宿主介导过滤与种间关联塑造Sable Island马圆线虫（strongyle）群落：基于10年nemabiome DNA宏条形码（DNA metabarcoding）与分层联合物种模型（HMSC）的纵向研究

《Journal of Animal Ecology》：Host-mediated filtering and interspecific associations structure strongyle parasite communities in Sable Island horses

　　

混合物种寄生虫感染在野生动物中常见，但构建这些群落的生态过程仍知之甚少。研究人员假设，宿主介导环境过滤（host-mediated environmental filtering）与外源性环境过滤（extrinsic environmental filtering），以及生物相互作用（biotic interactions），共同作用于寄生虫群落组成，并且这些构建模式取决于寄生虫性状（parasite traits）或进化历史（evolutionary history）。研究人员将线虫组（nemabiome）DNA宏条形码（DNA metabarcoding）应用于来自916匹无驱虫治疗（anthelmintic treatment）史的野化马的3147份粪便样本，这些样本作为加拿大Sable Island一项长期个体基础研究（long-term individual-based study）的一部分在10年间采集。使用联合物种分布模型（joint species distribution models），研究人员检验了圆线虫（strongyle）寄生虫群落是否由宿主相关因素、外源性环境变量或种间相互作用（interspecific interactions）构建。宿主因素，尤其是年龄和个体身份，解释了寄生虫流行率（prevalence）和感染强度（infection intensity）变异的最大比例，表明存在强宿主介导环境过滤。相比之下，空间位置和年份解释的变异极小，表明外源性介导环境过滤的效应较弱。寄生虫性状如体型（body size）和肠道部位偏好（gut site preference）与物种环境反应关联有限。正物种关联常见，尤其是在占据相同肠道区域的物种之间，表明强而一致的竞争相互作用未显著反映在残差协方差结构（residual covariance structure）中。负关联较少见，但一致涉及Strongylus equinus，表明涉及该物种的潜在情境依赖生物相互作用。通过整合物种水平分子数据与分层联合物种模型（hierarchical joint species models），本研究量化了自然寄生虫群落中宿主相关过滤和物种共变异模式，并为研究野生系统中的混合感染提供了框架。

研究背景与问题：野生动物中混合物种寄生虫感染常见，但自然条件下构建寄生虫群落的生态过程仍不清楚。寄生虫群落可由外源性生态因素、宿主相关性状以及寄生虫间生物相互作用共同塑造；然而表观关联可能来自共享环境偏好、共同传播或宿主异质性，难以区分。传统形态学鉴定需要训练，尸检侵入，粪便虫卵计数（faecal egg count, FEC）常缺乏种级分辨，尤其对圆线虫（strongyle）等近缘物种。Sable Island National Park Reserve的野化马自18世纪引入，长期隔离、无驱虫治疗、无其他陆生哺乳动物共享寄生虫，且为长期个体基础研究，使其成为研究自然混合感染的模型。研究人员假设宿主介导和外源性环境过滤及生物相互作用同时塑造寄生虫群落，且模式取决于寄生虫性状或进化历史。

研究人员开展的研究：研究人员对2014—2023年采集的3147份粪便样本（来自916匹野化马，样本队列来自加拿大Sable Island长期个体基础研究）进行nemabiome DNA宏条形码（DNA metabarcoding）分析，并用分层物种群落建模框架（Hierarchical Modelling of Species Communities, HMSC）联合物种分布模型估计宿主相关因素、外源环境变量和种间相互作用。结论：宿主年龄和个体身份解释最大变异，支持强宿主介导过滤；空间位置和年份解释很少；正关联常见，负关联少且一致涉及Strongylus equinus。意义：提供在野生系统中量化宿主过滤和物种共变异的框架。

关键技术方法：依托加拿大Sable Island National Park Reserve的野化马长期个体基础队列（自2007年；本研究样本2014—2023年，共3147份粪便，来自916匹无驱虫史个体），采用nemabiome DNA宏条形码（DNA metabarcoding）和粪便虫卵计数（FEC），经粪培养获得L₃，扩增ITS2区并测序，用DADA2流程进行扩增子序列变异（Amplicon Sequence Variants, ASVs）去噪、去嵌合和物种注释，将物种reads比例乘以总圆线虫FEC估计物种特异FEC；以HMSC联合物种分布模型进行贝叶斯推断、方差分解、性状/系统发育信号和种间残差协方差估计。

