基于DNA宏条形码的智利南部塞鲸（Balaenoptera borealis）机会性摄食策略与寄生虫群落研究

《Ecology and Evolution》：Opportunistic Feeding and Parasite Assemblages in Sei Whales (Balaenoptera borealis) From Southern Chile Revealed by DNA Metabarcoding

　　

： 须鲸科（Balaenopterid）鲸类是远洋生态系统中的主要消费者，在海洋食物网中发挥着基础性作用。塞鲸（Balaenoptera borealis）是一种广泛性的泛化种（generalist species），但仍是研究最少的须鲸之一。本研究利用DNA宏条形码（DNA metabarcoding）技术，对智利南部五头搁浅塞鲸的胃内容物和肠道内容物进行了食性组成与寄生虫群落的表征分析。在五头个体中共检测到四大类主要猎物，且个体间差异显著。Grimothea spp. 在所有鲸类个体中均有出现，并在胃内容物的猎物来源读段中占绝对优势（97.6%），其估计出现指数（%FOO = 100，POO = 54.5，基于18S）亦处于较高水平。桡足类（Calanoid copepods）为第二大常见猎物类群（1.4%），在三个个体中检出。灯笼鱼科（Myctophid）鱼类（0.6%），包括Lampanyctus parvicauda和Triphoturus oculeus，在两头个体中被检出，此前在塞鲸食性中未见记录。磷虾类（Euphausiids，0.4%）仅在单个个体中检出。宏条形码分析还检测到归属于寄生虫的DNA，包括吸虫（trematodes）、绦虫（cestodes）和寄生原虫（parasitic protozoans），在所检视的每头鲸类个体中均有发现。Homalometron spp. 在各个体中表现出最高的读段丰度，绦虫属Tetrabothrius亦持续存在。研究人员还检测到Adenocephalus spp.，将该属的已知宿主范围扩展至大型须鲸；以及Cryptosporidium spp.，据研究人员所知，该属此前尚未在塞鲸中有过报道。总体而言，上述研究结果为在智利南部觅食的塞鲸的营养生态学提供了新见解，并强化了Grimothea spp. 作为南半球海洋生态系统中关键猎物资源的生态重要性。本研究还凸显了DNA宏条形码技术在从濒危鲸类稀有尸检材料中同时恢复食性与寄生虫相关信号的潜力。

论文解读

一、研究背景与科学问题

准确刻画动物食性是理解生态功能、栖息地利用、觅食策略和物种互作关系的基础，同时也是评估物种对环境变化的响应以及制定物种和生态系统保护策略的关键信息。与此同时，野生动物寄生虫群落的记录已被视为重要的保护议题，原因在于人畜共患病的风险以及新发病原体与栖息地改变和气候变化之间的关联。在海洋生态系统中，须鲸科鲸类是最大的消费者之一，在远洋食物网和生物地球化学过程中发挥重要作用。然而，鲸类长期生活于水下，直接观察其摄食行为极为困难，传统的食性重建主要依赖对胃、肠道和粪便内容物中抗性猎物残骸的形态学鉴定，这种方法在猎物高度消化或缺乏可辨识硬质结构时存在明显局限。

塞鲸（Balaenoptera borealis）是须鲸中研究最少的物种之一，目前被列入IUCN红色名录濒危等级。该物种分布于全球各大洋盆地的温带至高纬度海域，但在南半球，其营养生态信息极为有限。在智利，塞鲸主要记录于北巴塔哥尼亚（41°–42°S）、麦哲伦海峡周边（53°–54°S）及中部区域（36°S），但此前仅有通过直接观察记录到麦哲伦海峡塞鲸摄食沙丁鱼（Sprattus fuegensis）的单一报告，以及一项基于四份塞鲸粪便样本的分析，表明其食性以蹲龙虾（Grimothea gregaria，旧称Munida gregaria）为主。此外，智利海域塞鲸种群的内寄生虫记录完全缺失。鉴于摄食习性和寄生虫多样性等基础生物学信息对濒危物种有效保护的关键意义，研究人员利用DNA宏条形码技术，对智利南部五头搁浅塞鲸的胃和肠道内容物进行了食性组成评估和寄生虫存在描述，旨在填补该区域塞鲸营养生态与寄生虫多样性的知识空白。

