孵化环境和亲本对龟发育和孵化的影响外文翻译资料

孵化环境和亲本对龟发育和孵化的影响

原文作者：Boris Tezak

单位：Department of Biological Sciences, Florida Atlantic

摘要：对爬行动物来说，胚胎在发育过程中所经历的环境对许多生物起着重要作用。 前所未有的气候变化速度使弄清楚孵化环境对胚胎发育的影响变得至关重要，特别是对于像龟这样的濒危物种。因此，现在有许多研究集中在不同的环境条件对发育过程和孵化特征的影响上。除了孵化环境之外，了解亲对孵化质量的影响也很重要。本实验是首次对亲本和孵化条件对龟胚胎发育和孵化产生影响的研究。本文中我们使用蠵龟(Caretta caretta)来研究亲本、孵化温度和巢周围的环境对胚胎发育、孵化时间、孵化成功率和孵化性状的影响。结果表明，巢内水分和温度对发育后三分之一阶段的胚胎质量有显著影响，孵化体积大小与巢内水分含量呈正相关，不论孵化条件如何，亲本对孵化成功率和孵化体积都有很大影响。本实验的结果考虑了在野外孵化条件下影响龟胚胎发育的多种因素，这是解释气候变化对爬行动物发育潜在影响需要考虑的基本因素。

关键词：亲本影响；表型可塑性；巢穴湿度；巢穴温度。

介绍

胚胎发育是一个复杂的过程，它受到许多因素的影响，从胚胎的基因组成到孵化的环境(Gilbert and Epel，2015)。在龟中，产卵的雌龟会把它们的卵埋在陆地底层，让它们在没有父母照料或巢穴照管的情况下孵化(Miller，1997)。由于发育中的龟胚胎对外界环境条件很敏感，许多研究集中在了解孵化环境(如温度和湿度)与孵化龟表型之间的关系上(Ackerman 1997; Packard and Packard 2001; Erbet al. 2018)。孵化温度对大多数龟的性别决定、孵化成功率、孵化时间、孵出幼体的大小和质量、发育异常，甚至孵化后的运动和行为都有重要的影响(Mrosovsky and Yntema 1980;Elphick and Shine 1998; Booth et al. 2004; Siviter et al.2017; Zimm et al. 2017; Erb et al. 2018)。尽管对基质湿度的研究远少于对温度的研究，基质湿度对龟胚胎的孵化也有着重要的影响（Packard et al. 1987, 1989; Wyneken and Lolavar 2015; Sifuentes-Romero et al. 2018)。外界的水分含量越高，蛋吸收的水分就越多，尤其是那些卵有多孔性、羊皮纸壳的龟，比如海龟(Packard et al. 1989; Wyneken and Lolavar 2015; Tezak et al. 2018)。卵吸水量的增加与较长的孵化期以及更大更重的幼仔有关(Janzen et al. 1995; Tucker et al. 1998; Delmas et al. 2008)。这些结果揭示了理解温度和湿度如何相互作用于幼体表型性状的重要性，因为它们对个体的生存(包括体型、运动性能等)和种群(如孵化成功率和性别比)起着关键作用。然而，尽管我们认识到彻底了解环境和胚胎发育之间的关系是很重要的，但了解不同母本的卵子如何对孵化环境产生不同的表型多样性也至关重要(Maloney et al.1990)。

母体效应在自然界中是普遍存在的，当母亲的环境或表型独立于遗传基因影响她后代的表型时，母体效应就可以被定义(Bernardo 1996; Mitchell et al.2013)。母体效应可能发生的机制有很多，从后代基因表达的表观遗传改变(Weaver et al. 2004; Mitchell et al.2013)到发育期间的激素水平(Sherif et al.2010)，再到筑巢地点的选择(Mitchell et al.2015)。在同一物种内，产卵龟在繁殖性状和投资策略上表现出较高的表型差异(Wallace et al.2007)。大量的研究表明，母本可以影响许多性状，包括孵化成功率、幼体大小、孵化后的生长率，甚至幼体的性别(Brooks et al. 1991; Steyermark and Spotila，2001; Mitchell et al.2015; Reneker and Kamel，2016)。值得注意的是，父本也可能在胚胎发育中起作用;然而，据我们所知，目前尚未对龟的非遗传父系效应进行过研究。评估父本的影响尤其具有挑战性，因为许多龟的卵群有多重父系关系（一个以上雄性的精子可以在一个卵群中使不同的卵受精），而且雄性很少上岸，因此很难接近和取样(Lasala et al.2018)。因此，了解亲本对龟胚胎发育和孵化表型的影响仅限于巢址选择、卵大小、卵黄含量和孵蛋大小等指标(Hewavisenthi and Parmenter，2002; Kamel and Mrosovsky，2004)。

