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临时转移整株槲寄生植物以探究动物觅食决策的机制基础

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DOI：

10.3791/63201

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2022年5月10日

 ,  , 
1School of Life Sciences, University of Technology Sydney, 2Gulbali Institute, School of Agricultural, Environmental, and Veterinary Science, Charles Sturt University

本文内容

摘要

本研究提出了一种简单的实验方法，用于量化自由生活动物觅食决策的行为驱动因素，通过将槲寄生植物临时迁移至新地点并测量其被访花频率来实现。

摘要

果实型槲寄生为研究觅食动物在寻找食物时所做决策提供了一个理想的模型系统。动物在何时、何地以及如何找到食物，是许多生态学问题的核心，涉及个体觅食决策的基础，以及这些决策在多大程度上是先天固有或后天获得的。生态学家尤其关注食果动物，通过量化它们对具有特定形状、颜色或气味果实的偏好，揭示在进化过程中，这些动物所偏好的植物为促进种子传播而演化出的一系列性状所受到的选择压力。

本研究提出了一种新颖的实验方法，用于调控食物植物的分布并测量野生自由活动动物的响应，特别适用于研究种子传播的进化起源及其生态维持机制。"剪切-粘贴"实验方案包括将整株结果期的槲寄生从其寄主树上移除，随后将其放回原位或转移至新的位置，并将其固定在相同或不同树种的“伪寄主”上。通过统计对槲寄生的访问次数，并记录访问持续时间、访客物种及其行为，可进行一系列比较分析，以识别影响动物觅食决策的最关键因素，以及这些行为对植物和动物双方的生态后果。本文以一个案例研究为例，说明该方案如何用于揭示不同食果动物功能群之间在取食槲寄生果实方面的差异。

该实验方法能够解析搜索图像形成与优化的机制基础、空间学习能力、物种间觅食策略的差异，以及这些变化如何影响种子传播的有效性。最后，还探讨了对该方法的潜在改进，以用于研究觅食生态学、植物与动物相互作用及共同进化中的其他问题。

引言

动物如何寻找食物？这是一个看似简单却极为复杂的问题，涉及认知、感觉感知和代谢需求，同时与栖息地结构、种间相互作用以及资源在空间和时间上的可获得性变化密切相关。目前关于这一主题的大多数理论进展均来自对圈养动物的研究，因为在圈养条件下可以人为操控资源的质量、数量和可获取性1,2。尽管这类方法有助于确定动物的感觉能力、食物的定性偏好以及食物的营养特性，但无法揭示动物在自然环境中如何满足这些需求。

早期关于野生动物资源利用的实验研究旨在理解生物体在决定到其他地方觅食前，所能忍受的食物可获得性下限（查诺夫的边际值理论）3）。被称为 "放弃密度，" 该方法可量化动物愿意承受的风险程度——例如，在捕食者可探测性不同的各种密度林地中觅食时，一只松鼠愿意每平方米留下多少橡实不取4尽管该框架已被应用于多种食物资源和生态系统，但其方法本身具有人为构建的特性，这限制了其适用性，并可能使报告差异的解读变得复杂5此外，放弃密度的决定因素与警戒行为、栖息地偏好和竞争关系的关联性要大于与觅食生态学的关联性（这些因素 collectively 被称为“恐惧生态学”）。6）。这种方法很少能够捕捉到野外自由生活动物对食物资源的吸引力。因此，关于食果行为的研究通常基于对野外行为的观察，并根据所观察到的行为推断其对植物和动物双方的影响。

食果动物在选择果实时所做出的觅食决策，可能取决于植物在丰度、品质和季节性可获得性等方面表现出的多种物理性状。果实是否容易被发现、摄食以及是否易于通过消化道，也会影响食果动物的选择，这使得区分后天学习行为与先天遗传行为变得复杂。本研究介绍了一种新方法，通过人为操控资源的可获得性与空间位置，来测量野生自由活动动物在其自然栖息地觅食时的行为反应。该方法特别适用于探究不同动物在寻找食物时所依赖的线索，在本研究展示的案例中，目标食物为半寄生型槲寄生植物所产的能量丰富的果实。该方法包括将整株槲寄生从其寄主树上移除，并将其重新安置到相同或不同物种的其他树木上。

需要注意的是，本案例研究主要关注果实、食果动物以及食性广度与种子传播意义之间的相互作用。然而，对于以食蜜动物或食叶动物为研究对象的工作，可分别将相同方法应用于开花的槲寄生或非繁殖期的槲寄生。槲寄生是采用该方法的理想模型，因其广泛分布于全球的林地和森林中，并吸引多种动物前来取食7。在果实方面，尽管大多数研究集中于几乎只取食槲寄生果实的专食性食果动物8，但大量广食性食果动物及具有更广泛食谱的机会主义取食者也经常摄食槲寄生果实9。最后，由于其体型、生长习性和形态特征，槲寄生特别适合进行实验操作10。

