《Ecology and Evolution》：Combined Effects of Beetle Density and Sex Ratio on Reproductive Trade-Offs and Dung Burial in Tunnelling Dung Beetles
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粪甲虫密度与性别比例在种内竞争中发挥重要作用，繁殖成功率取决于甲虫的成熟度。研究人员利用两种粪甲虫（Onthophagus binodis和Digitonthophagus gazella）的成熟第一代（F1）个体，通过操控粪饼中雄性与雌性个体的数量，研究了小
粪甲虫密度与性别比例在种内竞争中发挥重要作用，繁殖成功率取决于甲虫的成熟度。研究人员利用两种粪甲虫（Onthophagus binodis和Digitonthophagus gazella）的成熟第一代（F1）个体，通过操控粪饼中雄性与雌性个体的数量，研究了小群体中密度增加对粪埋和育雏（brood）生产的影响。甲虫在受控实验室条件下饲养，并喂以采集自牧场的牛粪。每周通过测量残余粪便有机质含量计算粪埋量，并记录每个粪饼产生的育雏数量、育雏干重及育雏大小。在两种甲虫中，中等数量雄性和雌性个体的处理组比单独雌虫产生更多育雏。另一方面，中到高数量雄性和雌性个体的处理组比单独雌虫埋入更多粪便。在高密度处理组中，育雏大小和育雏干重下降，表明在种内相互作用增强的情况下生殖分配发生改变。两种甲虫表现出非常相似的模式，尽管O. binodis产生更多育雏，而D. gazella埋入更多粪便。研究人员还观察到两种甲虫的育雏干重与育雏大小之间存在正相关关系。总体而言，结果表明在受控实验室条件下，甲虫密度与性别比例的联合效应影响了生殖投资和粪埋行为。需要进一步的实地研究来确定在更高密度和自然生态条件下是否出现类似模式。
**论文解读：密度与性别比例对掘穴蜣螂繁殖权衡及粪埋行为的联合影响**
**1. 研究背景与科学问题**
资源竞争是影响昆虫生长、发育和繁殖的基本生态过程。随着种群密度增加，开发性竞争通常加剧，降低个体平均资源可获得性，并通过后代数量与质量之间的权衡改变生殖投资。粪甲虫（Coleoptera: Scarabaeidae）依赖粪便资源进行取食和繁殖，是研究密度依赖性竞争的优良模式系统。粪甲虫作为重要的生态系统工程师，主要通过掩埋脊椎动物粪便发挥粪移除、生物扰动、土壤通气、养分循环、二次种子传播和蝇类控制等功能。根据筑巢策略，粪甲虫可分为三类，其中paracoprid（掘穴型）甲虫将粪便埋入土壤下方构建育雏室，直接将繁殖行为与生态系统功能联系起来。
本研究聚焦于两种在澳大利亚放牧系统中广泛定居的掘穴粪甲虫——Onthophagus binodis（O. binodis）和Digitonthophagus gazella（D. gazella）。两种物种常共同存在于牛牧场中，通过在地下育雏室埋粪繁殖，但在生活史特征上存在差异，可能影响竞争互动和资源分配。既往密度依赖研究多采用野外捕获的成虫，其年龄和繁殖状态未知；年龄、繁殖成熟度和体况被认为是繁殖表现变异的公认来源，个体生理差异可能独立于实验处理造成生态系统功能和繁殖输出的变异。此外，繁殖群体内的性别比例可通过影响雄-雌相互作用而同时影响生态系统工程功能和繁殖表现。然而，在受控实验条件下，密度依赖的种内相互作用与性别比例的联合效应如何塑造生殖投资和生态系统功能，仍缺乏充分认识。
**2. 研究目的与意义**
研究人员假设增加种内密度并结合性别比例变化会影响粪甲虫的生殖投资和生态系统功能。具体目标包括：（i）以粪埋量作为生态系统功能度量；（ii）以育雏生产作为生殖输出指标；（iii）以育雏体积和育雏干重作为母体对单个后代的投资度量。此外，还检验了各处理间育雏体积与育雏干重的关系，以确定育雏大小变化是否与分配给发育中后代的资源量变化相关。
**3. 研究开展与主要结论**
研究采用实验室饲养的第一代（F1）个体，其年龄已知且繁殖成熟度经卵巢解剖确认，以最小化野外捕获个体年龄和生理状态差异带来的混杂效应。实验于2023年1月至6月在澳大利亚新南威尔士州北部受控温度实验室中进行，环境条件维持在约25°C和40%相对湿度，12小时光照/12小时黑暗光周期。两种物种在相同环境条件下并排饲养。实验采用随机区组设计，每物种设置10个区组，每区组包含6个处理组合，分别为：1雌、1对、1对+1雌、2对、2对+1雌、3对（每对=1雄+1雌），每个处理10个独立重复。每14天饲喂100克牛粪，每周收集未食用粪并进行有机质含量分析以计算粪埋量，实验结束后计数育雏数并测量育雏干重和椭球体积。
