《The Wilson Journal of Ornithology》：DNA metabarcoding illuminates nestling diet of the at-risk Western Purple Martin (Progne subis arboricola)
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西部紫崖燕（Progne subis arboricola）是一种空中食虫鸟（aerial insectivore，即在飞行中捕食昆虫的鸟类），在美国大陆太平洋西北部（Pacific Northwest）全境均受到保护关注。与已被广泛研究的东部亚种（Progn
西部紫崖燕（Progne subis arboricola）是一种空中食虫鸟（aerial insectivore，即在飞行中捕食昆虫的鸟类），在美国大陆太平洋西北部（Pacific Northwest）全境均受到保护关注。与已被广泛研究的东部亚种（Progne subis subis）相比，关于西部紫崖燕生活史和生态学的信息十分匮乏。除零星观察外，尚无关于西部紫崖燕猎物利用或食性的信息。紫崖燕属于空中食虫鸟这一食性集团（dietary guild），该集团中大多数成员物种正经历种群下降。了解食性及影响猎物的环境因素对于指导保护行动可能至关重要。研究人员的目标是鉴定猎物分类群，并比较在美国俄勒冈州西部和华盛顿州西南部繁殖的西部紫崖燕所利用的三种生态系统（沿海、淡水、高地森林）之间的食性组成。研究人员于2017年收集并分析了164份来自紫崖燕雏鸟的粪便样本（n沿海=41，n淡水=83，n高地森林=40）。粪便样本在雏鸟从巢中取出时收集。DNA宏条形码（DNA metabarcoding，一种鉴定猎物分类群的微创方法）揭示，双翅目（Diptera）是所有生态系统类型中雏鸟食性中检出频率最高的目。随着雏鸟年龄和体型增长，诸如蜻蜓（蜻蜓目Odonata）、蜜蜂和黄蜂（膜翅目Hymenoptera）等较大型飞行昆虫的检出频率更高。西部紫崖燕在淡水生态系统中利用的节肢动物猎物分类群比在沿海和高地森林生态系统中更具分类学多样性。这可能使淡水生态系统中的群体比沿海和高地森林生态系统中的群体对猎物可获得性变化具有更强的抵抗力。然而，未来仍需开展关于猎物可获得性、猎物利用及相应雏鸟存活率的研究，以明确三种生态系统各自作为繁殖栖息地的优势和局限性。西部紫崖燕种群对环境变化的恢复力可能取决于在所有生态系统中维持食物资源的保护努力。
一、研究背景与存在问题
空中食虫鸟（aerial insectivore，即在飞行中捕食昆虫的鸟类）是北美自20世纪80年代以来持续下降的鸟类集团，涵盖燕、雨燕、夜鹰和鹟类等。该集团范围内的种群下降可能由多种因素的复合效应所致，包括非繁殖地和繁殖地的栖息地丧失与退化、杀虫剂对昆虫猎物资源的负面影响以及气候变化驱动的昆虫可获得性与食虫鸟繁殖期之间的物候错配（phenological mismatch）。对空中食虫鸟而言，高质量昆虫猎物可获得性的变化已被强调为导致种群下降的重要驱动因素。紫崖燕（Progne subis）是北美最大的燕科鸟类，其长期种群下降已引起该物种在包括太平洋西北部在内的许多分布区的保护关注。虽然种群下降的确切原因尚未确定，但其下降与杀虫剂大量使用区域的重合表明飞行昆虫的减少可能是驱动因素之一。此外，森林经营方式导致的巢址限制——通常涉及大直径、富含洞腔的枯立木（snags）的丧失——被认为是影响西部亚种的另一限制因素。与广泛研究且利用人工结构筑巢的东部亚种（P. s. subis）不同，西部亚种（P. s. arboricola）的残余种群仍主要在枯立木或腐朽活树的天然洞巢中繁殖，其生活史和生态学信息极为匮乏。除零星观察外，尚无关于西部紫崖燕猎物利用或食性的系统信息。鉴于一些种群恢复工作已聚焦于通过创造枯立木和在早期演替森林中提供人工巢箱来补充筑巢机会，更好地了解猎物资源将有助于管理者评估在这些区域创造筑巢机会的有效性。了解繁殖期西部紫崖燕食性组成是理解其猎物可获得性的第一步。