一项半干旱林地生态系统的研究表明，植被密度会影响食果鸟类对槲寄生的可见性11，但仍有许多问题尚未解答。鸟类是在寻找mistletoes，还是在寻找结果的槲寄生？对于依赖单一寄主物种的槲寄生种群，鸟类是优先寻找槲寄生本身，还是优先寻找其主要寄主植物？那些主要、偶尔或机会性取食槲寄生果实的鸟类群体，在寻找槲寄生果实时是否利用不同的线索？

为了回答这些问题，并解析宿主身份、空间背景和寄生植物位置对鸟类访问行为的影响，研究者设计了一种新颖的 relocate 实验方案；本研究以该实验作为案例进行说明。本文通过逐步操作指南，阐述了如何确定鸟类在结构复杂的林地环境中定位果实的过程。此外，还探讨了利用该技术可进一步研究的其他科学问题，并考虑了如何将此方法与其他生态学野外研究方法相结合，以深入理解森林和林地树冠层中觅食生态学的机制基础。

该实验方法最初的应用是通过整体迁移槲寄生植株，来确定鸟类如何在异质性的林冠环境中寻找食物。本实验方案持续两天：第一天选择槲寄生并进行处理准备，第二天进行固定、观察和取下槲寄生。应在连续的多天内重复进行多次试验；在第一次试验的第二天，即选择下一次试验所用的槲寄生。在本示例性案例研究中，比较了三种不同寄主位置下鸟类对槲寄生的到访情况，此处将这些位置称为处理组。

为此，需选取一个结果的灰色槲寄生（Amyema quandang植物从寄主植物上切下后，被连接到以下三个位置之一：1）其 原始宿主 树，2）一个 伪宿主 树，或 3）一个 新型宿主 树。该 原始宿主 处理组在控制切割效应的同时，保持了空间位置和宿主身份不变。 伪寄主 处理方法包括将槲寄生暂时附着于与寄主同物种的另一植株上（在本案例中为亚兰（Yarran）Acacia homalophylla）但寄生植物极少或没有，以辨别空间记忆的作用 与 宿主关联。该 新宿主， 一种不寄生槲寄生的不同树种（针对案例研究地点，为白柏松（White Cypress Pine）Callitris glaucophylla））澄清了寄生槲果消费者所使用的搜索图像与槲寄生本身相关，还是与其主要寄主相关。

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方案

本实验方案在悉尼科技大学动物研究管理机构（UTS ACEC 2013-745）的许可下制定并进行实验验证，严格遵守相关动物研究规范。该方案无需涉及动物操作。本地植物的实验操作是在国家公园与野生动物管理局颁发的科学研究许可证（SL101337）许可下进行的。

1. 确定合适的实验位点、物种及伦理考量

  1. 选择生态系统类型和研究地点。
    1. 寻找一个合适的地点，该地点应有丰富的槲寄生，一种常规的槲寄生寄主，以及至少一种通常不寄生槲寄生的树木或灌木。
      注：本案例研究在澳大利亚新南威尔士州的半干旱林地进行。
  2. 确定研究所在年份的生态相关时间。
    1. 预先确定槲寄生结果的时间。需考虑不同地区因季节特征不同，结果期可能有所差异。
      注：在本案例中，槲寄生物种在春夏季持续数月结果。
  3. 选择满足研究问题的样地大小。
    1. 若所观察物种具有领地性，则应选择能反映其领地范围的样地大小。
    2. 若槲寄生物种的分布呈斑块状，应选择多个样地，并在统计分析中考虑其变异性。
  4. 确定所选生态系统和地点中的优势物种。
    注：在本案例研究地点，优势树冠物种包括Callitris glaucophylla（白柏松）、Acacia homalophylla（亚兰）和Casuarina cristata（贝拉），次优势物种包括Allocasuarina luehmannii（布洛克）和Eucalyptus populneus（宾布尔盒）。该地区主要的槲寄生为Amyema quandang（灰槲寄生；Loranthaceae），在研究地点几乎 exclusively 寄生于Acacia homalophylla（亚兰） 上。
  5. 确定目标槲寄生，并熟悉取食其果实的动物。
    注：例如，在本案例研究中，灰槲寄生产生淡黄色肉质果实12，被两种专性食果鸟类（槲寄生鸟，Dicaeidae，Dicaeum hirundinaceum；彩蜜鸟，Meliphagidae，Grantiella picta）和四种广食性食果鸟类（银眼鸟，Zosterops lateralis；刺颊蜜鸟，Acanthagenys rufogularis；歌蜜鸟，Lichenstomus virescens；条纹蜜鸟，Plectorhyncha lanceolata）取食，另有多种其他鸟类偶尔取食其果实并可能传播种子13,12。
  6. 根据完成每个为期两天的重复试验所需的总天数，确定研究所需的理想重复次数。为减少实验持续的总天数，可安排一名观察者同时观察两个重复试验，两个重复之间保持足够距离，以尽量减少相互干扰。
    注：在本案例研究中，每种三种重定位处理均收集了20个重复的数据（共60株独立的槲寄生），在60天内完成，每个重复观察1天，处理间随机安排。
  7. 开展预实验，通过比较切口末端是否用胶水密封的槲寄生的动物访问情况，评估如何延长离体槲寄生的活力。
    1. 若在每次试验持续的12小时内，两种处理在萎蔫程度或鸟类访问频率上均无差异，则可认为槲寄生活力可维持至傍晚。
    2. 若切下的槲寄生鸟类访问显著减少，应选择其他槲寄生物种和/或更湿润、蒸发较慢的环境。
  8. 确保已获得采集本地植物和观察野生动物所需的所有相关许可。由于本方案涉及从树冠上切割活体槲寄生，应避免在受保护关注的槲寄生种群中开展工作。此外，鉴于许多动物依赖槲寄生作为食物来源以及筑巢/栖息地，应确保实验不会对所研究的生态群落造成持久干扰。
    1. 从相关政府机构获得适当许可，并咨询研究人员所在机构的动物护理与伦理委员会，权衡研究的短期影响与其科学价值。请注意，本方法不涉及对野生动物的直接操作。

