海葵宿主对共生长臂虾的保护效益及其捕食者回避行为研究

《Zoology》：Protective benefit of sea anemone host to symbiotic palaemonid shrimps and predator-avoidance behaviours among palaemonid shrimps

　　

predation（捕食）是野外动物生存所面临的持续风险的主要因素之一。为应对这一风险，生物发展出共生关系（symbiotic associations）以从其他生物获得保护。本研究以与海葵（sea anemone）共生的长臂虾科（Palaemonidae）虾类为模型系统，探究以下三个问题：（1）紧密共生与松散共生的共生虾类是否均依赖宿主的保护效益；（2）海葵宿主的保护作用源自其刺细胞（stinging cell）、物理复杂性，还是两者兼有；（3）评估共生虾类对捕食者的行为反应，以判断其捕食者回避行为是否弱于自由生活物种。研究人员选取三种共生长臂虾——Ancylocaris brevicarpalis、Ancylomenes holthuisi 和 Ancylomenes venustus，以及两种自由生活虾类——Palaemon serrifer 和 Urocaridella pulchella，以气泡海葵 Entacmaea quadricolor 为宿主，以幼体巨石斑鱼 Epinephelus lanceolatus 为捕食者，设置裸缸、合成海葵和活体海葵三种处理。结果表明，三种共生虾在活体海葵处理中的存活率显著高于裸缸和合成海葵处理，而两种自由生活虾类在所有处理中均被完全捕食。合成海葵未能提供显著保护，表明海葵宿主的保护效益主要源自化学防御而非物理复杂性。在行为层面，共生虾类表现出较低的尾扇弹跳（tail-flipping）频率，而自由生活虾类则表现出更高的尾扇弹跳频率。研究结论表明，海葵宿主为共生长臂虾提供显著的保护效益，该效益主要源于海葵的化学防御；共生虾类对宿主保护的依赖可能导致其自我防御能力在一定程度上退化。

论文解读

一、研究背景与科学问题

捕食是野生动物在自然界中面临的主要生存威胁之一。为降低捕食风险，许多小型生物通过与大型生物形成共生关系来获取保护。在海洋生态系统中，长臂虾科（Palaemonidae）是研究海洋共生的代表性类群，该科包含超过1000个已描述物种，其中500余种与各类大型无脊椎动物形成共生关系。由于共生长臂虾体型微小且具有隐蔽性，学界普遍认为从宿主获得保护是其共生关系的主要收益。

刺胞动物（Cnidarians）是共生长臂虾的重要宿主类群，其触手具有特化的刺细胞（cnidocytes），可对多数生物造成严重伤害。已有研究证实，共生虾 Ancylomenes pedersoni 和 Periclimenes yucatanicus 能从海葵宿主获得保护效益。然而，关于刺胞动物宿主的化学防御与物理复杂性在保护共生体中的相对贡献仍不明确。此外，共生虾类在长期依赖宿主保护的过程中，是否保留或丧失了自身的捕食者回避行为，此前缺乏系统的实验验证。

本研究选取三种与海葵共生的长臂虾——Ancylocaris brevicarpalis（紧密共生，极少离开宿主）、Ancylomenes holthuisi 和 Ancylomenes venustus（松散共生，受扰动时可能暂时离开宿主），以及两种自由生活虾类 Palaemon serrifer 和 Urocaridella pulchella，以气泡海葵 Entacmaea quadricolor 为宿主、幼体巨石斑鱼 Epinephelus lanceolatus 为捕食者，系统探究海葵宿主的保护效益来源及共生虾类的捕食者回避行为特征。

二、研究内容与主要结论

研究设置了三种实验处理：裸缸处理（无任何庇护所）、合成海葵处理（仅提供物理结构复杂性而无化学防御）和活体海葵处理。每种处理设置6个重复，5种虾类各18个实验单元，共90个实验单元。实验在分隔为两等分的水槽中进行，捕食鱼与虾分别置于隔板两侧，实验开始时垂直抽离隔板，记录两小时内虾的存活情况及双方行为。

研究得出以下主要结论：三种共生虾在活体海葵处理中的存活率显著高于裸缸和合成海葵处理，其中 A. brevicarpalis 和 A. holthuisi 在活体海葵处理中存活率达100%；而两种自由生活虾类在所有处理中存活率均为0%。合成海葵未能为任何虾类提供显著保护，表明海葵宿主的保护效益主要源自化学防御而非物理复杂性。在捕食者行为方面，捕食鱼在共生虾与活体海葵共存时显著降低了捕食频率，且在被海葵蜇刺后不再攻击共生虾，但仍继续攻击自由生活虾类。在虾类行为方面，共生虾类主要停留在海葵触手区域，表现出静止或摇摆行为；自由生活虾类则主要在暴露区域活动。共生虾类的尾扇弹跳频率显著低于自由生活虾类。