二、研究目的与意义
研究人员旨在利用DNA宏条形码（DNA metabarcoding，一种通过高通量测序鉴定混合样本中物种组成的微创分子方法）技术，描述美国太平洋西北部西部紫崖燕在其繁殖所利用的三种主要生态系统——沿海（coastal，受潮汐影响的河口）、淡水（freshwater，水库）和早期演替高地森林（upland forest，皆伐迹地）——中的雏鸟食性组成。研究关注雏鸟食性是因为其与巢址周围栖息地相关联，喂给紫崖燕雏鸟的猎物分类群可代表当地猎物可获得性。研究人员提出三个假设：（1）水生生态系统（沿海和淡水）中雏鸟食性将含有比高地森林生态系统更多的水生昆虫猎物；（2）水生生态系统中雏鸟食性的猎物组成多样性高于高地森林，但沿海与淡水之间猎物群落组成存在差异；（3）雏鸟食性将随年龄变化，软体昆虫更多喂给幼龄雏鸟，而较大型几丁质昆虫更多喂给较年长雏鸟。
三、关键技术方法
研究区域涵盖美国俄勒冈州西部和华盛顿州西南部，按生态系统类型设14个采样点：沿海5个（位于库斯湾Coos Bay美国土地管理局辖区内潮汐影响的河口）、淡水5个（分布于威拉米特河谷Willamette Valley美国陆军工程兵团所属三座水库）、高地森林4个（位于俄勒冈州立大学McDonald-Dunn研究森林及私有管理森林），各点间距至少5公里。所有用于食性分析的巢腔均为人工巢基质（如木制巢箱、塑料葫芦架）。2017年7月13日至8月4日采集164份雏鸟粪便样本。DNA提取采用Qiagen PowerFecal DNA Kit并优化裂解步骤，使用ANML引物（LCO11490和CO1-CFMRa）扩增线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（COI）基因157 bp靶标片段。PCR采用三联复孔，产物经Quant-iT PicoGreen定量、标准化后混合为四个文库，经固相可逆固定化磁珠纯化后使用NEBNext Ultra II Library Prep Kit添加文库索引，在Illumina HiSeq 3000平台上进行150 bp双端测序。生物信息学采用定制流程：按标签解复用，过滤<50条计数和<120 bp的序列，保留在至少两个PCR复孔中出现的序列，经BLAST比对GenBank全部COI序列进行科或目水平分类学注释，保留≥95%相似度的序列。食性分析采用出现频率（FOO）和相对序列丰度（RRA）指标，以FOO为主进行统计检验，方法包括Pianka重叠指数、Jaccard相异度置换多元方差分析（PERMANOVA）以及iNEXT稀疏化与外推曲线。
四、研究结果
（1）样本分析：164份粪便样本中138份（84%）成功提取并扩增（沿海30份，淡水73份，高地森林35份）。数据过滤后，8,514条独特序列被注释至482个分类群，每个粪便样本注释猎物数为1–44个。排除非节肢动物门的序列，包括多孔动物门、棘皮动物门、红藻门、轮虫门、链型植物门、线虫门、软体动物门、毛霉门、担子菌门、刺胞动物门和环节动物门。
（2）食性组成：双翅目（Diptera）是所有生态系统中雏鸟食性的最主要组分，FOO达82–90%。膜翅目（Hymenoptera）、蜻蜓目（Odonata）和半翅目（Hemiptera）也构成食性重要部分。其它检出频率<10%的目包括鞘翅目（Coleoptera）、鳞翅目（Lepidoptera）、毛翅目（Trichoptera）、襀翅目（Plecoptera）、蜉蝣目（Ephemeroptera）和缨翅目（Thysanoptera），另检出低频率的蛛形纲（Arachnida，3%）。在目水平上，各生态系统间食性重叠度高，Pianka指数为0.97（沿海–淡水）、0.98（沿海–高地森林）和0.95（淡水–高地森林）。然而在科水平上差异更加显著（PERMANOVA：F