**4. 关键技术方法**
研究使用野外采集的O. binodis和D. gazella成虫，经实验室大规模饲养获得F1后代，经15天饲养确保性成熟并通过雌性卵巢解剖确认繁殖成熟度。粪埋量通过灼烧失重法（loss-on-ignition）测定粪便有机质含量计算；育雏大小通过数字游标卡尺测量赤道和两极直径并计算椭球体积；干重经65°C烘干至恒重后测定。统计分析采用广义线性混合效应模型（GLMMs，Generalised Linear Mixed-Effect Models）和线性混合效应模型（LMMs，Linear Mixed-Effect Models），以区组作为随机效应。牛粪采集自同一牧场并在使用前均质化，饲料化学成分和矿物组成经湿化学和矿物质分析确定。
**5. 主要研究结果**
**（1）育雏生产（Brood Production）**
O. binodis共产出804个育雏，D. gazella共产出453个育雏。物种内分析表明，密度与性别比例的联合效应显著影响两种甲虫的育雏生产（O. binodis：χ2=22.9，p<0.001；D. gazella：χ2=19.6，p=0.001）。O. binodis在1对+1雌或2对+1雌处理中育雏产量最高，D. gazella在2对或2对+1雌处理中产量最高，两者均在单雌处理中产量最低。种间比较显示，O. binodis的育雏产量显著高于D. gazella（p<0.001）。
**（2）育雏椭球体积（Ellipsoid Volume of Broods）**
分别测量了804个O. binodis和453个D. gazella育雏的椭球体积。处理对两种物种的育雏椭球体积均有显著影响（O. binodis：χ2=84.2，p<0.001；D. gazella：χ2=28.3，p<0.001）。O. binodis在较低密度（1雌、1对、1对+1雌、2对）下产生较大育雏，D. gazella在1对或1对+1雌处理下产生较大育雏，两者均在最高密度（3对）下产生最小育雏。种间比较显示，D. gazella的育雏椭球体积显著大于O. binodis（p<0.001）。
**（3）育雏干重（Dry Weight of Broods）**
密度与性别比例的联合效应显著影响两种物种的育雏干重（O. binodis：χ2=75.2，p<0.001；D. gazella：χ2=24.9，p<0.001）。O. binodis在1对或2对处理中育雏干重最高，D. gazella在1对或1对+1雌处理中最高，两者均在最高密度处理中最低。种间比较表明，D. gazella的育雏干重显著高于O. binodis（p<0.001）。
**（4）育雏大小、数量与干重的关系**
线性回归分析显示两种物种的育雏干重与椭球体积之间存在强正相关（O. binodis：R2=0.766，p<0.001；D. gazella：R2=0.792，p<0.001），表明育雏干重增加伴随更大椭球体积。O. binodis的育雏数量与椭球体积之间存在显著但较弱的负相关（R2=0.057，p<0.001），而D. gazella中未检测到显著相关性（R2=0.005，p=0.213），表明其椭球体积在不同育雏数量下保持一致。
**（5）粪埋（Dung Burial）**
密度与性别比例的联合效应显著影响两种物种的粪埋量（p<0.05），但饲喂周期及其与处理的交互作用无显著影响。O. binodis在2对+1雌或3对处理下粪埋量比单雌高91.5 g/kg干物质（p=0.003），D. gazella在2对及以上处理下比单雌高124 g/kg干物质（p<0.001）。种间比较显示，D. gazella在所有处理中埋入的粪便量显著多于O. binodis（p<0.001）。
**6. 讨论要点与研究结论**
本研究表明，增加甲虫密度并结合性别比例变化影响两种甲虫的生殖投资，导致粪埋增加但伴随更小或更轻育雏的产生，在最高密度处理下，两种物种均产生较小的育雏，提示在不断增强的种内相互作用下生殖分配发生转变。中间密度处理（如2对+1雌）的育雏产量最高，表明生殖输出受密度与性别比例的联合效应而非密度单一因素影响；含更多雌性的处理通常产生更多育雏，表明雌性可获得性与竞争环境共同影响生殖投资。两种物种间存在生殖分配差异：O. binodis产生更多但更小更轻的育雏，而D. gazella虽有更高的粪埋量和更大的育雏，但育雏数量较少。育雏干重与体积的正相关关系表明育雏大小可作为资源投资的有效指标。D. gazella的粪埋量高于O. binodis但育雏产量较低，显示物种特异性行为特征或繁殖分配差异可能导致了粪埋差异。
研究限制包括：密度与性别组成的联合操纵、各处理粪便供应量相同（导致高密度下个体平均食物可获得性降低）、两物种体型差异、单雌作为对照、仅选用大型雄虫、保守的密度范围（每容器最多3对）及受控实验条件，这些因素限制了对自然粪甲虫种群的直接外推。总体而言，密度增加结合性别比例变化增强了粪埋功能，但降低了育雏大小和育雏干重，表明种内相互作用增强导致生殖分配向数量的转变，而数量-大小权衡关系与实验条件下育雏数量与个体投资之间的预期权衡一致。这些发现为理解受控条件下粪甲虫的生殖分配和生态系统功能提供见解，但需进一步野外验证以评估其在自然生态系统和牧场管理中的适用性。
