太行山猕猴营养生态学整合研究：觅食、营养与肠道菌群

摘要

动物生存受外部环境和自身需求两种因素影响，而食物是重要外部生态因子。生活在温带地区的太行山猕猴（Macaca mulatta tcheliensis）面临因食物可利用性的季节性波动，以及冬季低温带来的食物短缺和能量消耗增加的压力。为探究太行山猕猴在该地区的营养适应性策略。本研究自2013年3月至2017年7月，在河南太行山猕猴国家级自然保护区，以一个野生猕猴种群为研究对象，采用行为观察、食物选择和粪便样品分析、营养和次生物质测定，并结合肠道菌群16S rRNA高通量测序等方法，整合食物选择、营养摄入、繁殖输出和亲本投入以及肠道菌群结构和功能等数据，研究了太行山猕猴营养生态学。旨在从营养视角探究太行山猕猴营养调节模式与生存和繁殖的关系，揭示其适应性策略，完善灵长类营养需求动因相关理论。主要结果分述如下： 1、太行山猕猴的食物选择模式 本研究采用焦点动物取样、连续跟踪记录和样地调查的方法，研究了太行山猕猴的食物选择模式。结果表明：1）太行山猕猴取食来自33种植物种类57个食物项目，其中包括8种不同的食物类型（叶、芽、嫩皮、种子、花、果、草本植物和嫩枝）。2）食物可利用性呈现季节性变化，在种子稀缺的春季和夏季，叶子占食谱干物质组成的60.3±13.8%，草本植物对食谱干物质贡献率为31.7±22.2%。然而，种子丰富的秋季和冬季，种子贡献了食谱干物质组成的68.5±22.7%，而草本植物占食谱干物质组成的18.9±12.9%。虽然一年四季都有树皮和嫩枝，但猕猴只在冬天取食该类食物。3）食物选择系数（Electivity indexes,Ei）很好地反映了食物的可利用性与其消耗之间的关系。秋季，猕猴对种子的选择系数是正值（Ei=0.3），而对草本植物的选择系数是负值（Ei=-0.35）；冬季，猕猴对种子的选择系数约为0，对草本植物和果实的选择系数几乎都是最高的；春季，猕猴对种子的选择系数约为0，对果实的选择系数较高（Ei=1）。夏季，猕猴高度选择草本植物（Ei=0.8）和树叶（Ei=0.85）。 2、太行山猕猴的营养调节模式 本研究采用行为观察，样地调查等方法获得了4年16个季节的数据，利用营养几何模型分析了太行山猕猴的营养调节模式。结果如下：1）线性混合模型（Linear Mixed Models）分析结果表明，各季节蛋白（available protein,AP），非蛋白（non-protein,NP）和总能量（total energy,TE）摄入存在明显季节差异（Linear Mixed Models:AP：F=13.113，df=3，P=0.001；NP：F=56.003，df=3，P＜0.001；TE：F=132.608，df=3，P＜0.001）。2）猕猴在春季和冬季的蛋白（One-way ANOVA:spring:F=134.486,df=3,179,P＜0.001;winter:F=20.725,df=3,76,P＜0.001）和非蛋白（One-way ANOVA:spring:F=11.638,df=3,179,P＜0.001;winter:F=9.250,df=3,76,P＜0.001）的摄入具有明显的年际变化，而在夏季和秋季，对蛋白（One-way ANOVA:summer:F=1.305,df=3,72,P=0.279;autumn:F=0.181,df=3,97,P=0.909）和非蛋白（One-way ANOVA:summer:F=0.244,df=3,72,P=0.865;autumn:F=0.101,df=3,97,P=0.959）的摄入量均没有明显的年际差异。但是，无论春季、夏季、秋季还是冬季，猕猴对总能量摄入年际保持不变（One-way ANOVA:spring:F=0.161,df=3,179,P=0.922;summer:F=0.158,df=3,72,P=0.924;autumn:F=0.058,df=3,97,P=0.982;winter:F=2.541,df=3,76,P=0.063）。3）相比非哺乳组猕猴（成年雄性和非哺乳雌性），哺乳组猕猴摄取更多的能量（Linear Mixed Models:F=231.200,df=1,110,P＜0.001）。而摄取食物的营养比率（AP/NP）无显著差异（Linear Mixed Models:F=0.276,df=1,110,P=0.600）。 3、种子可利用性的年际变化对太行山猕猴繁殖输出的影响 本研究采用焦点动物取样、连续记录法和营养测定的方法，记录了3年中包括食物可获得性、食谱、营养摄入、繁殖输出和母亲投资等数据。研究结果表明：1）栎属种子（Quercus）（脂肪和碳水化合物主要来源）的可利用性年际变化较大。种子对总能量、碳水化合物、可利用性蛋白和脂肪的贡献在不同年份有所不同。2）妊娠和哺乳猕猴的AP（Availableprotein）和NPE（Non-protein energy）比值各年内没有显著的变化（Mann-Whitney U-test:Z1,18=-0.634,P=0.526,2013;Z1,16=-1.659,P=0.097,2014;Z1,17=-0.089,P=0.929,2015）。但是，妊娠和哺乳猕猴平均摄取的AP/NPE值存在显著的年际差异（Kruskal-Wallis test:chi-squared=44.949,df=2,53,P＜0.001）。3）妊娠猕猴的总能量摄入没有明显的年际变化（Kruskal-Wallis test:chi-squared=2.898,df=2,26,P=0.235），然而，哺乳期雌性猕猴的总能量摄入在种子缺乏的年份低于种子丰富的年份（Kruskal-Wallis test:chi-squared=7.249,df=2,26,P=0.027）。此外，与妊娠猕猴相比，哺乳期猕猴每天摄入的能量更多（P＜0.001）。4）2014年的繁殖成功率（48%）低于2013年（95%）和2015年（82%）。5）与种子丰富的年份相比，种子缺乏的年份，哺乳雌性的体重减幅度更大（利用了身体储备脂肪）（Mann-Whitney U test:Z1,26=-3.49,P＜0.001），移动更少（Mann-Whitney U test:Z1,26=-2.770,P=0.006），花在照顾后代上的时间也更多（Mann-Whitney U test:Z1,26=-2.436,P=0.015）。 4、肠道菌群对太行山猕猴营养摄入的响应 本研究采用高通量测序方法，对12只成年猕猴（6雌6雄）的肠道微生物的16S rRNA进行了测序、分析和功能预测，结合食谱和营养学数据，比较研究了4个季节肠道微生物群落的变化及其对营养摄入响应。结果表明：1）太行山猕猴的食谱主要由树叶、种子、花、芽、嫰枝和嫩皮等组成。夏季（2016），主要以草本植物和树叶为食，分别各占51.60%和48.40%。秋季（2016），主要以种子为食，占食物组成的89.16%，其中栎属种子占64.13%。冬季（2016）以种子（47.94%）和草本植物（25.76%）为食。2017年春季，猕猴主要以叶子为食，占食谱组成的72.27%。2）太行山猕猴对蛋白质和非蛋白质能量的摄入具有明显的季节性差异（PERMANOVA：F=261.77,df=169,P＜0.001）。对于每个季节，秋季和冬季的构成很相近，夏季与其他季节差异较大，春季营养摄入结构介于夏季和秋冬季之间。3）太行山猕猴肠道中厚壁菌门（56.14±6.46%）和拟杆菌门（36.57±6.80%）占肠道总微生物组成的90%以上。太行山猕猴肠道中的优势菌属为普氏菌属（Prevotella，17.67±8.62%），密螺旋体属（Treponema，1.73±1.31%），柔嫩梭菌群（Faecalibacterium，1.45±1.33%），瘤胃球菌属（Ruminococcus，1.41±0.99%），拟普雷沃氏菌属（Alloprevotella，0.81±1.05%），琥珀酸弧菌属（Succinivibrio，0.61%±1.10%），罗氏菌属（Roseburia，0.56±0.60%）。3）猕猴肠道菌群的Alpha多样性存在季节性差异（ANOVA，P=0.042），Beta多样性季节间也存在显著差异（PERMANOVA,F=8.288,df=47,P＜0.001）。 结论： 1）食物可利用性的季节性变化影响太行山猕猴食物摄取量。猕猴取食种类相对较少、营养互补和营养补充是食谱组成具有明显季节性的原因。 2）本研究以太行山猕猴为对象，首次在脊椎动物中验证了总能量摄入恒定的“等距离”营养调节模式。这种营养调节模式表明太行山猕猴是常量营养泛化的猕猴亚种。 3）太行山猕猴在不同营养环境下维持繁殖的能力，表明太行山猕猴已经进化出了一种将出生数量与后代抚育能力相匹配的营养补偿性机制。 4）太行山猕猴肠道主要微生物类群组成与蛋白/非蛋白能量摄入的相关性体现了微生物群落结构对宿主营养摄入结构的一种适应性响应。肠道菌群在属水平的分布特征以及常量营养和能量相关代谢通路的大量富集表明，肠道菌群的适应性响应是太行山猕猴在该地区生存和繁殖的有效的营养机制。

