基于DNA宏条形码技术揭示巴塔哥尼亚托雷斯德尔潘恩地区美洲狮饮食对原驼的强烈特化

《Frontiers in Ecology and Evolution》：Strong trophic specialization on guanaco within the native prey community -DNA metabarcoding of puma diet in Torres del Paine, Patagonia

　　

摘要

解析顶级捕食者的饮食组成和猎物利用模式，是理解捕食者-猎物动态及生态系统功能的基础。在巴塔哥尼亚地区，美洲狮（*Puma concolor*）的饮食主要依赖传统粪便分析法进行描述，而分子方法可为检测低频猎物类群提供更高的分类学分辨率。本研究采用脊椎动物DNA宏条形码（DNA metabarcoding）技术，表征智利南部塞罗吉多–托雷斯德尔潘恩景观中美洲狮饮食的本地脊椎动物组分。研究人员分析了19份经分子确认的美洲狮粪便样本，利用线粒体16S宏条形码（mitochondrial 16S metabarcoding），并通过出现频率（frequency of occurrence, FOO）、相对读长丰度（relative read abundance, RRA）和饮食宽度（dietary breadth）量化饮食组成。原驼（*Lama guanicoe*）是占主导的本地脊椎动物猎物类群，出现于68.4%的粪便样本中，占本地猎物读长的95%以上。基于本地脊椎动物猎物的饮食宽度较低（Levins' B = 1.05；标准化B_A = 0.017），表明本地猎物饮食谱高度集中。时间匹配的红外相机数据表明，在粪便采样月份，原驼约占独立探测事件的5%，而其出现在超过三分之二的采样粪便中；然而，红外相机探测被解释为相对出现指数而非真实猎物可获得性。DNA宏条形码还检测到若干低频本地脊椎动物类群，包括*Conepatus chinga*、*Rhea pennata*和*Geranoaetus melanoleucus*。总体而言，结果表明，在研究期间，采样美洲狮粪便中检出的本地脊椎动物猎物高度集中于原驼，而其他本地类群的出现频率相对较低。通过将脊椎动物DNA宏条形码与时间匹配的红外相机出现数据相结合，本研究为未来调查巴塔哥尼亚地区美洲狮饮食的时空变化及捕食者-猎物关系提供了分子基线。

论文解读：DNA宏条形码揭示巴塔哥尼亚美洲狮饮食对原驼的强烈营养特化

1. 研究背景与科学问题

顶级捕食者通过影响猎物种群、种间相互作用和营养过程塑造生态系统结构。理解顶级捕食者对特定猎物的特化程度，是预测捕食者对环境变化的响应、解读捕食者-猎物动态的基础。美洲狮（*Puma concolor*）是美洲分布最广的陆生食肉动物之一，栖息于多样化的生境和猎物群落中。在南美洲南部，美洲狮取食多种脊椎动物，包括大型草食动物、中型哺乳动物、鸟类及偶见的家养动物。然而，巴塔哥尼亚地区多项研究已确定原驼（*Lama guanicoe*）为主要猎物，提示该捕食者-猎物关系强烈集中于单一大型草食动物。既有知识多来源于粪便形态学或捕杀现场调查，这些方法虽能描述宏观饮食模式，但可能因高度消化残留物、稀有猎物和隐蔽营养相互作用难以准确识别而低估猎物多样性。因此，巴塔哥尼亚生态系统中美洲狮究竟是严格营养特化者，还是利用更广泛的脊椎动物猎物谱，仍存在不确定性。DNA宏条形码可从粪便样本中实现猎物物种的高分辨率分类鉴定，较传统形态学方法更能检测低频、高度降解、软体或形态上难以区分的猎物，从而以更高分类学分辨率重新评估顶级捕食者的营养特化与饮食宽度。

2. 研究开展与主要结论

研究人员在智利南部塞罗吉多–托雷斯德尔潘恩景观（属于托雷斯德尔潘恩生物圈保护区）开展研究，该区域包含巴塔哥尼亚草原、山前灌丛、麦哲伦森林、安第斯荒漠和泥炭藓沼泽五种植被类型，并支持牛羊生产及丰富的脊椎动物群落。研究人员于2024和2025年的6月、7月、8月及11月（南半球晚冬和春季）非侵入性采集候选美洲狮粪便样本，经线粒体16S宏条形码（mitochondrial 16S metabarcoding）确认物种身份后，保留19份分子确认的美洲狮粪便用于饮食分析。通过出现频率（FOO）、相对读长丰度（RRA）和Levins生态位宽度指数量化饮食组成。结果显示，原驼为最常检出的本地脊椎动物猎物，出现在68.4%的粪便样本中，占本地猎物读长的95%以上；饮食宽度极低（Levins' B = 1.05，标准化B_A = 0.017），表明本地猎物饮食谱高度集中。时间匹配的红外相机数据显示，原驼独立探测事件仅占约5%，但出现于超过三分之二的粪便样本中，提示其高频饮食出现与相机相对出现率形成对比，但相机数据仅作为相对出现指数而非真实猎物可获得性。DNA宏条形码还检出多个低频本地脊椎动物类群，包括*Conepatus chinga*、*Rhea pennata*和*Geranoaetus melanoleucus*，其中*G. melanoleucus*（黑雕）在巴塔哥尼亚地区未曾报道为美洲狮猎物。研究意义在于提供了该景观下美洲狮本地猎物饮食的分子基线，并展示了DNA宏条形码同时表征主导和低频猎物组分的能力，为未来时空变异及捕食者-猎物关系研究奠定基础。

