鹞落坪保护区典型农林交错带传粉昆虫多样性及其与环境因子间的关系

姚晨晨, 侯银续, 郭东旭, 万 霞

(1. 安徽大学资源与环境工程学院, 合肥 230601; 2. 湿地生态保护与修复安徽省重点实验室, 合肥 230601; 3. 安徽省疾病预防控制中心, 合肥 230601)

地球上约87.5%的被子植物依赖动物传粉,昆虫在所有传粉动物中占据主导地位[1]。传粉昆虫与开花植物在长期协同进化过程中形成了自然界中主要的能量传递,对维持全球生物多样性、生态系统的平衡和相对稳定发挥重要作用[2-3]。然而,随着人为干扰加剧、气候变暖、栖息地大量被破坏以及杀虫剂的不合理使用,全球范围内的传粉昆虫多样性正急剧减少和丧失,对生态系统传粉服务功能和人类福祉产生显著的负面影响[4-5]。我国是传粉昆虫资源最丰富的国家之一,但由于前期研究基础薄弱,在传粉昆虫的现状、作用及保护策略等方面的研究远落后于欧美国家。已有研究也多关注常见的、具有特定生态与经济价值的传粉蜂类及一些有指示作用的蝶类[6-7],缺乏大范围的野生传粉昆虫多样性调查研究,存在现状不清、对未来发展预测缺乏等问题[8]。因此,在当今全球传粉昆虫多样性下降的大趋势下,许多未经调查区域的传粉昆虫也面临着即将丧失的危险,开展传粉昆虫多样性的研究、保护与利用刻不容缓。

传统生物多样性研究中常用的测度指标包括物种丰富度指数、Shannon指数、Simpson指数、均匀度指数等,这些指标主要基于经典形态学的物种识别,包含了群落中物种个体数目和相对多度的信息。然而,随着各项研究方法和技术的发展,有研究认为这些指标已不再完全适用[9]。准确的物种鉴定是生物多样性估计、物种保护的必要前提。传粉昆虫种类繁多,同一物种内往往存在外部形态差异显著的雌雄二型、不同季节的色斑型等现象,给基于形态学分类的物种鉴定带来了前所未有的挑战[10-11]。近年来,DNA条形码(DNA Barcording)技术及系统发育关系构建在群落生态学、生物多样性调查和保护中日益受到关注,已广泛应用于物种的识别或新种和隐种的发现[12-14]。基于DNA条形码构建的系统发育树是研究系统发育多样性的重要基础,能够反映物种间的系统发育关系与进化信息,因此,Faith提出将系统发育多样性(Phylogenetic diversity, PD)作为度量指标,用来衡量群落中不同物种的系统进化程度,PD指数的计算主要依赖所构建的系统发育树各分支的长度,是对基于经典形态学分类的多样性指数的有效补充,为更好评估区域生物多样性提供新的视角和方向[15]。

鹞落坪国家级自然保护区位于安徽省岳西县境内(116°02′～116°11′E, 30°57′～31°06′N),总面积123 km2,地理上具有“南北过渡,襟带东西”的显著特征,是次生植被保存较完好的北亚热带森林生态系统,其复杂的生态环境、丰富的食物资源为各种昆虫的生存、繁衍等提供了良好的条件[16]。但目前有关保护区昆虫多样性(尤其是传粉昆虫多样性)的研究仅有一些零星的报道[17-18],未将形态学分类方法和DNA Barcoding技术联合用于传粉昆虫的分类鉴定中,并且保护区内传粉昆虫的物种多样性、系统发育多样性及其与环境因子间的关系也缺少分析。因此,鉴于保护区农林交错带蕴含的丰富生物多样及其特有的地理区位,非常有必要开展交错带的传粉昆虫多样性研究,以期为大别山资源昆虫的保护与利用、生态环境监测以及北亚热带生物多样性保护等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查方法

