A C3 növényekben gazdag étrend megmutatja egy alpesi emlős érzékenységét az éghajlatváltozással szemben

Sabuj Bhattacharyya

1 Ökológiai Tudományok Központja, Indiai Tudományos Intézet, Bangalore, India,

2 Állat- és Növénytudományi Tanszék, Western Bank, University of Sheffield, Sheffield, Egyesült Királyság,

Deborah A. Dawson

2 Állat- és Növénytudományi Tanszék, Western Bank, University of Sheffield, Sheffield, Egyesült Királyság,

Helen Hipperson

2 Állat- és Növénytudományi Tanszék, Western Bank, University of Sheffield, Sheffield, Egyesült Királyság,

Farah Ishtiaq

1 Ökológiai Tudományok Központja, Indiai Tudományos Intézet, Bangalore, India,

Társított adatok

Az összes mintagyűjtési pont GPS-helyszíne, az R-kód és az általános lineáris modellezéshez szükséges adatok, a vizsgálat során generált DNS-szekvenciák a Dryad adatbázisban érhetők el (https://doi.org/10.5061/dryad.nt40m53).

Absztrakt

1. BEMUTATKOZÁS

A növény-növényevő interakciók kritikus betekintést engednek a különféle ökológiai folyamatokba, amelyek a közösség dinamikáját alakítják ki, számos területen összekapcsolva a ko-evolúciót (Ehrlich & Raven, 1964; Johnson, Campbell és Barrett, 2015), a kémiai ökológiát (Hay & Fenical, 1988; Rasher et al., 2015), takarmányozási és táplálkozási ökológia (Raubenheimer, Simpson és Mayntz, 2009; Wetzel, Kharouba, Robinson, Holyoak és Karban, 2016). Ezek az interakciók kulcsfontosságú meghatározói azoknak a mechanizmusoknak, amelyek szabályozzák a fajok területi eloszlását, bőségét, közösségdinamikáját, elsődleges termelékenységét és működését az élelmezési hálóban (Lurgi, López és Montoya, 2012; Oerke, 2006), valamint a változó éghajlatnak a tájszintű minták a földi ökoszisztémában (Mulder, Koricheva, Huss ‐ Danell, Hogberg és Joshi, 1999). A növényevő étrendjének meghatározása alapvető fontosságú a trofikus kölcsönhatások megértésében és az étrend plaszticitásának értékelésében az éghajlatváltozással szemben, valamint a hatékony nyomon követési, kezelési és megőrzési stratégiák kidolgozásában (Bernstein és mtsai, 2007).

Az alpesi ökoszisztémákban a pikas (Ochotona spp.), A kis testű nyúlak, jó példák arra, hogy a változó éghajlat hogyan hat a növény-növényevő kölcsönhatásokra. Az amerikai pika (Ochotona princeps) egy általános növényevő, akinek étrendje nagymértékben támaszkodik az alpesi növényekre (Ray, Beever és Loarie, 2012). Az éghajlattal indukált változások azonban a növényzet eloszlásában és összetételében (Erb, Ray és Guralnick, 2011; Jeffress, Rodhouse, Ray, Wolff és Epps, 2013; Rodhouse et al., 2010; Wilkening, Ray, Beever és Brussard, 2011) a helyi lakosság történelmi kihalásához és a közelmúltbeli összehúzódásához vezetett (Beever, Brussard és Berger, 2003; Beever, Ray, Mote, & Wilkening, 2010; Stewart, Wright és Heckman, 2017). A késői miocén idején az előnyben részesített C3 diétás növények elérhetőségének csökkenése számos pika nemzetség kihalásával volt összefüggésben Afrika, Eurázsia és Észak-Amerika különböző részein (Ge et al., 2012, 2013).

Az étrend szezonális különbsége (premonszon versus postmonszun) megmutatja az étrend rugalmasságát, és a pikák a rendelkezésre álló táplálkozási élőhelyek közül a lehető legnagyobb tápanyag-nyereségű növényeket választják ki.