3. 主要关键技术方法

研究人员采用以下关键方法：（1）样本采集与分子确认：依据标准化形态和野外痕迹标准识别候选美洲狮粪便，通过宏条形码序列中的宿主DNA确认物种身份，排除非美洲狮来源样本；（2）DNA提取与标记扩增：使用DNeasy PowerSoil Pro Kit提取粪便DNA，扩增线粒体V16S-U标记（Wang et al., 2023），产物经磁珠纯化和二次PCR构建测序文库；（3）高通量测序：在Illumina NextSeq2000平台进行双端测序，获得2,989,997条原始读长；（4）生物信息学处理：使用Cutadapt去 multiplex、Trimmomatic和PRINSEQ质量过滤、DADA2降噪并推断扩增子序列变异（ASV），基于≥50读长丰度阈值过滤，利用RDP朴素贝叶斯分类器结合自建参考数据库（基于CRABS从NCBI GenBank生成并补充Sanger序列）进行物种注释；（5）红外相机监测：在研究区域部署28台相机，以24小时独立判据处理数据，仅保留与粪便采样月份匹配的记录作为相对出现指数；（6）数据分析：计算FOO、RRA和Levins生态位宽度，并以≥10读长阈值进行稳健性检验。样本队列来自塞罗吉多农场及周边区域，实验室分析在AUSTRAL-omics实验室（智利瓦尔迪维亚）完成。

4. 研究结果

4.1 饮食组成与主导猎物
在19份分子确认的美洲狮粪便中，原驼（*Lama guanicoe*）在13份样本中被检出（FOO = 68.4%），为最常检出的本地脊椎动物猎物。其他本地类群出现频率较低：*Geranoaetus melanoleucus*为15.8%，*Conepatus chinga*为10.5%，*Rhea pennata*为5.3%。相对读长丰度分析显示，原驼占总猎物读长的95%以上，其余类群仅占极小比例。采用≥10读长的保守阈值后，原驼仍占主导（57.9%），*G. melanoleucus*和*C. chinga*出现频率不变，*R. pennata*因低读长未保留。结果表明本地脊椎动物猎物高度集中于原驼。

4.2 饮食宽度
基于RRA计算的Levins生态位宽度为B = 1.05，标准化B_A = 0.017，表明本地脊椎动物猎物营养生态位极窄，分子饮食谱高度集中。在16份含可识别本地猎物的样本中，多数由单一猎物物种主导，部分样本含多个类群但其他物种占比很低。

4.3 红外相机出现与饮食检出的对比
采样月份共记录1,627次独立24小时相机探测事件。*Lycalopex* spp.占比最高（28.0%），其次为*C. chinga*（12.2%），而原驼仅占4.98%。然而原驼在粪便中FOO为68.4%，形成鲜明对比。*G. melanoleucus*和*R. pennata*在相机中占比极低（0.25%和0.12%），但在粪便中分别占15.79%和5.26%。*Lycalopex* spp.相机出现率高但未被检出。这些比较仅为描述性，因为相机探测频率是相对出现指数而非真实猎物可获得性。

5. 讨论与结论

本研究的分子证据表明，在采样的美洲狮粪便中，本地脊椎动物猎物谱强烈集中于原驼，饮食宽度极低，与巴塔哥尼亚此前多项研究一致。原驼在相机数据中相对低频但在粪便中高频出现，虽不能作为猎物选择的正式证据，但大型猎物的能量收益可能是其高饮食代表性的合理解释。研究未将引入种和家养动物纳入主要分析，因此结果仅反映本地猎物组分而非完整食谱。*Lycalopex* spp.未在粪便中检出，与其作为偶见猎物的区域记录一致，但不能据此推断主动回避。低频频次的*G. melanoleucus*检出突出了宏条形码对形态学难以鉴别的鸟类猎物的分辨率，但需注意宏条形码无法区分主动捕食、腐食或二次摄入。研究的局限性包括样本量小（n = 19）、采样时段有限（仅覆盖6月、7月、8月和11月）、无法排除同一个体重复采样、相机数据受物种可检测性差异影响以及读长丰度受扩增效率和线粒体拷贝数变异影响。结论指出，研究期间美洲狮本地脊椎动物猎物组分强烈以原驼为主导，呈现出高度集中的营养特征；DNA宏条形码与时间匹配的红外相机数据的结合，为巴塔哥尼亚地区美洲狮饮食时空变异和捕食者-猎物关系的未来研究提供了分子基线。