选取保护区内两个具有典型农林交错带特征的区域:中畈村(海拔高度500～800 m)和鹞落坪村(海拔高度800～1 200 m),共设置4条样线,每条样线约2 km,从2019年10月—2021年10月采用网捕法沿样线对生境区域内的传粉昆虫进行了调查,采样时间选择在植物花期内及昆虫活动较频繁的9:00—17:00,以15 min为一个时间段,观察、记录在规定时间内遇到的每种开花植物植株上的传粉昆虫种类及数量,拍照并摄像后,将其捕捉存于75%的酒精离心管中;利用GPS记录样线的海拔,并在离心管上标明日期、地点和采集者,带回实验室保存、整理及鉴定。各样线详细信息见表1。

表1 样线生境特征及植物群落组成Table 1 Habitat characteristic and constitution of plant communities in transects

1.2 DNA提取、PCR扩增及测序

取昆虫样本胸部或腿部肌肉组织,使用血液/细胞/组织试剂盒提取样品的总DNA 。COI 基因片段的扩增引物选择通用引物LCO-1490和HCO-2198[19]。PCR反应总体系为25 μL,包含10×buffer 2.5 μL,dNTPs 2 μL,上下游引物各1.0 μL,Taq聚合酶0.15 μL,DNA模板3.0 μL,ddH2O补齐体积。PCR反应条件:94 ℃预变性2 min;94 ℃变性20 s,47 ℃退火50 s,72 ℃延伸1 min,35个循环;最后72 ℃再延伸9 min。扩增产物由通用生物(安徽)股份有限公司进行COI基因片段纯化及双向测序。

1.3 物种鉴定

依据形态学分类特征以及将所扩增的COI基因序列分别在BOLD系统(http:∥www.barcodinglife.org)中的“IDENTIFICATION”功能进行比对、或在GenBank数据库(http:∥www.ncbi.nlm.nih.gov)中进行Blast相似性搜索对物种进行鉴定。

1.4 数据分析

1.4.1 条形码序列分析及系统发育树构建

使用Chromas软件查看所测序列的峰图质量并进行人工校对,确保DNA序列的可靠性。经校对的序列用MEGA 6.0进行比对分析,共得到无碱基缺失并能翻译通过的序列288条,序列长度为654 bp。利用DnaSP V6.1软件计算数据集中的碱基组成频率(A/T/C/G)、变异位点、简约信息位点、核苷酸多态性及单倍型组成等信息[20]。从每个物种中随机挑选1条序列,共92条序列,利用IQ-TREE(http:∥iqtree.cibiv.univie.ac.at)基于最大似然法(Maximum likelihood, ML)构建系统发育树[21],选择半翅目同蝽科黑刺同蝽(Acanthosomanigrospina)作为外群。

1.4.2 物种多样性指数和系统发育多样性指数

物种多样性分析选择Marglef丰富度指数(AMg)、Shannon指数(H)、Simpson指数(R)及Invsimpson指数(R′)4个指标,计算公式如下:

Marglef丰富度指数(AMg)

(1)

其中,S代表物种数,N代表总体个体数;

Shannon指数(H)

H=-∑PilnPi

(2)

其中,Pi=Ni/N,Pi为样本中昆虫i的个体数比例,Ni为群落中昆虫i的个体数,N为昆虫个体总数;

Simpson指数(R)

(3)

Invsimpson指数(R′)

(4)

