本方案提供了进行卵排斥实验的指导:概述了绘制实验卵模型的技术,以模拟天然鸟类卵的颜色,以及野外工作的开展和所收集数据的分析方法。本方案为开展可比较的卵排斥实验提供了一种统一的方法。
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本方案提供了进行卵排斥实验的指导:概述了绘制实验卵模型的技术,以模拟天然鸟类卵的颜色,以及野外工作的开展和所收集数据的分析方法。本方案为开展可比较的卵排斥实验提供了一种统一的方法。
巢寄生者将卵产在其他雌鸟的巢中,由宿主亲鸟负责孵化并抚育其后代。研究巢寄生者如何操纵宿主抚养其后代,以及宿主如何识别寄生行为,为协同进化生物学领域提供了重要的科学见解。像杜鹃和拟鹂这类巢寄生者获得了进化上的优势,因为它们无需承担抚育自身后代的代价。然而,这种代价促使宿主进化出针对寄生者各个发育阶段(包括卵、雏鸟和成鸟)的防御机制。卵排斥实验是研究宿主防御行为最常用的方法。在实验过程中,研究人员将一枚实验用卵放入宿主巢中,并观察宿主的反应。通常会操控卵的颜色,预期宿主对卵的辨别概率与其自身卵和实验卵之间的颜色差异程度呈正相关。本文旨在为开展卵排斥实验提供指导,涵盖从制作颜色一致的实验卵的方法到实验结果分析的全过程。特别关注一种新方法,即使用沿颜色梯度分布的独特颜色卵,该方法有望揭示宿主识别过程中的颜色偏好。若缺乏标准化操作,不同研究之间的结果将难以进行有意义的比较;本领域内建立统一的标准实验方案,将有助于后续实验获得更加准确且可比的结果。
巢寄生者将卵产在其他物种的巢中,由这些宿主代为抚育其后代,并承担亲代抚育的相关代价1,2,3。寄生者通过欺骗手段逃避宿主识别,而宿主则通过侦测机制识别寄生者,这种相互博弈对双方均构成强烈的自然选择压力。在某些鸟类巢寄生案例中,宿主对异源寄生卵的识别能力促使寄生者演化出模拟宿主卵外观的特征,从而在宿主与寄生者之间引发协同进化的军备竞赛4。研究巢寄生现象具有重要意义,因其为研究自然界中协同进化动态与决策行为提供了理想的模型系统5。卵排斥实验是野外研究鸟类巢寄生现象最常用的方法之一,也是生态学家探究种间相互作用的重要工具6。
在进行卵排斥实验的过程中,研究人员通常会引入天然卵或模型卵,并在标准化的时间段内评估宿主对这些实验卵的反应。此类实验可能包括在不同巢穴之间交换外观各异的真实卵7,或对真实卵的表面进行染色或涂绘(可选择性添加图案)后将其放回原巢8,或制作具有人为操控特征的模型卵,例如颜色9、斑点10、大小11和/或形状12。宿主对不同外观卵的反应可提供重要信息,揭示其在做出卵排斥决策时所依赖的识别依据13,以及卵的差异需达到何种程度才能引发排斥反应14。最优接受阈值理论15指出,宿主应通过比较自身卵(或其内部模板)与寄生卵之间的差异,权衡误接受寄生卵(接受错误)或误移除自身卵(排斥错误)的风险,从而做出决策。因此,存在一个接受阈值,当刺激超过该阈值时,宿主即认为差异过大而无法容忍。当寄生风险较低时,接受错误的风险也较低;而当寄生风险较高时,该风险则上升;因此,宿主的决策具有情境依赖性,并会随着感知风险的变化而相应调整14,16,17。
最优接受阈值理论认为,宿主的决策依赖于宿主与寄生虫表型的连续变异。因此,要确定一个具有自身表型变异的宿主种群对一系列寄生表型的耐受程度,必须测量宿主对不同寄生表型的反应。然而,迄今为止几乎所有相关研究都依赖于分类的卵色和斑纹处理(例如,拟态/非拟态)。只有当宿主蛋壳表型不发生变化时——而这在生物学上并不现实——所有反应才能直接比较(无论拟态程度如何)。否则,在不同种群内部和之间,“"拟态"”卵模型与宿主卵的相似程度会有所不同,这在比较研究结果时可能引起混淆18。理论表明,宿主的决策依据是寄生卵与其自身卵之间的差异14,而不一定取决于某种特定的寄生卵颜色。因此,除非实验关注的是卵模型类型与个体宿主卵色之间的最小可觉差(下文简称 JND),否则使用单一类型的卵模型并非检验宿主决策阈值或辨别能力假设的理想方法。这一局限性同样适用于通过交换或添加自然卵来测试宿主对自然颜色范围反应的实验研究19。然而,尽管这些研究确实允许宿主和寄生虫表型存在变异,但其受限于性状中自然存在的变异范围6,尤其是在使用同种卵时7。
相比之下,制作各种颜色人工卵的研究人员则不受自然变异的限制(例如,他们可以研究对超常刺激的反应20),使其能够探究宿主感知能力的极限6近期研究采用新型技术,通过绘制旨在匹配并超越蛋壳自然变异范围的实验性卵蛋,来测量宿主在表型范围内的反应9 以及斑点颜色21研究宿主对颜色呈梯度变化的卵的反应可以揭示潜在的认知过程,因为理论预测(如接受阈值)15 或协同进化拟态4,基于性状之间的连续差异。例如,通过使用这种方法,Dainson 等21 已证实,当蛋壳底色与斑点颜色之间的色度对比度更高时,美洲知更鸟 Turdus migratorius 更倾向于强烈拒绝寄生卵。这一发现为研究该宿主如何通过斑点特征等信息识别并决定是否移除寄生卵提供了重要见解。通过定制颜料混合物,研究人员能够精确调控实验卵颜色与宿主卵颜色之间的相似度,同时标准化其他干扰因素,例如斑点模式。10卵的大小22 和卵形23.