A talus élőhelyek nagyobb területein nagyobb a növények elérhetősége, és növekszik az étrend fajgazdagsága.

A talus jellemzői, például a kőzetborítás és a hasadékok mélysége növelné az étrend fajgazdagságát, mivel menedéket nyújtana a ragadozók elől, és lehetővé tenné a pikák számára a nagyobb takarmányterület elérését.

Az étrend legnagyobb részét a gyepek és a füvek alkotják.

A Pikas a C3 növényekben gazdag étrendeket részesíti előnyben, amelyek potenciális veszélyt jelentenek az éghajlatváltozás miatt, mivel a C3 növények a nagy csapadéktól és az alacsony hőmérséklettől függenek.

2. ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK

2.1. Vizsgálati terület, székletpelletek és élőhelyek összegyűjtése

A Royle-féle pika a talusmezők sziklarepedéseit lakja, körülbelül 50 m 2 otthoni hatótávolsággal (Bhattacharyya et al., 2015; Kawamichi, 1968). 2014–2015 folyamán 104 kőzettalant vizsgáltak és székletpelletet gyűjtöttek öt helyszínről 2600 és 4450 m tengerszint feletti magasságban (felszín): Chopta ‐ Tungnath (TUN), Rudranath (RUD), Madmaheshwar (MAD: Kedarnath) Wildlife Sanctuary), Har ki Doon (HAR: Govind Wildlife Sanctuary) és Bedni ‐ Roopkund (NAN: Nandadevi Bioszféra Rezervátum; 1. ábra) Garhwalban, Uttarakhand, India. A mintavétel két évszakban zajlott: postmonszun (2014. október – november) a TUN-ban, a RUD és a HAK, valamint a premonszon (2015. május – június) a TUN-ban, a MAD és a NAN.

Székletpellet-mintavételi helyek az indiai Uttarakhandi Garhwal régióban [A színes ábra megtekinthető a wileyonlinelibrary.com oldalon]

Bhattacharyya és mtsai nyomán. (2015), mindegyik talus élőhelyen 50 m 2 -es felmérési parcellát választottunk ki, és ezeken friss székletpelletek (nedves, sötétbarna/fekete) halmokat kerestünk. Az egyik helyen (HAK) csak régi (> 2 hónapos) székletüreg volt (világosbarna és száraz). A székletpelletet (TUN premonszon = 42, postmonszun = 40; NAN = 43; MAD = 19; HAK = 20; RUD = 8) szilikagélt tartalmazó légmentesen lezárt, 2 ml-es műanyag csövekbe gyűjtöttük (Merck, India), és dátummal jelöltük, mintavételi hely és földrajzi koordináták (szélesség és hosszúság). Ezenkívül az egyes felmérési parcellák körüli teljes talusfelület (m 2 -ben), távolság a legközelebbi talustól (intertalus távolság, m-ben), a talus legmélyebb hasadékainak mélysége (1,5 m) és topográfiai jellemzők, például magasság, lejtő és oldal rögzítették. Minden 50 m 2 -es parcellán vizuálisan megbecsültük a kőzetborítás, az erdők (pl. Geum elatum és Potentilla atrosanguinea), a füvek (pl. Danthonia sp. És Poa sp.), A cserjék (pl. Rhododendron campanulatum és/vagy Vivernum) arányát sp.) és fák (pl. Abies pindrow, A. spectabilis, Quercus semecarpifolia és Rhododendron arboretum; Van Hees & Mead, 2000; Bhattacharyya et al., 2015).