其中,Pi为样本中昆虫i的个体数比例。

利用R语言中的vegan包、picante包分别计算不同样线中传粉昆虫的物种及系统发育多样性指数。

1.4.3 物种多样性、系统发育多样性、环境因子之间的关系

从世界气候数据库WorldClim v1.4(http:∥www.worldclim.org)中选取19个环境因子(Bio1～Bio19),包括年平均气温(Bio1)、年平均日较差(Bio2)、等温性(Bio3)、温度季节变化(Bio4)、最热月份最高温(Bio5)、最冷月份最低温(Bio6)、年较差(Bio7)、最湿润季度平均气温(Bio8)、最干旱季度平均气温(Bio9)、最温暖季度的平均温度(Bio10)、最冷季度的平均温度(Bio11)、年降水量(Bio12)、最湿润月份的降水量(Bio13)、最干旱季度的降水量(Bio14)、季节性降水量(Bio15)、最湿润季度的降水量(Bio16)、最干旱季度的降水量(Bio17)、最温暖季度的降水量(Bio18)、最冷季度的降水量(Bio19)。利用函数cor.test (),lm ()对各样线传粉昆虫物种多样性、系统发育多样性与该区域环境因子间进行Pearson相关性分析并构建回归模型。同时,为避免各环境因子间存在共线性,本研究基于相关性和冗余分析(RDA)对19个环境因子进行筛选。

2 结果与分析

2.1 DNA条形码序列遗传特征

研究共得到COI序列228条,长度为654 bp。利用DnaSP V6.1对数据进行分析,序列中G+C含量为0.30,多态性位点(Number of polymorphic/segregating sites)为428,总突变数目(Total number of mutations)为819,核苷酸多态性(Nucleotide diversity)为0.218 89,单倍型数目(Number of Haplotypes)为149,单倍型多态性(Haplotype diversity)为0.994 0。

2.2 传粉昆虫群落组成及优势种

依据BOLD数据库和GenBank数据库对序列进行比对,并结合形态学分类特征对物种进行鉴定,结果显示4个农林交错带共采集到传粉昆虫2 551只,隶属于4目(膜翅目、双翅目、鞘翅目、鳞翅目)的34科73属92种(表2)。其中,中华蜜蜂Apiscerana(362只)、三条熊蜂Bombustrifasciatus(243只)、灰带管食蚜蝇Eristaliscerealis(733只)和东方菜粉蝶Pieriscanidia(165只)均超过总个体数的6%,为区内的优势种(表3),所有优势种在各样线中均有分布。

表2 不同样线传粉昆虫群落组成Table 2 Community composition of pollinators in different transects

表3 鹞落坪自然保护区传粉昆虫优势种(个体数≥30只)Table 3 The dominant species (individual≥ 30) of pollinators in Yaoluoping Nature Reserve

2.3 物种多样性、系统发育多样性及相关性分析

物种多样性指数计算结果表明(表4),样线Ⅰ(以农田为主)具有比样线Ⅱ和Ⅲ(以森林为主)明显更高的物种多样性,并且样线Ⅲ的物种多样性较低;Simpson指数与Invsimpson指数之间呈现显著正相关(r>0.8,P<0.05),与Shannon指数之间不存在相关性(P>0.05)。采用基于ML法构建的系统发育树拓扑结构对PD指数进行了计算(表4),并对物种多样性指数和PD指数进行相关性检验,表明PD指数与物种多样性之间不存在显著相关性(P>0.05),与物种丰富度指数存在显著正相关(P<0.05)。

表4 物种多样性指数和系统发育多样性指数Table 4 Species diversity index and phylogenetic diversity index

2.4 多样性指数与环境因子间的相关性关系

为分析鹞落坪自然保护区传粉昆虫物种多样性指数、系统发育多样性指数(PD)及其与环境因子之间的关系,利用R语言中Vegan包对19个环境变量与4条样线传粉昆虫PD指数之间进行Pearson相关性分析,结果表明,所有环境因子中有14个环境因子(Bio1, Bio4～13, Bio16, Bio18～19)与PD指数存在线性相关关系(P<0.05)。通过冗余分析(Redundancy analysis, RDA)对环境因子进行筛选,结果表明环境因子Bio1(年平均气温)和Bio4(季节性温度变化方差)对PD指数具有显著影响(图 1)。对PD指数与环境因子之间进行相关性分析和线性回归,结果表明2个环境因子与系统发育多样性指数之间具有显著正相关性,分别是年平均气温Bio1(R=0.992 3,P=0.007 7)和季节性温度变化方差Bio4(R=0.991 2,P=0.008 8)(图2)。物种多样性指数与环境因子之间的Pearson相关性分析则表明,传粉昆虫物种多样性指数(Shannon指数和Simpson指数)与环境因子之间不存在相关性,但物种丰富度指数(物种丰富度和Marglef丰富度指数)与温度因子和湿度因子均存在相关性,冗余分析支持温度因子对物种丰富度影响更显著。