2. 确定目标个体槲寄生-寄主配对

  1. 实验前至少 1 天，寻找生长在合适寄主上的槲寄生植株，如适用，还需寻找合适的pseudo-hosts或novel hosts。
    1. 选择固定槲寄生的位置时，确保枝条足够坚固，能够承受槲寄生的重量。
    2. 选择目标个体槲寄生时，需考虑寄主枝条的粗细，以及所选槲寄生是生长在枝条末端还是枝条中部。
      1. 不要选择直径超过 70 mm 的寄主枝条，或生长在仍带有寄主叶片的枝条中部的槲寄生。或者，可在吸器上方修剪此类枝条，以避免切割寄主枝条或将寄主叶片与槲寄生一同运输时产生困难。
    3. 选择新的寄主位置时，应确保槲寄生能以与其原始生长方向相同的朝向固定，例如，若其枝条呈泪滴状下垂，则在新位置也应保持相同的下垂状态（图 2）。
    4. 仔细检查每个候选槲寄生，确保其内部或附近没有活跃的鸟巢。
    5. 选择可在黎明前安全到达并从寄主上移除的槲寄生植株。若需使用梯子，应确保每棵树下的地面无蛇类、动物洞穴或其他障碍物。
    6. 记录植株的物候特征（即是否存在成熟果实或开放花朵）。
  2. 记录实验植株的详细信息。以不显眼的方式标记目标植株对，以避免干扰动物，例如使用不易察觉的布标、插在附近的木棍或标桩，或记录 GPS 坐标。

3. 切割槲寄生

  1. 在观测当天日出前至少1小时，使用干净的修枝锯将槲寄生从其寄主上移除。
    1. 根据槲寄生的分枝模式，在吸器（haustorium）两侧进行切割，但切割位置应靠近吸器与寄主连接处的近端（即上游方向），并将整株槲寄生完全移除。
    2. 切割时需小心操作，先进行底部切割以尽量减少对寄主树木的损伤。请注意确保自身处于安全位置，或安排第二人协助操作，因为被切除的槲寄生可能比预想的更重。
      1. 对于较大的槲寄生植株，在切除前先将一段绳索缠绕在寄主枝条的近端部分（树干与吸器之间），然后将绳索牢固地系在槲寄生上，以便安全地将植株缓慢放至地面，避免其特征性脆性的枝条脱落。
    3. 每次移除单株槲寄生后，须用乙醇彻底清洁修枝锯。

4. 桑寄生的附着（粘贴）

  1. 移除槲寄生后，使用黑色扎带将其固定在最终位置。确保槲寄生在风中不会不自然地摆动，或被较大的动物踩踏时脱落。扎带应尽可能隐蔽，剪掉过长的末端，并勿遗留任何垃圾，以免引起动物的好奇而翻找。
  2. 如步骤 2.1.3 所述，确保移栽后的植株固定方向与其原始生长姿态相似。