2.2. A székletpelletek DNS metabarkódolása

A Royle-féle pika étrendje gazdag másodlagos metabolitokban (Bhattacharyya et al., 2013), amelyek gyakran gátolják a downstream enzimatikus reakciókat a polimeráz láncreakcióban (PCR; Weishing, Nybom, Wolff és Meyer, 1995). Ezért 20–30 mg székletmintát homogenizáltunk és QiAamp DNS székletkészlettel (Qiagen, Manchester, Egyesült Királyság) extraháltuk a DNS-t, a gyártó protokolljának kisebb módosításait követően (pl. Éjszakai inkubálás 56 ° C-on ASL széklet lízis pufferrel; Qiagen Inc., Németország). Mivel Royle pika volt az egyetlen lagomorf faj a vizsgált területen (Bhattacharyya, 2013; Green, 1985), nagyon eltérő fekáliás pelletekkel, a székletminták téves azonosításának esélyét kizárták.

2.3. A növényi étrend azonosítása szekvenálási adatok alapján

A bioinformatikai elemzéseket az Egyesült Királyságbeli Sheffieldi Egyetem, az Iceberg, a nagy teljesítményű számítástechnikai klaszter segítségével végeztük. A párosított leolvasásokat minőségi szempontból szűrtük (minimális minőségi pontszám 20 egy 4 bp csúszó ablakon), és az Illumina adapter szekvenciákat eltávolítottuk a Trimmomatic v 0.32 (Bolger, Lohse és Usadel, 2014) alkalmazásával, megtartva csak a legalább 90 bp-os olvasmányokat hosszában. Az ITS2 esetében a szűrt szekvenciákat ezután a FLASH (Magoč & Salzberg, 2011) alkalmazásával összehangoltuk, csak az ITS2 primer szekvenciáival illesztett szekvenciákat vontunk ki, és a primer szekvenciákat eltávolítottuk a mothuri „trim_seqs” paranccsal (Schloss et al., 2009). Az ITS2 régiót kivontuk a teljes amplikon szekvenciából (amely magában foglalja a

Az 5,8S rDNS szekvencia 73 bp-je, Moorhouse ‐ Gann és mtsai, 2018) az ITSx segítségével (Bengtsson-Palme és mtsai, 2013). A „derep_fulllength” és az „uchime2_denovo” parancsokat a 9.2.64-es verziójú Usearch szoftverben (Edgar, 2010) alkalmaztuk az összes olyan szekvencia kiküszöbölésére, amelynek mintánként kevesebb mint 10 példánya volt, és minden kiméra szekvenciát. Ezután az adatkészletben található minden egyes egyedi ITS2 szekvenciát összehasonlítottunk az NCBI GenBank nukleotid adatbázisával a BLAST algoritmus (Altschul és mtsai., 1997) alkalmazásával, hogy rendszertani egységet rendeljünk minden azonosított növényhez. Csak a referenciaszekvenciával legalább 97% -ban megegyező mérkőzéseket tartották meg a downstream elemzéshez. A szoftveres metagenómanalizátort (4) (MEGAN, Huson et al., 2016) az NCBI taxonómiai keretrendszerrel szemben alkalmazták a BLAST eredmények feltérképezéséhez és vizualizálásához, megtartva az LCA hozzárendelési algoritmus összes alapértelmezett paraméterét, kivéve a bit pontszám minimális támogatási küszöböt, amely 1% -ra állítva. Az rbcL esetében az elemzési folyamat kissé eltért, mivel nem számítottunk arra, hogy az ezekkel párosított szekvenálási olvasások között átfedés lesz egy régió