图1 系统发育多样性与环境因子间RDA分析Figure 1 RDA analysis of phylogenetic diversity and environmental factors

图2 系统发育多样性与不同环境因子之间相关性分析Figure 2 Correlation analysis between phylogenetic diversity and different environmental factors

3 讨论与结论

本文较系统地研究了鹞落坪国家级自然保护区农林交错带传粉昆虫多样性,并分析物种多样性、系统发育多样性及其与环境因子间的关系。4个农林交错带共采集到传粉昆虫2 551只,经鉴定隶属于4目34科73属92种,其中,4个物种即中华蜜蜂、三条熊蜂、灰带管食蚜蝇和东方菜粉蝶是该区开花植物上的优势种。本次调查的传粉昆虫种类数量足以说明昆虫在显花植物授粉、维护农林生态系统平衡和稳定等方面的重要性。

传统生物多样性测量常用物种丰富度指数等作为测度指标,这些指标将物种作为等价的研究单元,容易忽略不同物种对生物多样性的贡献大小[10]。系统发育多样性则从物种的亲缘关系层面来衡量一个区域内物种间的分歧程度,考虑不同物种间的系统发育关系,能更准确和全面地预测总体生物多样性格局[16]。本研究分别对物种多样性及系统发育多样性指数进行了计算,结果表明样线Ⅰ比样线Ⅱ、样线Ⅲ的物种多样性更高,这主要是样线Ⅰ为保护区内的主要农业区,种植有小麦、玉米、大豆等多种农作物,作物的多样化为传粉昆虫提供了良好的食物源和栖息地,因而该区域内传粉昆虫多样性明显较高;同时,多种传粉昆虫也为农作物提供了更好的授粉服务,保障了作物的品质和产量,对维持农田生态系统的平衡具有重要作用[4]。而样线Ⅲ临近保护区内的旅游区,受到较为剧烈的人为干扰的影响,导致传粉昆虫多样性明显较低。不同样线的传粉昆虫系统发育多样性与物种丰富度指数之间存在显著相关性,而与物种多样性指数之间不存在相关性。这一结论也在动植物等多个类群的研究中都得到了证实[22-24],表明对分类地位不同的物种或区域开展评估和制定保护策略时,应综合考虑物种多样性和系统发育多样性。

因气候改变、人类干扰加剧、土地利用集约化以及杀虫剂的大量使用导致传粉昆虫正面临灭绝的威胁[5],深入分析环境因素对传粉昆虫多样性的影响日益受到重视。本文的分析结果表明所选择的19个环境因子中的14个与系统发育多样性指数存在线性相关关系;冗余分析(RDA)则进一步表明年平均气温、温度季节变化方差与系统发育多样性间存在显著正相关性(P<0.05)。物种丰富度指数与温度和湿度因子也均存在相关性,而温度因子对丰富度影响更显著,支持温度是影响传粉昆虫多样性的重要生态因子[25]。温度升高和气候变暖则通过影响传粉昆虫的生存、发育、栖息环境以及开花植物的物候期,进而导致其丰富度、分布格局和种间关系等发生变化[26-27]。在全球气候变暖的大背景下,鹞落坪国家级自然保护区也显现了北亚热带森林生态系统的脆弱性,其蕴含的丰富生物多样性受到极大的威胁,进而也会对该区传粉昆虫及开花植物群落造成严重影响。因此,在后续有关传粉昆虫的保护中,不仅要选取传粉昆虫作为指示物种,也要选取响应的开花或蜜源植物作为指示物种,通过它们的协同或不协同的响应来监测和评估保护区的生态环境变化,为更好地制定资源昆虫保护策略提供科学依据。