二、研究设计与技术方法

研究人员在智利南部Sernapesca采样许可下，从七头搁浅塞鲸个体中采集了八份消化内容物样本（五份胃内容物、三份肠道内容物），样本来源包括2015年Penas湾（46°46′S；75°32′W）的搁浅事件（四头个体，保存于智利Austral大学蓝鲸中心实验室）以及Río Seco自然历史博物馆收藏的标本（三头个体）。样本原始体积介于250至3000 mL之间，采集后经乙醇保存并于?20°C冷冻。分子分析中，每份样本取15–45 mL复合子样本，经匀质化后约300 mg用于基因组DNA提取（DNEasy PowerSoil Pro试剂盒，Qiagen）。宏条形码文库采用两个互补的DNA条形码区域：线粒体细胞色素c氧化酶亚基I基因（COI）约313-bp片段（引物mlCOIintF/jgHCO2198）和核糖体18S rRNA基因300–500-bp片段（引物SSUF04/SSURmod），在Illumina MiSeq平台进行双端测序（2×250 bp）。生物信息学分析经Cutadapt、Trimmomatic和PRINSEQ质控后，在R环境中使用DADA2包进行扩增子序列变异（ASV）推断，并基于南太平洋和南大西洋的MetaZooGene参考数据库（Mode-C）进行朴素贝叶斯分类器物种注释，最低bootstrap置信阈值为50%。潜在污染物ASV通过decontam包（prevalence方法）过滤，单例ASV（读段数<2）亦被剔除。

三、研究结果

3.1 测序与数据处理

八份消化内容物样本中有六份成功提取DNA。经质量过滤和生物信息学处理后，COI和18S扩增子分别保留2,167,498和2,181,103条读段。去除宿主来源序列后，最终数据集包含COI 609,393条读段（平均每样本101,566 ± 28,325条；1405个ASV）和18S 1,463,415条读段（平均每样本243,903 ± 34,085条；466个ASV）。稀释曲线在多数样本中达到饱和，表明测序深度足以捕获样本中的主要分类学信号。

3.2 食性组成的分子分析

COI结果显示，塞鲸DNA存在于全部六个分析样本中，占扩增子读段的91%。共鉴定出11个门类，猎物读段中，软甲纲（Malacostraca）占36.1%，由Grimothea和Euphausia属代表；桡足纲（Copepoda）占32.5%，由Calanus、Subeucalanus和Eucalanus属代表；辐鳍鱼纲（Actinopterygii）占31.4%，包括灯笼鱼科Triphoturus和Lampanyctus属。就出现频率而言，软甲纲是最常检出的猎物类群（%FOO = 66.7，POO = 22.2），其次为Subeucalanidae科（%FOO = 50.0，POO = 16.6）。18S数据集揭示了22个门类，猎物读段中软甲纲占99.9%，其中Grimothea属占绝对优势（87,403条读段，占该扩增子猎物读段的99.9%）。就出现频率而言，Munididae科是最常检出的猎物分类单元（%FOO = 100，POO = 54.5）。18S扩增子还指示了吸虫纲（Trematoda）和绦虫纲（Cestoda）寄生蠕虫的存在，以及寄生原虫（Conoidasida纲）中Lecudinidae、Cryptosporidiidae和Eimeriidae科的代表。

