各试验结果的双因素方差分析Tab.1 Two－factor ANOVA on different variables of food selectivity in the study

表2 各试验结果的Pearson相关性分析Tab.2 Pearson correlation tests of ingestion rate and food filtration rate of water fleas Daphnia magna fed mixtures of Chlamydomonas sajao and Chlorella pyrenoidosa under different fasting periods

大型溞对两种食物的选择系数如图2所示。短时间饥饿组 (含不饥饿组)与长时间饥饿组的选择系数有显著性差异 (P＜0．05)，表现为饱食状态和短时间饥饿状态下大型溞优先摄食Cs，而在长时间饥饿状态下大型溞优先摄食Cp(图2)，且结果不受两种藻类初始密度的影响。

方差分析表明，饥饿时间和藻类初始密度对大型溞的选择系数均有极显著影响(P＜0．01)(表1)。

3 讨论

饥饿是影响浮游动物食物选择性的主要因素，通常浮游动物在饱食状态下优先摄食高质量的食物，而在饥饿条件下对劣质食物的抵制力下降，从而摄食更多低质量的食物［9，12-13］。主要原因是在饥饿状态下，觅食者为了节约在判别、筛选和抵制劣质食物等处理过程中所消耗的能量，而变得对所有食物没有选择性［14］。高质量食物 (物理属性)通常被定义为粒径大且易消化［3，9，15］，研究表明，沙角衣藻细胞个体大，且细胞壁很薄，而小球藻细胞较小，并具有坚厚的细胞壁［16］，因此，就食物的适口性来看，沙角衣藻要明显优于蛋白核小球藻，因为前者更容易被大型溞所滤食和消化。然而小球藻细胞内脂类和总碳的含量要明显高于衣藻［2，4，16-17］，且喂食小球藻的溞类种群繁殖力要显著高于喂食衣藻的种群［4］，这些都反映出蛋白核小球藻的营养含量高于沙角衣藻。本研究中，当大型溞处于饱食和短时间饥饿状态时，大小适中且没有坚硬细胞壁的沙角衣藻被优先选择;而在长时间饥饿状态下，大型溞对个体较小且具有坚硬细胞壁的蛋白核小球藻的摄食率显著提高，并且这种觅食行为不受两种藻类相对密度的影响。长时间 (4、8 d)饥饿后的大型溞处于虚弱状态，第二触角和胸肢的运动能力较差，按照Vanderploeg等［14］的理论推测，它们应尽量降低消耗在食物处理方面的能量支出。然而本研究中发现，即便是食物组成中蛋白核小球藻的相对含量极低时 (沙角衣藻和蛋白核小球藻的密度比为7∶1)，优先选择蛋白核小球藻仍是大型溞的摄食行为。此时，如果将食物质量定义为营养物质含量，则可以解释长时间饥饿状态下大型溞的摄食行为:处于饥饿中的溞类将会利用体内储存的脂类、蛋白质和碳水化合物来维持自身的生命活动［9，15］，故溞类最优觅食行为应该是优先摄食那些富含营养的高能食物，自然选择应该倾向于这种摄食行为，因为当环境中食物资源重现，而饥饿停止时，优先摄食高营养含量食物的个体，将会在最短时间内恢复正常的新陈代谢过程和繁殖行为，从而优先在环境中进行大量繁殖，竞争排斥其他物种。

本研究中，在饱食和轻度饥饿状态下，食物的适口性成为大型溞摄食选择的标准，其他的一些研究也 证实了这点［1，3，5］。衣 藻 细胞较大 (6 ～ 12 μm)，可被溞类胸肢上的刚毛截留 (刚毛间距3～9 μm)，并且容易形成适口的食物团，两条顶生的鞭毛还能帮助衣藻细胞“黏附”在溞类多毛的胸肢上，加之衣藻细胞柔软，因而其更容易被溞类收集、取食和消化;与之相比，小球藻细胞较小(3～5 μm)，且表面坚硬光滑，极容易从大型溞滤食刚毛间脱落，因而其难以被溞类收集和取食［5］。处于严重饥饿状态的大型溞如何主动选择和滤食小球藻，可能的解释有两种:(1)溞类滤食胸肢上的刚毛数量和长短具有较大的可塑性，可相应增加滤食器官的面积［18］;(2)溞类可通过调节壳瓣开口的间距和滤食刚毛的间距，来选择进出滤食器官的食物种类［19-21］。

饥饿可促使溞类滤食胸肢的结构发生改变，表现为刚毛变长，从而增加滤食面积［17，21］，这种表型可塑性反应有助于提高溞类的摄食效率，帮助其获取更小粒径的食物 (如小球藻和细菌等)。在与饱食组和短时间饥饿组进行比较时发现，在长时间饥饿组中，大型溞对沙角衣藻的摄食效率和对蛋白核小球藻的摄食效率有着相反的变化趋势，表现为长期饥饿状态下，大型溞优先摄食蛋白核小球藻，同时抵制沙角衣藻，并且这种觅食行为不受两种藻类相对密度的影响。因此，作者推测，优先摄食蛋白核小球藻是大型溞在长期饥饿状态下的一种主动摄食行为，而并非由于滤食面积增大而产生的摄食率的提高。溞类的摄食可简单描述为以下过程:第1、2对胸肢不断运动带动水流进出壳瓣内，水流通过第3、4对胸肢后食物被“筛网”滤取并逐渐聚集成团，食物团形成后被胸肢向上推动最终进入口中，而壳瓣内残留的杂质被不断运动的后腹部及其基部的尾爪清理出壳瓣［15，22-23］。而大型溞在长时间饥饿状态下，只需将壳瓣间距调整为10 μm以下，即可降低随水流进入壳瓣内的沙角衣藻细胞的数量;与此同时，大型溞可通过缩短滤食刚毛的间距，而实现截留蛋白核小球藻。

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