δ13C作为一个连续体：光合共生双壳类（鸟尾蛤亚科Fraginae）碳源的组织、个体发育及种间变异

《Ecology and Evolution》：δ13C as a Continuum: Tissue-Based, Ontogenetic, and Interspecific Variation in Carbon Sourcing of a Photosymbiotic Bivalve (Subfamily Fraginae)

　　

光合共生的海洋无脊椎动物从共生体光合作用和异养摄食中获取碳，然而每种来源的相对贡献通常是从整体组织δ¹³C值推断的，未考虑组织间和种内变异。研究人员测量了来自西澳大利亚Gathaagudu（鲨鱼湾）的不同体型范围的光合共生双壳类脆壳鸟尾蛤（*Fragum unedo*，亚科Fraginae）三种组织（套膜、鳃和足）的δ¹³C，并汇编了已发表的海洋软体动物和刺胞动物的δ¹³C数据，涵盖光合共生、化学共生和非共生营养模式。在*F. unedo*内，不同组织间的δ¹³C存在一致性差异：无共生体的足相对于套膜富集约1.1‰，相对于鳃富集约1.6‰，这与共生体组织宿主与共生体生物量的混合一致，也可能归因于光合作用后分馏，即代谢物从含共生体的源组织转运至异养汇组织过程中的同位素分馏。δ¹³C值也随体型增大而增加，最小和最大个体之间的总个体发育位移约为3‰，表明随着生长，对共生体衍生碳的依赖逐渐增加。组织效应和体型效应在幅度上均与常用于区分类群间营养模式的差异相当，表明组织选择和发展阶段可直接改变碳源归属。汇编数据集揭示，化学共生、光合共生和非共生类群并非占据离散的同位素类别，而是形成一个连续的δ¹³C梯度，不同营养模式之间存在显著重叠。*F. unedo*的值落在光合共生范围内但接近其下边界，与混合营养策略一致。这些结果表明，δ¹³C是共生系统中碳溯源的有效示踪剂，但应将其解释为由组织身份、个体发育和环境背景塑造的连续变量，而非共生状态的类别标志。

**论文解读：δ¹³C作为连续体——光合共生双壳类的碳源变异与生态意义**

**一、研究背景与科学问题**

营养共生重塑了动物获取、处理和保留碳的方式，改变了宿主谱系在海洋生态系统中的营养功能和生态角色（Cowen 1988; Stanley and Lipps 2011; Trench 1993）。海洋无脊椎动物与甲藻之间的光合共生在寡营养栖息地尤为重要（Adams et al. 2020），共生体衍生的光合产物可补充宿主的新陈代谢和生长，此外还有异养营养的贡献（Fitt and Trench 1981; Hawkins and Klumpp 1995; Li et al. 2018; Ferrier-Pagès and Leal 2018）。因此，这些共生关系并不代表单一的营养模式。相反，光合共生宿主在共生体自养碳固定、宿主固有的异养摄食以及全生物体内养分循环的相对贡献上存在差异（Guibert et al. 2026）。量化宿主从每条途径获得多少碳，对于理解这些共生的功能和动态至关重要。

稳定碳同位素提供了实现这一目标的实用途径。动物组织δ¹³C值反映同化进入生物量的碳，使稳定碳同位素测量能够区分异养食物来源和共生体衍生的碳（DeNiro and Epstein 1978）。在光合共生动物中，宿主δ¹³C随主要碳源而变化，无论是来自光合共生体固定、化学共生体固定还是外部异养输入。然而，δ¹³C不能被视为共生的简单指标。同位素值因组织、物种和影响光合作用与异养摄食平衡的环境条件而异（Guibert et al. 2026; Li et al. 2018）。一个重要的未解问题是，单个光合共生物种内部存在多少碳同位素变异，特别是在组织和个体发育阶段之间。光合共生的鸟尾蛤科（Cardiidae）双壳类为解决这一问题提供了良好的体系，因为它同时包含共生和非共生近缘种，且共生类群的形态、栖息地和对共生体衍生碳的表观依赖程度各不相同（Vermeij 2013; Li et al. 2018）。此外，其共生体寄居于特化的宿主组织中，包括套膜、鳃，某些种类中还包括足（Li et al. 2020, 2024），从而可以直接比较共生体丰度和功能不同的组织。在Fraginae亚科中，广布的印度-太平洋物种*Fragum unedo*栖息于浅水砂质栖息地，并展现出扩张的套膜以增强光合共生体的光捕获能力，这可能增加了富含共生体与贫含共生体组织之间的对比度（ter Poorten 2024）。来自西澳大利亚Gathaagudu（鲨鱼湾）的覆盖个体发育序列的多个个体，为量化占据相似微环境个体间的组织和体型相关同位素变异提供了机会。