研究结果：
3.1 测序与寄生虫群落：测序平均深度为24,377.42 ± 9,213.98，>98% reads被分类到物种。共检测25种马圆线虫，包括6种大型圆线虫（Strongylus spp.）和19种小型圆线虫（cyathostomins）。平均物种丰富度为11.33 ± 3.71，在yearlings最高后下降。平均总圆线虫FEC为1214.05 ± 1061.10 EPG，yearlings为1479.77 ± 1175.07 EPG，2—3岁为1580.83 ± 1177.36 EPG，成年为1025.66 ± 938.09 EPG。三种大型迁移性Strongylus spp.流行率>90%；Strongylus edentatus和S. equinus强度最高，分别为279.64 ± 286.15 EPG和390.32 ± 535.06 EPG；S. vulgaris流行率高但强度较低。Cylicostephanus longibursatus和Cyathostomum catinatum是最常见小型圆线虫；Cyathostomum pateratum和Cylicostephanus bidentatus最稀有，流行率<1%。

3.2 模型性能：流行率和强度模型的中位有效样本量为3000，潜在尺度缩减因子接近1，链混合良好。流行率模型平均Tjur's R²为0.44 ± 0.18，曲线下面积（area under the receiver operating characteristics, AUC）为0.92 ± 0.07；强度模型平均R²为0.61 ± 0.21。高流行率物种的流行率模型Tjur's R²较低，但AUC高；其强度更易被模型解释。

3.3 物种特异性流行率和强度模式：宿主年龄与多数物种流行率显著相关，多数物种随年龄线性下降，并呈1—3岁峰值；S. equinus和Petrovinema poculatum流行率随年龄增加。年龄解释流行率平均0.28 ± 0.28，S. equinus达0.88；解释强度平均0.15 ± 0.15。空间上，多数物种在西部流行率较高，但Cylicocyclus insigne、Cylicostephanus goldi、Cylicostephanus longibursatus和三种Strongylus更常见于东部。位置解释流行率总体较少，四个物种>10%；解释强度平均0.03 ± 0.03。总圆线虫FEC与物种流行率和强度正相关，对强度解释0.58 ± 0.14，对流行率解释0.13 ± 0.12。宿主个体解释部分物种流行率>0.50，但三种Strongylus最小；Cylicostephanus属平均0.53 ± 0.08。强度多数物种个体解释方差小，四个物种>20%。年份对强度解释大于流行率。寄生虫性状γ仅显示强度模型中虫体长度与二阶年龄多项式负关联；系统发育信号在流行率（ρ=0.90 ± 0.07）和强度（ρ=0.97 ± 0.02）中均显著。

3.4 寄生虫物种间生物关联：sample ID随机效应方差第二高，解释流行率0.27 ± 0.25、强度0.13 ± 0.11。流行率中105对物种有78对正关联，所有cyathostomin配对均为正；S. equinus或S. vulgaris存在/缺失无显著关联。强度中120对有79对正关联；S. equinus与所有其他物种负关联；S. edentatus和S. vulgaris与三种cyathostomin负关联；C. longibursatus和C. insigne与C. catinatum和C. nassatus负关联。正关联按宿主部位偏好聚集。排除总圆线虫FEC后，所有配对关联均为正。

讨论总结：宿主年龄和个体身份是宿主介导环境过滤的主要成分；强度与物种丰富度在亚成年马中达峰，符合免疫发育随年龄增强的解释。控制总圆线虫FEC有助于区分宿主年龄的物种特异效应与密度依赖免疫反应。宿主身份解释的重复性差异表明个体水平过滤重要，即使在高流行“核心”物种内也存在。位置效应更多影响暴露而非感染后强度，Sable Island东西向水分与栖息地梯度具有生物学意义；外源性过滤相对较弱。社交带、性别和年份解释有限，但年份仍可能影响适合度后果。正关联广泛，可能反映弱竞争、共享微生境适宜性或共同传播，并不能简单归因于促进。负关联涉及S. equinus，提示情境依赖竞争，可能影响感染强度而非定殖；其方向与机制仍不确定。系统发育信号提示保守生态耐受，但ITS2系统发育分辨率有限。单一位点偏好、FEC非成虫负荷及收缩先验降低弱互作检测敏感性均为解释限制。

研究结论部分翻译：理解构建寄生虫群落的过程，对于预测感染结局、传播动态以及复杂混合感染对宿主适合度和种群健康的更广泛后果至关重要。研究人员的发现为越来越多的证据作出贡献，即由宿主年龄、身份和生理等宿主性状塑造的宿主相关环境过滤，在驱动寄生虫群落结构中发挥主导作用，而寄生虫物种之间的生物相互作用是可变的且依赖情境。尽管如此，某些物种之间的负关联表明，在特定生态或免疫条件下，竞争可能影响群落组装。DNA宏条形码等分子工具的进步现在使得在大数据集上实现物种水平解析成为可能，而联合物种分布模型使研究人员能够解析宿主性状、环境变异和物种关联在塑造群落结构中的作用。跨系统与时间尺度整合这些方法，对于识别塑造寄生虫多样性的生态和进化过程、理解混合感染如何随环境条件变化以及改进对自然宿主种群中寄生虫群落组装的理解至关重要。