目录

声明

1 概述

1.1 选题背景

1.2 研究内容和技术路线

1.3 研究目的及意义

2 太行山猕猴的食物选择模式

2.1 前言

2.2 研究方法

2.2.1 研究地点

2.2.2 食物可利用性调查

2.2.3 取食观察

2.2.4 营养物质测定

2.2.5 气候数据监测

2.2.6 数据分析

2.3 结果

2.3.1 猕猴总的食物资源

2.3.2 非生物因素:季节温度和降雨量

2.3.3 不同季节的食谱

2.4 讨论

3 太行山猕猴的营养调节模式

3.1 前言

3.2 研究方法

3.2.1 行为观察

3.2.2 种子密度调查

3.2.3 营养成分测定

3.2.4 数据处理和计算

3.2.5 统计分析和假设检验

3.3 结果

3.3.1 种子可利用性的季节和年际变化

3.3.2 主要食物贡献率和营养物质间的相互作用

3.3.3 常量营养物质和能量的摄入

3.3.4 太行山猕猴营养调节模式

3.3.5 非营养物质对太行山猕猴饮食限制

3.4 讨论

4 种子可利用性年际变化对太行山猕猴繁殖输出的影响

4.1 前言

4.2 研究方法

4.2.1 行为观察

4.2.2 营养测定方法

4.2.3 数据统计与分析

4.3 结果

4.3.1 种子可利用性年际变化

4.3.2 食谱和能量摄入

4.3.3 繁殖输出

4.3.4 母本对后代时间和能量的投入

4.4 讨论

5 肠道菌群对太行山猕猴营养摄入的响应

5.1 前言

5.2 研究方法

5.2.1 研究地点和目标群

5.2.1 样品的采集与保存

5.2.2 DNA提取与测序

5.2.3 序列和数据分析

5.2.4 营养数据获取

5.3 结果

5.3.1 太行山猕猴食谱组成

5.3.2 太行山猕猴营养和能量摄入

5.3.3 太行山猕猴肠道微生物群落结构

5.3.4 肠道微生物群落季节多样性

5.3.5 肠道微生物群落对营养摄入的季节变化的响应

5.3.6 基于宏基因组功能分析的代谢通路预测

5.4 讨论

6 全文总结

主要结论

创新点

参考文献

附录 文献综述非人灵长类动物营养生态学研究进展

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