2,149=2.16，R
2=0.102，P=0.001），沿海和淡水生态系统的科水平相似度较高，两者均与高地森林差异较大。在猎物多样性方面，沿海和淡水的目和科水平多样性均一致高于高地森林。双翅目丰富度在各生态系统间呈类似趋势：淡水最高，沿海次之，高地森林最低。科组成上，沿海和淡水中雏鸟主要被喂食摇蚊科（Chironomidae，水生蝇类）和沼大蚊科（Limoniidae，水陆混合种），而高地森林中则以麻蝇科（Sarcophagidae，陆生腐食性蝇类）最为常见。半翅目和鞘翅目在两种湿地生态系统中的科数多于高地森林，蜉蝣目仅见于淡水生态系统。鳞翅目在所有生态系统中均有出现，但仅夜蛾科（Noctuidae）为共有科。
（3）食性与雏鸟年龄的关系：双翅目和膜翅目在整个雏鸟期均出现于食性中。蜻蜓目在任何生态系统中均未出现于5日龄以下雏鸟的食性中，这与蜻蜓较大的体型和几丁质外骨骼不便于幼龄雏鸟吞咽和消化有关。蜉蝣目、襀翅目（石蝇）和毛翅目（石蛾）等短期羽化的水生昆虫在雏鸟约16–23日龄时出现频率增加，可能反映在昆虫集中羽化事件中的机会性取食。绒螨目（Trombidiformes）在26–28日龄雏鸟（淡水生态系统）食性中出现显著增加，检出属包括Piona sp.和Limnesia sp.，这些水螨已知寄生于多种节肢动物（尤其是摇蚊科），研究人员推测繁殖季节后期大型飞行节肢动物体表寄生虫的积累可能导致了食性中绒螨目的相应增加。
五、讨论与结论
研究表明，西部紫崖燕雏鸟食性以双翅目为主，与其它空中食虫鸟的研究一致。双翅目因其全球广泛分布、群飞习性形成高丰度聚集、以及柔软体质易于消化等特点，成为多种空中食虫鸟的最优猎物。双翅目同时也是蜻蜓目等捕食性节肢动物的常见猎物，可能导致粪便样本中的二次检出，但这仍支持双翅目在维持紫崖燕食物网中的重要性。三种生态系统间食性在目水平上高度相似（反映对飞行节肢动物的专性利用），但在科水平上存在显著差异（反映栖息地利用和生活史变异），揭示了紫崖燕根据不同环境中猎物可获得性灵活调整取食策略的食性可塑性（dietary flexibility），这是一种能量高效的策略。淡水生态系统支持了最高的猎物多样性，具有水陆界面的环境通常是物种丰富度和丰度的热点，可能赋予淡水生态系统群体对猎物变化更强的抵抗力。高地森林雏鸟食性中出现水生昆虫令人关注，具有水生幼虫阶段的昆虫（如蜓科Aeshnidae在约20%高地森林样本中检出）是比陆生昆虫更优质的脂肪酸来源（如Omega-3二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸），对雏鸟存活至关重要。然而，这些水生猎物究竟来自当地小型源头溪流还是紫崖燕远距离飞行觅食获取尚无法确定。此外，皆伐木材采伐邻近溪流与昆虫羽化率、密度和生物量增加相关，所有高地森林采样巢均位于皆伐迹地，林冠下小型溪流遍布景观，但尚不能确定当地可获得性是否是高地森林雏鸟食性中水生昆虫的主要来源。随着雏鸟发育，食性从软体猎物为主逐渐向更多几丁质节肢动物过渡，符合亲鸟根据雏鸟体型调整投喂猎物大小的规律。
研究结论指出：三种生态系统类型间雏鸟食性中猎物分类群的差异反映了紫崖燕根据不同环境中各类昆虫可获得性加以利用的能力。湿地生态系统和高地早期演替森林均可提供丰富的昆虫猎物及紫崖燕所需的开阔觅食空间。然而，全球飞行昆虫和其他节肢动物下降的报告引发了对所有生态系统中食虫鸟类持续猎物可获得性的担忧，突显了保护昆虫动物群（entomofauna）对有效维持所有食虫动物种群的重要性。除充足的节肢动物猎物外，紫崖燕成功繁殖还需适宜的巢腔，巢址可获得性可限制群体规模，尤其对于仍在木材生产管理森林的枯立木中筑巢的紫崖燕。因此，在邻近湿地或溪流处维持或创造适宜的巢址枯立木，可能有助于同时满足紫崖燕的两种限制性资源需求。尽管本研究未将食性组成与巢成功率和生产力关联，未来研究应关注该主题以阐明节肢动物猎物和巢址可获得性作为不同生态系统类型中紫崖燕种群限制因素的相对重要性。