以促进进一步的重复实验与元重复研究24 在经典和近期的卵子排斥研究中,科学家采用在系统发育(不同宿主物种)中标准化的方法学至关重要7,22,空间(不同宿主种群)7,22,25,26 以及时间(不同的繁殖季节)7,22,25,26,27,这种情况极为少见。尚未标准化的方法学28 后来被证明会导致人为假象结果29,30本文为研究人员提供了一套指导方案,用于重复此类考察对连续变异反应的卵排斥实验,并强调了若干重要的方法学概念:对照巢的重要性, 先验的 假设、元重复、伪重复以及颜色和光谱分析。尽管卵排斥实验在鸟类宿主-寄生虫协同进化领域占据主导地位,但目前仍缺乏一套全面的实验方案。因此,这些指南将成为提高实验室间和实验室内可重复性的重要资源,因为对任何假设的真正检验在于元重复。 即,跨系统发育、空间和时间重复整个研究24,只有在使用一致的方法时才能有意义地完成29,30,31.
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本文所述所有方法均已获得长岛大学波斯特校区机构动物照护与使用委员会(IACUC)的批准。
1. 丙烯颜料的调和
2. 绘制实验用卵模型
3. 颜色的量化
4. 野外工作
5. 统计分析
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制备彩色蛋模型
定制油漆混合物与天然鸟蛋的反射光谱如图1A-1D所示。在巢寄生研究中所使用的油漆混合物,其光谱形状(颜色)和反射强度(亮度)应与天然鸟蛋的反射测量值高度一致。若能达到这一标准,实验用蛋的颜色将被宿主视为自然的蛋壳颜色。为了评估宿主的识别能力,这些反射光谱需转换至相关的鸟类色觉空间。为此,可通过积分反射光谱、太阳辐照度和光感受器敏感性的乘积,计算出量子捕获量37。鸟类的色觉与人类不同,因其使用四个而非三个光感受器来感知颜色。这四个感受器的量子捕获量可转换为四面体色觉空间中的坐标(图1E),其中每个顶点代表一种特定光感受器的相对刺激程度:紫外、短波、中波和长波敏感型光感受器...
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尽管弃卵实验是研究巢寄生者与宿主共同进化的最常用方法70,但目前尚缺乏对材料、技术或实验方案进行标准化的系统性努力。这一点对于元分析尤为不利。据我们所知,迄今为止尚无任何关于宿主弃卵行为的元分析控制了各研究之间在方法学上的差异71,72,包括对“拟态卵”或“非拟态卵”的界定标准。这是一个严重的问题,因为从人类标准来看具有拟态特征的卵有时反而比看似非拟态的卵更常被宿主拒绝73,这表明人类对颜色的分类在推断鸟类认知能力方面既不充分也不恰当18。此外,元分析往往忽略了这样一个事实:即使针对同一宿主物种的研究,对弃巢行为的处理方式也存在差异,有的研究将其计入反应结果22,而有的则将其排除在分析之外7,71,
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Ocean Optics 已为本文稿支付了页面费用。
MEH 获得了伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 HJ Van Cleave 教授职位基金的资助。此外,我们感谢人类前沿科学计划(资助对象:M.E.H. 和 T.G.)以及欧洲社会基金和捷克共和国国家预算(项目编号:CZ.1.07/2.3.00/30.0041,资助对象:T.G.)提供的经费支持。我们感谢 Ocean Optics 为本文支付出版费用。
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