550 bp hosszú amplikonok. Ehelyett egy egyedi szkriptet használtunk a 2. kiegészítő komplementer megfordítására és az 1. olvasattal kombinálva egy olyan rbcL-szekvenciát alakítottunk ki, amely a primer-szekvenciákkal kezdődik és végződik, de közepén legalább 50 bp rés van. A BLAST keresés elvégzése előtt a derplikált és nem kiméra csoportot 97% -os szekvencia-hasonlósággal csoportosítottuk az usearch „cluster_fast” parancsainak felhasználásával. A himalájai régióból származó korlátozott referencia növény-adatbázisnak köszönhetően a növényeket csak nemzetségi szinten tudtuk azonosítani. Az egyes molekuláris működési rendszertani egységek (mOTU) megbízhatóságát, amelyek egy adott növénynemzetségnek felelnek meg, tovább értékeltünk a vizsgált területről jelentett növények közzétett listája alapján (Bhattacharya, Sathyakumar és Rawat, 2007; Rai, Adhikari és Rawat, 2012), és online növények [pl. a flora Himalaya adatbázis (http://www.leca.univ-savoie.fr/db/florhy/infos.html), Dobremez et al., [Link]] és a biodiverzitás adatbázisai [pl. Globális biodiverzitási információs eszköz (https://www.gbif.org/)], amely információkat szolgáltatott a növénynemzetség magasságáról és földrajzi kiterjedéséről. A Himalája régióból nem jelentett növényi nemzetségeket nem vettük figyelembe további elemzés céljából.

2.4. Információk a növények ökológiai és evolúciós összefüggéseiről Royle pika étrendjében

A növények alkalmazkodóképessége, ökológiai követelményei, fiziológiája és táplálkozási minősége gyakran függ fotoszintetikus útjaiktól (C3, C4 vagy Crassulacean acid metabolism [CAM]; Ehleringer & Monson, 1993). Az azonos nemzetségbe tartozó növények fotoszintetikus útját gyakran azonosnak tekintik (Osborne et al., 2014; Sage, 2016). Ezért közzétett forrásokból szereztünk információt a pika tápláléknövények fotoszintézis útjairól (Ge és mtsai., 2012; Osborne és mtsai., 2014; Bhattacharyya és Ray, 2015; Sage, 2016), valamint az evolúciós eredetről (pl. Endémiás). Himalaya, Tropical and Holarctic) az egyes diétás növénynemzetségek átlagos felső és alsó magassági eloszlási tartományát a Himalaya adatbázis flórájából kaptuk (http://www.leca.univ-savoie.fr/db/florhy/infos.html; Dobremez és munkatársai [Link]), Globális biodiverzitási információs eszköz (https://www.gbif.org/search) és az IUCN veszélyeztetett fajok vörös listája online portál (http://www.iucnredlist.org/).

2.5. Statisztikai analízis

2.5.1. A növényi összetétel és az étrend szezonális dinamikája

2.5.2. A talus élőhely modellező hatása az étrend gazdagságára

A premonszon szezonban szignifikáns különbségeket találtunk a telephelyek között a növénycsalád arányában az ürülékmintában (GLM: F 2 = 126,92, p 1), és a NAN esetében szignifikánsan alacsony a növénycsaládok száma (t = −4,18, p 2 = 9,51) (df = 1, p 2). Összehasonlítva a táplálék rendelkezésre állását a környezetben az étrendi eredménnyel, kiderült, hogy a Royle-féle pika kedveli a forbokat (pl. Potentila) a cserjék (pl. Viburnum) helyett a talus élőhelyen a TON premonszon szezonban (lambda = 0,019, p 0,05). Összességében a növényzet típusainak elemzése a környezetben, valamint a fekáliák mintái a helyszínen a pre- és postmonsoon alatt azt mutatták, hogy nagy előnyben részesítik a forbokat (premonszun: lambda = 0,008, p> 0,01; postmonsoon: lambda = 0,10, p> 0,001). A RUD alacsony mintamérete miatt nem végeztek vegetáció-összehasonlítást helyenként.