5. 收集访花数据

  1. 除了记录动物种类和访问持续时间外，还需收集行为数据以区分不同类型的访问行为，包括主动觅食昆虫、访问并探查花朵、取食果实、争斗性互动以及闲逛停留。使用计时观察法配合双筒望远镜，或在前一晚安装好运动触发相机进行数据采集。
    1. 若使用相机，应通过初步试验调整不同的灵敏度设置和布设位置，以尽量减少误触发。
    2. 进行计时观察时，应从一个有利位置同时观察多个槲寄生植株。在此期间，通过5–10米距离的直接观察，记录每一次对移植后槲寄生的访问，注明每只鸟类的身份及每次访问的持续时间（参照11）。将访花鸟类物种按食性划分为三个功能类群。
      注意：本案例研究采用了该方法，在上午和下午分两个时段进行观察，总观察时间约为6.5小时（从早上7:30至下午18:30），避开日间高温时段（此时鸟类活动较少），同时覆盖鸟类觅食活动的高峰期14,15。

6. 收集关于槲寄生植株位置的环境数据

  1. 除记录每株植物是对照（即剪切后放回原位）还是被移动的植株外，还需记录寄主植物的特征（物种、高度、直径）、槲寄生的特征（大小、叶密度、物候期、高度、方位、果实数量）以及周围环境信息（到最近槲寄生的距离、到其他结果或开花植物的距离）。
  2. 采用对槲寄生和伪寄主进行定点拍照监测的方法，作为传统定量数据收集的有效补充，利用图像分析软件可便捷地估算冠层闭合度及其他形态学特征。

7. 观察结束后的任务

  1. 进行种子传播研究时，通过统计实验前后成熟果实的总数来估算被移走的果实数量。在移除槲寄生之前，检查地面是否有果实帽或掉落的果实。
  2. 每天数据采集结束后，在完成访花记录后，移除转移的槲寄生，并回收所有扎带以及任何标记带或标签。

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结果

共收集了60个重复样本的观测数据，累计观测时长为392小时，其中26个重复样本的槲寄生被15种鸟类访问过。为了确定访花鸟类是否对某种处理方式具有偏好，采用广义线性模型（GzLMs）17对访问数据进行分析，模型使用负二项分布（依据18,19）。模型中纳入了四个协变量：寄主高度、寄主冠层覆盖度、寄主植株上的槲寄生数量以及处理组槲寄生的果实数量。当模型仅包含处理方式时，不同槲寄生重定位处理间的鸟类访问次数存在显著差异。与被重定位至伪寄主或新寄主的槲寄生相比，保留在原始寄主上的槲寄生所获得的访问次数显著更高（表1A）。当模型进一步纳入寄主冠层覆盖度和果实数量等协变量后，处理间的差异仍然显著，但生境特征对访问行为无显著影响（表1B）。因此，对于所有鸟类而言，空间线索比资源密度、可及性或显著性更为重要，这与“先前经验在寻找成熟果实时比即时感官线索更具影响力”的推论一...

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讨论

这种新方法为理解不同物种及取食类群在觅食行为上的机制差异提供了一种经济有效的途径，揭示了先前学习和空间认知在鸟类于结构复杂的环境中寻找成熟果实过程中的关键作用。通过将空间位置与其他直接线索分离，研究得以证明：广食性食果鸟类会访问已知位置的植物，而非依赖于特定生境的关联；而特化性食果鸟类则无论空间背景如何，均更多地利用资源可得性的直接线索。

这些发现引出了下一个问题：觅食鸟类如何以及何时形成这种记忆？这种记忆在驱动景观中槲寄生分布空间格局的种子传播模式中又起到多大作用？尽管本案例研究采用直接观察法收集访问数据，但本文所述方案也可便捷地结合运动触发相机使用20,21，从而实现对多组槲寄生的同时监测，并有助于深入理解不同物种、功能群、生境及生物群系之间的差异。

为最大限度提高数据质量、可比性和应用便利性，有几个改进之处值得考虑。首先，需认识到野生动物对新奇事物可能产生积极或消极的反应；因此，在建立实验和收集数据期间，...

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披露

作者声明在开展或发表本研究过程中不存在任何竞争性经济利益。

致谢

作者感谢 John Rawsthorne 最初提出了剪贴实验方案。特别感谢众多志愿者投入时间对鸟类进行观察。本研究由悉尼科技大学、查尔斯·斯图尔特大学、澳大利亚鸟类学会和澳大利亚生态学会资助，属于一项硕士（研究型）学位项目的一部分。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
酒精清洁垫Forestry Suppliers25557SmartCompliance 急救箱补充装
梯子Forestry Suppliers90905Telesteps 12.5’ 伸缩梯
运动触发相机Forestry Suppliers91269Reconyx HF2X HyperFire 2 相机
尼龙扎带Forestry Suppliers17032首选黑色
修枝锯Forestry Suppliers81154建议使用折叠式以减少伤害；若无法使用梯子接触高处植物，则建议使用杆式安装锯

参考文献

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