东北地区驼鹿种群扩散模式、肠道微生物及寄生虫对气候变暖的响应研究

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驼鹿(Alces alces)作为热敏感的全球代表性物种,对高温耐受性较低。由于气候变暖迫使我国东北地区驼鹿不断向高纬度、高海拔地区退缩,致使该物种在过去的40年里丧失了近一半的历史分布区。因此,驼鹿是研究气候变暖对大型哺乳动物影响效应的理想物种。为阐明气候变暖背景下驼鹿种群的调控机制,本研究通过种群遗传分析、粪便显微分析、营养含量测定以及微生物组学测序,评估气候变暖对驼鹿种群的扩散行为驱动效应,并揭示驼鹿遗传、营养和肠道微生物等对空间异质性变暖的适应机制和调控过程。同时,分析不同种群粪便遗传样本,从遗传学视角量化驼鹿种群的扩散模式,对比不同扩散模式之间驼鹿肠道微生物群落组成和功能结构差异,并阐明肠道微生物的影响因素特征。最后,对比不同驼鹿种群扩散模式之间寄生虫的感染率和感染强度差异,分析不同类型寄生虫感染的影响因素,以揭示寄生虫-宿主拮抗作用的生态驱动机制。主要研究结果如下:1、气候变暖对驼鹿种群肠道微生物、营养和基因流的影响应用贝叶斯法评估驼鹿种群近期扩散强度和方向,运用网络分析探究环境条件对驼鹿种群退缩过程中基因流、营养策略和肠道微生物群适应的级联影响。结果表明,基因流动的方向和强度与全球变暖导致驼鹿种群向北退缩的趋势一致,但不同种群之间的扩散率有所不同,即较冷的北部局域驼鹿种群迁入率更高,而较温暖的南部局域种群迁出率更高。此外,晚春温度升高与植物群落组成特征有关,并通过食物丰富度、食物质量变化促进驼鹿的取食策略调整,进而影响粗蛋白和碳水化合物摄入量的响应变化。驼鹿的关键宏营养素与Anaerotruncus(粗蛋白:r=-0.364,p=0.031),罗氏菌属(Roseburia,粗蛋白:r=0.395,p=0.019;碳水化合物:r=-0.449,p=0.007),瘤胃球菌属(Ruminococcus,碳水化合物:r=0.408,p=0.015)、肠球菌属(Enterococcus,碳水化合物:r=-0.355,p=0.037)、糖酵解II(来自果糖6-磷酸)(glycolysis II(from fructose 6-phosphate),碳水化合物:r=0.345,p=0.042)、L-组氨酸降解I(L-histidine degradation I,碳水化合物:r=0.479,p=0.004)以及异戊二烯生物合成I(Isoprene biosynthesis I,碳水化合物:r=0.346,p=0.042)显著相关。这些食物组成的营养成分调整伴随着肠道微生物组成,及其营养代谢通路的空间异质性响应。2、气候变暖对不同扩散模式驼鹿种群肠道微生物的影响量化驼鹿种群的扩散模式并结合16s r RNA和宏基因组测序技术探索不同扩散模式之间宿主与肠道微生物组成和功能结构的生态驱动机制。结果表明,我国东北地区驼鹿种群在向北退缩过程中正在经历两种扩散模式,即:扩散种群和隔离种群。扩散种群由东南至西北扩散,而隔离种群处于相对稳定的种群动态。其次,扩散和隔离种群间肠道微生物组成以及与消化和食性组成相关的功能通路丰度也存在显著差异。罗氏菌属(Roseburia,p=0.039)、Faecalibacterium(p=0.039)、rc4-4(p=0.011)、Bulleidia(p=0.030)和埃希氏菌属(Escherichia,p=0.035)的丰度在扩散与隔离驼鹿种群之间存在显著差异。HUMAn N2结果表明扩散与隔离驼鹿种群之间亦存在丰度差异显著的功能结构。特别是,与隔离种群相比,扩散种群中的UDP-N-乙酰胞壁酰五肽生物合成(UDP-N-acetylmuramoyl-pentapeptide biosynthesis,I:p=0.013;II:p=0.025)和肽聚糖生物合成I(Peptidoglycan biosynthesis I,p=0.016)通路的丰度显著富集。此外,与扩散种群相比,隔离种群的L-组氨酸降解I(L-histidine degradation I,p=0.032)和鸟苷四磷酸生物合成(pp Gpp biosynthesis,p=0.035)通路的丰度更高。同时,在扩散种群肠道细菌中,厚壁菌门、拟杆菌门以及厚壁菌门/拟杆菌门比值在沾河-南瓮河-漠河种群间呈现出明显且连续的变化趋势。然而,在隔离种群中未发现类似规律。最后,影响驼鹿肠道微生物群落的关键环境变量也随着宿主不同扩散模式而发生变化。隔离种群的肠道微生物群仅与环境温度有关,而扩散种群与经度和粗蛋白摄入有关。3、气候变暖对不同扩散模式驼鹿种群寄生虫感染的影响通过饱和糖盐水漂浮法和麦克马斯特计数法比较分析不同扩散模式之间驼鹿种群寄生虫的种类及感染强度,以揭示驼鹿扩散行为与寄生虫拮抗作用的生态驱动机制。结果表明,东北地区驼鹿种群感染寄生虫较为普遍,个体感染率达72.06%,来自68只个体的198份粪便经过寄生虫虫卵检测后发现驼鹿感染寄生虫共4纲8个类型。分别是线虫纲:细颈线虫、蛔虫、鞭虫、圆线虫和未知线虫;绦虫纲:绦虫;孢子虫纲:球虫;吸虫纲:吸虫。其中,个体感染率最高的是细颈线虫,占35.29%,其次是球虫,占33.82%;从寄生虫平均感染强度来看,平均感染强度较高的是球虫(24.38个/克)和绦虫(23.96个/克)。此外,胃肠道寄生虫的感染与宿主的基因交流强度间呈现生态响应,气候变暖与寄生虫感染强度之间均呈显著的正反馈关系,但在隔离种群中气候变暖对寄生虫风险传播的影响更加明显(Pearson’s,扩散种群:r=0.541,p=0.025;隔离种群:r=0.942,p<0.0001)。与此同时,不同扩散模式驼鹿种群寄生虫感染相关的影响因子不同,且扩散引起的种群间寄生虫感染特征可能与环境压力激素变化引起的宿主应激反应有关。
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