Növényi étrend gazdagsága a magassági gradiensen a pre-monszun (Premon) és a monszun utáni szezonban (Postmon) (HAK: Har ki doon; MAD: Madmaheshwar; NAN: Bedni-roopkund; RUD: Rudranath; TUN: Tungnath; teljes részletek a vizsgálati helyeket az 1. ábra tartalmazza. [A színes ábra megtekinthető a wileyonlinelibrary.com oldalon]

A növénynemzetségek (pl. Anaphalis és Berberis) nagy hányada (> 50%) volt kimutatható mind a premonszonban (TUN = 52,02%, MAD = 56,25% és NAN = 56,67%), mind a postmonszunban (TUN = 53,48%, RUD = 64,28% és HAK = 56,66%) évszakok voltak endémiásak a Himalája régióban, majd holarctikus eredetű növények következtek (pl. Deschampsia, Festuca; premonszon: TUN = 22,97%, MAD = 28,12% és NAN = 25,0%; postmonszun: TUN = 26,35%, RUD = 21,42% és HAK = 26,66%) (3. ábra A, B; S2. Táblázat). Az összes pre- és postmonsoon diétás növény több mint 90% -ának felső eloszlási határa 3500 m volt és magasabb (4. ábra). A premonszun (TUN = 77,70%, MAD = 75,32% és NAN = 72,8%) és a postmonsoon (TUN = 74,49%, RUD = 80,00% és HAK = 97,14%) diétás növények jelentős hányadának alacsonyabb magassági tartománya volt 2000–1000 m (5. ábra). A C3 növények a pikas étrendjének 97,5% -át tették ki, jóval kisebb arányban a C4 (1,25%) és a CAM (1,25%; S2. Táblázat).

A növények evolúciós eredete a Hoya nyugati részén fekvő Royle pika étrendjében (a) és a monszun utáni b) mintában vett mintákon (CA: Centrasiatic; EH: Himalayan Endemic; HO: Holarctic; MA: South East Asiatic Malaysian; SJ: kínai japán vagy kelet-ázsiai; TR: trópusi; YU: délkelet-kínai; a vizsgálati helyek részleteit az 1. ábra tartalmazza

A mintánként kimutatott növények felső eloszlási határa Royles pika diéta előtti monszun (a) és posztmonszun (b) magasságában (Alacsony = 2500–3 500 m; Közepes = 3500–4 500 m; Magas = 4500–6 000 m; részletek a vizsgálati helyek közül az 1. ábra tartalmazza)

A Royle's pika diéta előtti (a) és utáni monszun (b) étrendjében kimutatott növények alsó eloszlási határa teljes magasságban (Alacsony = 500–1000 m; Közepes = 1000–2000 m; Magas ≥ 2000 m; a vizsgálati helyek részletei az 1. ábra tartalmazza)

3.2. A talus élőhely hatása a növényi étrend gazdagságára

A 90% -os modellkészletből levezetett modell-átlagolt becslések a legjobb közelítő modellel egyeztek meg, két változóval: a talus terület borításával és a hasadék mélységével, amelyeket az étrend gazdagságának jelentős előrejelzőjeként detektáltak; mindegyik RI értéke 1,0. A Talus környéke jelentős pozitív hatással van a növényi étrend gazdagságára. A hasadékmélység azonban negatív hatást mutatott a növénygazdagságra (2. táblázat).

2. táblázat

India birtokolja a Himalája régiójának endemikus flórájának 28% -át (Chitale, Behera és Roy, 2014). Megállapítottuk, hogy a Royle-pika nagymértékben függ az endemikus növényektől, és az étkezési növényi nemzetségek (pl. Geum és Fragaria) 53–64% -a endemikus a Himalája régióban. Az előrejelzések szerint a nyári hőmérséklet és csapadék növekedése, valamint a fagyás-olvadás ciklusok gyakorisága káros, sokdimenziós és térben változó hatást gyakorol ezekre az endemikus alpesi növényekre (Dolezal et al., 2016). A legújabb kutatások szerint az endémiás növények eloszlása mintegy 20,980-ra csökken Himalája különböző biodiverzitási hotspotjaiban 2080-ig (Chitale és mtsai, 2014). Ezért a himalájai endemikus növények elterjedésében és bőségében bekövetkező változások jelentős negatív hatással lehetnek a Royle pika általános táplálkozási ökológiájára. A Himalája régióból származó növényi genetikai referencia könyvtár hiánya, különösen a vizsgálati helyünkről, nem tette lehetővé a pika diéta fajszintű azonosítását. Jövőbeni kutatásokra van szükség a növényi genetikai erőforrások referencia könyvtárának felépítéséhez, hogy a növényfajok szintjén betekintést nyerhessenek.