因为气候的变化，许多研究都聚焦于孵化条件如何影响胚胎发育(Hays et al.2003; Hawkes et al.2007, 2009; Wyneken and Lolavar，2015; Laloeuml; et al.2017; Monsinjon et al.2019)。然而，其他人为因素(污染、栖息地破坏、微生物组合变化等)将如何影响其亲本的健康以及这些因素如何反过来影响亲本仍然是未知的。在本实验的研究中，我们用赤海龟(Caretta caretta)研究了原始母本身份(窝卵)、孵化温度和巢周围环境对胚胎发育率、孵化时间、孵化成功率和胚胎大小的影响。本文是第一个研究母本和孵化条件对龟胚胎生长速率和孵化表型影响的研究。本文特别回答了以下问题。(1)孵化温度和湿度是否影响海龟胚胎的生长?(2)孵化环境(温度和湿度)和亲本是否影响发育时间?(3)孵化环境和亲本是否影响可存活后代的数量?(4)孵化环境和亲本如何影响孵化表型? 该实验的结果明确了在孵育环境下龟发育反应变化的背景来源, 这是解释气候变化对龟发育的潜在影响时的基本考虑。

材料和方法

卵的收集和孵育处理

在美国佛罗里达州朱诺海滩(Juno beach,Florida)龟产卵的当天晚上(08-21-2018),收集了6只雌性赤蠵龟(窝卵数分别为123、115、120、105、75和70枚)的卵。每个卵都用防水的彩色铅笔在壳上做了标记。将19公升(5加仑)桶装的卵用湿沙覆盖，然后立即由车辆南行65公里，运往美国佛罗里达州博卡拉顿(Boca Raton)的热带沙滩。卵均匀地分布在美国佛罗里达州博卡拉顿海滩上的6个实验巢中(图1)。实验的巢穴被设计成三种不同的环境(潮湿、中度潮湿和干燥) ，分别位于有部分遮荫的巢穴位置(博卡海滩俱乐部;26.340133，-80.070635)或无遮荫的巢穴位置(西班牙河滩; 26.385274,-80.067032)。通过在巢室上方放置金属丝笼(60立方厘米)来保护巢穴免受捕食者和人类的干扰。这些鸟巢被铁丝笼上方的棕褐色遮光布遮蔽。

设计为“湿”和“中度湿”的巢穴在泳滩孵化期间，每天分别接收约50公升或约25公升淡水。设计为“干燥”处理的巢除了当地降雨量外，没有收到任何额外的水。每隔15min 用u22-001温度数据记录仪(Onset Computer Corp，精度plusmn;0.2°c，分辨率0.02°c)测量巢内温度，同时用decagon ec-5土壤水分探针在hobo数据记录仪[Onset Computer Corp]上测量巢内水分。模型h21-002，分辨率0.0007 m3sand/m3water (0.07%) ，精度plusmn;0.031 m3/m3(plusmn; 3.1%)]。

表1：实验设计及孵育处理。6只卵被均匀地分配到6个试验性巢中。实验巢被设计成“湿的”(用两个水滴表示)、“中度的”或“湿润的”(用一个水滴表示)或“干燥的”(没有水滴)，在任何一个阴影处(博卡海滩俱乐部)或无遮蔽的(西班牙河公园)巢穴。卵在饲养场中钝化，直到有最初的卵泡迹象(约45天)，然后按其原来的窝(同一母本)和孵化处理进行挖掘和分组。有绒毛的卵在30°plusmn;0.2°C孵育，直至孵化出卵。通过亲本来源(原始数据)和处理方法来鉴定孵化的幼仔。

胚胎和幼体的测量

在孵化期间，在5个不同的发育阶段(图2)，每个实验巢采集了6枚卵(每个原始巢采集1枚卵)，以评估整个发育过程中胚胎生长的差异。第一次成功发生在产卵后的第13天，随后又有4次收获，每次间隔4 ~ 6天(第19、25、30、34天)。在每次成功过程中记录了原窝卵重、卵含水量(g)、卵黄湿重(g)、胚胎湿重(g)、胚胎期(Miller et al. 2017)和胚胎大小直壳长(SCL)和弯壳长(ccl)。孵化40天后，每天检查所有实验巢是否有“滴漏”的迹象，即胚胎在蛋壳上穿孔(Yntema，1978)。在第45天出现滴漏现象后，将相应实验鸟巢的所有鸟蛋放入离海滩8公里(lt;15分钟)远的佛罗里达大西洋大学实验室的海滩沙中，用消毒海滩筑巢用的沙子敷在聚苯乙烯泡沫塑料箱上(20 cmtimes;15 cmtimes;23cm)。按原窝卵和孵化处理分组(图1) ，孵化温度30°plusmn; 0.2°c。在孵化和吸收剩余卵黄后，记录每只卵的孵化大小[直壳长(SCL)、直壳宽(SCW)、头宽(HW)]、质量(g)和孵化时间。在美国佛罗里达州博卡拉顿海滩日落后出现的当天，所有的幼仔都被放生。