3.3 个体水平模式

个体B21（幼年雄性）的胃内容物猎物由Subeucalanidae科（26.3%）和Eucalanidae科（26.3%）的哲水蚤以及Munididae科蹲龙虾（47.4%）组成；寄生虫方面，Homalometron属吸虫占寄生虫读段的79.2%。个体B22（幼年雌性）的胃和肠道内容物揭示了Subeucalanidae科哲水蚤（16.9%）、Grimothea gregaria蹲龙虾（37%）和灯笼鱼Triphoturus oculeum（16.8%）的存在；该个体检出的寄生虫中97.1%为Homalometron属吸虫。搁浅于Porvenir的成年雌性B1中，100%的猎物属于Munididae科；寄生虫中99%为Plagiorchiida目吸虫（68.4%）和Homalometron属（31.2%）。搁浅于Puerto Williams的成年雌性B2中，97%的猎物对应Munididae科，其余包括Myctophidae和Salmonidae科鱼类（1%）、哲水蚤和剑水蚤（0.8%）以及磷虾（0.4%）；寄生虫包括Lecudinidae科原虫（57.4%）、Tetrabothrius属绦虫（30%）和Homalometron属吸虫（8%）。搁浅于Puerto Natales的幼年雄性B3中，软甲纲甲壳动物被鉴定，其中Munididae科占优势（67%）；吸虫占该鲸寄生虫的99%。

四、讨论与结论

研究人员指出，消化内容物中检测到的原生动物、轮虫、刺胞动物、海鞘和绿藻等类群不太可能代表主要猎物，更可能反映滤食过程中对附着于猎物或悬浮于水柱中的生物的偶然摄入。在主要猎物中，Grimothea spp. 在所有个体中以高读段丰度和高出现指数占据绝对优势，这与先前巴塔哥尼亚塞鲸胃内容物中G. gregaria的记录一致，并强化了该物种作为南半球海洋生态系统中关键猎物资源的生态重要性。哲水蚤作为第二大猎物类群，与塞鲸鲸须形态学特征所支持的摄食效率一致。灯笼鱼科鱼类Lampanyctus parvicauda和Triphoturus oculeus的检出扩展了其已知分布范围至智利南部（46°–51°S），且为塞鲸食性中的新记录。Salmonidae科鱼类的检出可能反映养殖鲑鱼逃逸或自然化种群的存在，提示鲸类觅食与人类活动之间存在潜在生态互作。个体间食性差异表明塞鲸具有灵活的机会性觅食行为，可能受当地猎物可用性和能量权衡驱动。

寄生虫方面，Homalometron属吸虫在所有个体中均被检出且读段丰度最高，可能源于水柱中自由生活的尾蚴被鲸类滤食摄入，或猎物本身携带该寄生虫。Tetrabothrius属绦虫的持续存在与先前巴塔哥尼亚塞鲸中的记录一致。Adenocephalus spp. 的检出将该属已知宿主范围扩展至大型须鲸。Cryptosporidium spp. 在塞鲸中的检出属首次报道，扩展了该寄生虫的已知宿主范围。Lecudinidae科和Eimeriidae科原虫可能分别源于被偶然摄入的海洋无脊椎动物宿主和猎物鱼类所携带的寄生虫。研究人员强调，宏条形码技术虽能实现高分类学分辨率的寄生虫群落定性表征，但无法可靠估计寄生虫负荷或感染强度。

研究结论指出，对五头塞鲸的分析提示智利南部存在此前未被记录的以Grimothea gregaria为主的营养依赖，凸显了区域猎物动态对塑造塞鲸觅食生态的重要性，并强调了将此类营养联系纳入保护规划的必要性。研究结果揭示了塞鲸的营养可塑性，并强化了Grimothea spp. 作为南半球生态系统潜在关键物种的重要性。Adenocephalus spp. 在塞鲸中的报告扩展了该属的已知宿主范围至大型须鲸，而Cryptosporidium spp. 在该物种中的存在属首次记录。尽管DNA宏条形码是高效的工具，但食性组成的定量评估和寄生虫感染机制的深入理解仍需补充性技术的支持。