5. KÖVETKEZTETÉSEK

Ez az első tanulmány Royle pika diétájáról, DNS metabarkódolással, és sikeresen feltárta a táplálkozási preferenciákat ebben az éghajlatra érzékeny növényevőben. Számszerűsíteni tudtuk a pika étrendjének gazdagságát a különféle élőhelyeken és különböző magasságokban. Kimutattuk a pika nagy függőségét a C3 növényektől és a Himalája régiójában endemikus növényektől. Megmutattuk, hogy az étrend szezonális különbségei összefüggenek az emelkedéssel, és hogy az étrend a különböző helyszíneken a topográfia és az éghajlat különbségei miatt változik. A pika étrendjének jelentős része (> 89%) forbokból állt. Az étrendben való nemzetséggazdagságot erősen megjósolja a takarmányozáshoz a pika rendelkezésére álló talus nagysága, nagy területeken az étrendben a legmagasabb változatosság figyelhető meg. A hasadék mélysége a megnövekedett ragadozási kockázat miatt negatívan befolyásolja a növényi étrend gazdagságát. A hőmérséklet folyamatos növekedése jelentős hatással lehet a C3 növények elterjedésére, és csökkentheti a rendelkezésre álló növényfajok mennyiségét, amelyeken a pika táplálkozhat, ami valószínűleg hatással lenne mind a pika számra, mind azok elterjedésére, különösen alacsonyabb magasságú élőhelyeken.

A SZERZŐK HOZZÁJÁRULÁSA

S.B. összegyűjtötte a mintákat és elvégezte a laboratóriumi munkát. APU. és F.I. felügyelte a projektet. S.B., H.H. és F.I. elemezte az adatokat. S.B. és F.I. írta a kéziratot. APU. és H. H. kommentálta a kéziratot. Minden szerző jóváhagyta a kézirat végleges változatát.

Segítő információ

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS

Ezt a tanulmányt részben a Biotechnológiai Kutatási Társulási Program Tanszék, a japán Pro-Natura Alapítvány és az Egyesült Királyságbeli Commonwealth Professional Fellowship Program finanszírozta az SB és a Wellcome Trust/DBT India Alliance Fellowship (IA/I (S)/12) részéről./2/500629) az FI-hez. Köszönjük a Nemzeti Biodiverzitás Hatóságnak, az indiai kormánynak és az Egyesült Királyság Környezetvédelmi, Élelmezési és Vidékügyi Minisztériumának (DEFRA), hogy engedélyt adtak a minták India és az Egyesült Királyság közötti szállítására. Köszönjük Gabbar Singh Bisth úrnak a terepmunka során nyújtott segítséget. Dr. Gavin Horsburgh (Sheffieldi Egyetem) szívesen adott tanácsot és segítséget a metabarkodáló laboratóriumi munka során. Terry Burke professzor és a Sheffieldi Egyetem Molekuláris Ökológiai Laboratóriumának tagjai hasznos beszélgetést folytattak. Köszönetet mondunk Prof. Colin Osbourne-nak (Sheffieldi Egyetem), hogy szívesen nyújtott információt a növények fotoszintetikus útjairól. Ezúton szeretnénk köszönetet mondani három recenzensnek a kéziratot javító építő jellegű megjegyzésekért, és Gayatri Anand asszonynak a lektorálásért.

Megjegyzések

Bhattacharyya S, Dawson DA, Hipperson H, Ishtiaq F. A C3 növényekben gazdag étrend feltárja az alpesi emlősök érzékenységét az éghajlatváltozással szemben. Mol Ecol. 2019; 28: 250–265. 10.1111/mec.14842 [PMC ingyenes cikk] [PubMed] [CrossRef] [Google Tudós]