图2：胚胎收获时间表。收获1期胚胎21.5ー22.5期，收获2期胚胎23ー24期，收获3期胚胎25期，收获4期胚胎26ー27期，收获5期胚胎28ー29期。这个范围包括器官发生和胚胎生长，没有收获幼体。

统计分析

所有统计分析均使用R (Team，2018)进行。在解决我们的具体问题之前，我们评估了作为湿度处理和地点的结果，实验巢之间的温度和湿度是否有显著的差异。以时间作为随机因素，用广义线性混合模型(glmm)比较巢温和巢内水分含量。然后通过成对比较分析显著项的组平均值。

（1）孵化温度和湿度会影响乌龟胚胎的生长吗？

广义线性混合模型(GLMM;log - linked Gamma分布)也被用来确定胚胎在孵化期间所经历的环境与其生长之间是否存在关系，即通过无蛋黄质量来测量。由于所有因素的每一层次都有多个来自每个母本的个体，所有模型都包括了母系来源，以解释取样的重复测量性质和遗传因素引起的变异(图1)。收获日(连续整数) ，处理(分类)和位置(随机分类)也包括在模型的预测变量。这些术语依次被删除，并与完整模型进行比较，以确定在取样期间哪些影响了胚胎质量。所有的GLMMs都是使用R组装“lme4”中的“Glmer”函数(Bates et al.2015)进行随机拦截实现的。为了确定是否存在显著的随机因素，使用对数-可能性方差检验比较有兴趣因素和无兴趣因素的模型。II型Wald卡方检验使用R中的“car”组件的方差分析函数来确定固定效应的显著性。当固定效应被认为是显著时，“Multcomp” R组件中包含的“Glht”功能（Hothorn et al. 2008)被用于使用Tukey对比对每个层次的手段进行多次比较。

（2）孵化环境(温度和湿度)和亲本来源是否影响发育时间？

在残差不能转化为正态分布的情况下，利用非参数分析方法探讨了孵化环境对孵化时间的影响。使用Wilcoxon秩检验来检验两个地点之间的差异，而使用Kruskal-Wallis秩和检验来确定处理的效果。用Dunn多重比较方法和Bonferroni修正建立了 Kruskal-Wallis 检验中重要项的成对比较(Dinno,2015)。

（3）孵化环境和亲本来源是否取决于春季可存活的数量？

为了确定孵化环境对孵化成功(孵化与未孵化)的影响，采用了随机截距GLMM，采用二项分布，其中处理作为固定因素，卵数和孵化地点作为随机因素。使用对数似然方差检验比较有和没有随机因素的模型，并使用II型Wald卡方检验估计固定因素的影响，再次检验随机因素的影响。

（4）孵化环境和亲本来源如何影响孵化表型？

鉴于所有测量指标都是同一属性(即孵化体积) ，趋势与所有测量指标相似(见“结果”) ，并且剩余卵黄储备可能会使质量测量错综复杂，我们将重点放在直甲壳长度(SCL)上，以评估孵化环境和亲代来源对孵化表型的影响。我们采用以SCL为依赖变量、以处理为依赖变量、以位点和不同组为随机变量截取线性混合模型。模型应用于R中的“lme4”的“lmer”函数(Bates et al. 2015)。随机因素的影响通过比较包含和不包含术语的模型进行评估。固定因素的评估使用Wald卡方检验和Tukey对比来检验两两差异。

结果

实验巢孵化条件的比较

孵化温度和巢含水量根据现场、处理以及场地与处理之间的相互作用而变化(补充表S.1a 和S.1b)。实验雏鸟之间的成对温度比较显示，所有巢的温度都有显著差异，除了无遮蔽的湿巢和有遮蔽的中度巢(表S. 2附录)。巢穴湿度的成对比较表明，所有实验巢穴相对于其他巢穴有显著差异(补充表 S. 3)。无遮蔽的巢的平均温度和湿度略高于有遮蔽的巢。此外，“干燥”的巢比“中度”和“湿润”的巢更温暖。需要注意的是，即使在有遮蔽和无遮蔽的地点，每种处理所添加的水量是相同的，但在有遮蔽的地点，湿巢和中度巢穴之间的水分差距远远大于无遮蔽的地点(表1,图3)。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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