三、关键技术方法

研究人员采用行为生态学实验方法，在受控水槽环境中设置三种处理（裸缸、合成海葵、活体海葵），每种处理6个重复。实验动物包括三种共生虾和两种自由生活虾（共生虾和 U. pulchella 购自当地水族供应商，P. serrifer 于2022年11月至2023年2月采自香港新界乌溪沙岩岸；海葵于2022年2月至10月由SCUBA潜水采集自香港东部水域；捕食鱼购自当地渔场）。实验采用透明PET穿孔隔板分隔捕食鱼与虾类，允许视觉和化学信号交换。视频记录采用两台数字摄像机（TP-Link Tapo C100），行为分析使用BORIS v.8.9.19软件。统计分析采用Kaplan-Meier生存分析、log-rank检验、Mann-Whitney U检验、Kruskal-Wallis H检验、NMDS和PERMANOVA等方法。

四、研究结果

4.1 虾类存活率：三种共生虾在活体海葵处理中的存活率显著高于裸缸和合成海葵处理（log-rank检验，p<0.05）。A. brevicarpalis 和 A. holthuisi 在活体海葵处理中存活率达100%，A. venustus 存活率为50%。裸缸处理中三种共生虾的平均存活时间为123.81±152.86秒，合成海葵处理为337.60±416.21秒，两者无显著差异。两种自由生活虾类在所有三种处理中存活率均为0%，且处理间无显著差异。

4.2 捕食鱼行为：捕食鱼在裸缸和合成海葵处理中对所有虾类均表现出100%的捕食行为。在活体海葵处理中，仅16.67%的捕食鱼对 A. brevicarpalis 表现出捕食行为，66.67%对 A. holthuisi 和 A. venustus 表现出捕食行为；16.67%至66.67%的捕食鱼被海葵蜇刺，且被蜇刺后不再攻击共生虾。然而，所有捕食鱼在自由生活虾类实验中均表现出捕食行为，即使被蜇刺后仍继续攻击。捕食鱼在活体海葵处理中对共生虾的捕食频率（0.61±0.70次）显著低于裸缸（2.11±1.78次）和合成海葵处理（2.28±1.67次）。在行为时间分配上，捕食鱼在活体海葵处理中显著减少了跟随行为时间（2.58±5.30% vs 34.43±24.71%），增加了静止时间（29.92±29.72% vs 7.72±14.09%）。

4.3 虾类行为与空间分布：三种共生虾在活体海葵处理中平均95.17±12.15%的时间停留在宿主上，其中触手区域是主要分布区域（85.91±25.52%）。在合成海葵处理中，A. holthuisi 和 A. venustus 在合成海葵上的停留时间显著低于活体海葵处理（9.92±28.62% vs 92.75±14.46%），而 A. brevicarpalis 个体间差异较大。两种自由生活虾类在所有处理中主要停留在暴露区域。在行为类型上，A. brevicarpalis 以静止为主要行为（69.91±31.82%），A. holthuisi 和 A. venustus 以摇摆动作为主要行为（分别占72.44±32.84%和94.38±8.80%）。自由生活虾类以静止（65.22±28.50%）和游泳（20.29±19.60%）为主要行为。共生虾类的尾扇弹跳频率（3.74±6.74次）显著低于自由生活虾类（20.53±21.23次）。

五、讨论与结论

讨论部分指出，海葵宿主的保护效益主要源于其化学防御，即刺细胞所含毒素和黏液中的溶细胞蛋白，而非物理结构复杂性。捕食鱼在被海葵蜇刺后放弃攻击共生虾，表明海葵的化学防御能有效威慑捕食者。共生虾类主要停留在海葵触手区域，进一步降低了被捕食风险。在行为方面，非清洁共生虾 A. brevicarpalis 采用静止策略减少被捕食者发现的可能性，而清洁共生虾 A. holthuisi 和 A. venustus 通过摇摆动作传递清洁者身份信号，但该信号在无海葵保护时未能有效降低捕食风险。共生虾类较低的尾扇弹跳频率提示，对宿主保护的长期依赖可能导致其自我防御能力在进化过程中逐渐退化，这一趋势与海葵鱼中观察到的现象一致。

研究结论表明，无论是紧密共生还是松散共生的海葵共生虾，均能从宿主获得显著的保护效益，该效益主要源自海葵的刺细胞化学防御而非物理复杂性。共生清洁虾在面对捕食鱼时表现出明显的摇摆行为以传递清洁者身份，非清洁虾则保持静止以降低被发现概率。共生虾类较自由生活虾类表现出更低的尾扇弹跳频率，说明对宿主保护的依赖可能增加了共生虾类自我防御能力的丧失。刺胞动物宿主对共生体的保护效益可能促进了共生关系的多样化和持续存在，进而推动了长臂虾科的进化和物种形成。