此外，一个更广泛的问题是δ¹³C在多大程度上能可靠地区分跨分类学和生态背景的营养共生。尽管光合共生、化学共生和非共生无脊椎动物的碳同位素值预期存在差异，但混合营养策略、基线碳源变化和组织采样的差异可能导致重叠（MacKenzie et al. 2011）。这限制了δ¹³C作为诊断工具的使用，除非有比较背景。需要更全面的数据集来界定不同营养模式相关的δ¹³C值范围，并评估来自焦点物种的值是否与光合共生类群一致、与非共生近缘种重叠，或反映与组织类型和个体发育相关的种内变异。

**二、研究内容与主要结论**

研究人员利用*F. unedo*的组织δ¹³C数据，检验对共生体衍生碳的依赖是否随个体发育而变化，以及在不同宿主组织间是否存在差异。研究人员测量了跨越从幼体到成体大小的个体中富含共生体的套膜和鳃组织以及无共生体的足组织的δ¹³C，并评估了变异是否能最好地由连续生长、体型、组织类型或其交互作用解释。此外，研究人员汇编了已发表的鸟尾蛤科双壳类以及代表光合共生、化学共生和非共生生活方式的海洋软体动物和刺胞动物的组织水平δ¹³C数据，为跨营养模式解释碳同位素值提供了比较框架。这些分析共同检验了光合共生碳利用是固定的物种水平性状，还是随宿主发育和组织身份变化，以及更广泛地，δ¹³C在多大程度上能一致地区分海洋共生中的碳源。

研究得出以下主要结论：*F. unedo*的δ¹³C随组织类型和体型系统性地变化，表明对共生体衍生碳的依赖并非固定的物种水平性状，而是随宿主发育而改变并因器官而异。富含共生体与无共生体组织之间接近2‰的组织特异性偏移指向光合作用后分馏和共生体生物量混合是个体内同位素变异的来源，而较大个体中约3‰的个体发育性δ¹³C负值减少表明自养碳利用逐渐增加，与巨砗磲中记录的模式相似。两类变异来源的幅度都足以改变推断的碳源归属。汇编的δ¹³C元数据进一步证实，化学共生、光合共生和非共生软体动物及刺胞动物形成连续的δ¹³C梯度而非离散的同位素类别，相邻营养模式之间存在显著重叠。因此，δ¹³C仍是共生系统中碳溯源的有价值示踪剂，但其解释需关注组织类型、个体发育阶段和环境背景。该论文发表在《Ecology and Evolution》。

**三、主要关键技术方法**

研究人员从西澳大利亚Gathaagudu（鲨鱼湾）Whalebone Campsite（26.128936° S, 113.638845° E）通过SCUBA潜水采集了12个*Fragum unedo*个体，解剖为套膜、鳃和足组织，使用ImageJ测量壳高作为体型指标。稳定碳同位素由科罗拉多州立大学EcoCore分析设施采用Delta V IRMS同位素比质谱仪测定。研究人员构建了系列线性和线性混合效应模型评估预测因子，通过AIC、边际R2和条件R2进行模型选择，并编译了来自27篇文献的126条软体动物和刺胞动物δ¹³C记录进行比较分析。

**四、研究结果**

**4.1 组织/个体发育比较**

对36个*F. unedo*组织测量（范围?21.5‰至?16.2‰）的分析发现，壳高与δ¹³C之间存在显著正相关关系（F_1,34 = 29.09, p < 0.0001, R2 = 0.46），每毫米生长δ¹³C增加0.08‰ ± 0.01‰。模型选择确定包含连续壳高作为固定效应、组织类型作为随机效应的模型D为最优模型，解释了70.9%的总方差。足组织显著富集¹³C，相较于含共生体的套膜（p = 0.0235）和鳃组织（p = 0.0018）。

**4.2 鸟尾蛤科比较**

聚焦的鸟尾蛤科比较包含来自12个物种的20条组织水平记录。非共生鸟尾蛤科展现出一致的δ¹³C贫化，范围?22.4‰至?19.7‰（n = 4），而光合共生鸟尾蛤科跨越更广且更富集的范围?19.0‰至?12.3‰（n = 16）。在光合共生类群中，巨砗磲（*Hippopus*和*Tridacna*）通常表现出比*Fragum*物种更不负值的δ¹³C。在*Fragum*属内，浅水物种（*F. fragum*和*F. whitelyi*）展现出相对于其他同属物种显著富集的δ¹³C值。相反，*F. unedo*尽管也出现在浅水栖息地，其δ¹³C值与来自更深环境的*F. sueziense*相似。

**4.3 跨营养模式的广泛比较**

广泛的元数据比较包含来自68个物种的105条记录。光合共生软体动物范围?20‰至?12‰（n = 27），非共生软体动物约?28‰至?16‰（n = 46），化学共生软体动物?39‰至?25‰（n = 18）。非共生与光合共生记录重叠约4‰，而化学共生与非共生记录重叠约3‰。化学共生软体动物始终最为贫化，在?30‰以下形成独特簇。非共生软体动物占据中间范围，上端与通常更富集¹³C的光合共生软体动物重叠。光合共生软体动物与刺胞动物之间在?18‰至?14‰区间存在显著重叠。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，*F. unedo*组织中观察到的δ¹³C一致差异模式（足相对套膜和鳃富集）在其它光合共生Fragum物种中也有报道，表明组织身份系统性地促成个体内δ¹³C变异。这种差异可能部分源于套膜和鳃组织中共生体的存在降低整体δ¹³C，但足与鳃之间更大的差异表明共生体生物量混合单独无法解释组织水平变异的全部幅度。光合作用后分馏可能提供补充解释：从源器官优先呼吸释放富集¹³C的CO₂，使剩余有机物相对贫化¹³C；同时富集¹³C的代谢物从源转运至汇器官富集了异养汇组织。个体内变异接近2‰，与常用于区分类群间营养模式或碳源的差异相当，因此组织选择直接影响推断的碳源归属。

关于个体发育转变，δ¹³C随壳高显著增加，最小和最大个体间总位移约3‰，表明通过个体发育对共生体衍生碳的依赖增加。这一模式与巨砗磲中记录的δ¹⁵N随壳生长下降、反映从异养向共生体依赖转变的研究一致。可能的机制包括：体型增大导致表面积与体积比下降，降低悬食效率；共生体携带组织的扩展增加总光合能力；鳃中共生体定殖可能逐渐损害颗粒捕获和分选的纤毛及粘液机制，减少滤食效率。

编译数据表明，化学共生、非共生和光合共生类群并非形成离散的同位素类别，而是占据连续梯度：化学共生软体动物在最贫化¹³C端，光合共生类群在最富集端，非共生滤食者分布在中间值。固碳生物化学设定了每种营养模式的大致范围，但光、营养盐、生长速率、温度和无机碳可用性等因素改变平衡，产生广泛且部分重叠的范围。δ¹³C在上下文明确时最具信息量，应视为碳源连续指示器而非营养模式的固定诊断指标。在化石系统中，若无独立的基线同位素组成、水深和光照制度约束，δ¹³C单独无法可靠区分这些情景。将δ¹³C与互补代理配对，如壳结合δ¹⁵N硬组织年代学或化合物特异性代谢物同位素分析，为识别现生和化石类群的光合共生提供了更稳健的途径。

研究结论总结如下：δ¹³C值随组织类型和躯体大小系统性变化，证明对共生体衍生碳的依赖并非固定的物种性状，而是随宿主发育变化并在器官间存在差异。组织特异性偏移和个体发育位移的幅度足以改变推断的碳源归属，与区分营养模式的常用差异重叠。编译的δ¹³C元数据证实不同营养模式形成连续梯度而非离散类别。δ¹³C仍是共生系统中碳溯源的有价值示踪剂，但其解读需关注组织类型、个体发育阶段和环境背景。未来分离宿主与共生体碳组分并应用化合物特异性同位素方法，将有助于解析这些模式背后的代谢途径，并加强基于δ¹³C的现生及化石类群光合共生推断。