《Ecological Entomology》：Flooding affects fluctuating asymmetry but not growth of a riparian orbweaving spider
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本研究通过河岸中宇宙（mesocosm）实验，揭示了洪水事件通过增加摇蚊（Chironomidae）等水生昆虫的羽化量，提升了河岸结网蜘蛛Tetragnatha extensa的猎物可获得性。研究发现，洪水处理并未影响蜘蛛的头胸甲大小（Centroid Size），但显著降低了其头胸甲的波动不对称性（Fluctuating Asymmetry, FA），表明猎物质量的改善（如多不饱和脂肪酸PUFA含量）可能促进了蜘蛛的发育稳定性（developmental stability）。这提示几何形态计量学（geometric morphometrics）是检测跨生态系统通量（如水生昆虫补贴）对捕食者生理产生生态效应的敏感工具。
引言
水生和陆地生态系统通过交换营养物质、生物体和能量相互关联。在淡水系统中，羽化的水生昆虫是包括蜘蛛在内的陆地捕食者的重要食物来源。气候变化和改变的水文情势对这些通量的动态构成日益严重的威胁。频繁且不可预测的洪水事件会影响昆虫羽化动态，从而改变河岸蜘蛛可获得的水生昆虫数量，并可能影响其新陈代谢或活动水平。摇蚊的羽化依赖于多种环境因素，水流、温度和岸线结构的变化是影响其羽化率和时间的主要因素。有研究表明，被淹没的洪泛区中的摇蚊幼虫因水温更高和食物更丰富而具有更高的生长率，导致更早羽化。作为补贴许多河岸捕食者的关键食物来源，摇蚊羽化的变化可能产生级联效应。
河岸结网蜘蛛如Tetragnatha sp.严重依赖水生昆虫作为猎物。水生昆虫补贴因其富含多不饱和脂肪酸（PUFA）而营养丰富。富含高质量水生猎物的饮食可以改善蜘蛛的生长、繁殖成功率和整体健康。在早期生长、蜕皮或产卵等关键生命阶段，这些补贴的增加可能会增强蜘蛛的发育稳定性。发育稳定性是指生物体经历正常生长并产生一致、对称表型的能力。营养胁迫、污染或其他环境压力会改变发育稳定性，导致偏离双侧对称，即波动不对称性（FA）。获得高质量饮食可以支持更健康的河岸捕食者种群，并有助于维持生态系统功能。相反，水生补贴的减少可能迫使蜘蛛将更多能量投入觅食，从而减少用于生长和维持发育稳定性的资源。这种限制会影响发育稳定性，并最终增加表型不对称性。
几何形态计量学是分析环境胁迫导致发育不稳定的有力工具。它分析身体形状的变化，已广泛应用于性别二态性、分类学和对称性研究。近年来，几何形态计量学已被用于评估昆虫或双壳类对农药暴露的环境胁迫响应。通过测量波动不对称性，几何形态计量学可以量化与完美双侧对称的微小偏差。波动不对称性可以被解释为发育胁迫的指标，反映了生长过程中因化学、物理或病原体效应等不利环境状态而改变的生理状况。虽然波动不对称性已应用于节肢动物的生态学问题研究，但相关研究数量仍然较少，且响应可能多变，因为波动不对称性受环境胁迫和个体基因表达之间相互作用的影响。与常用的体型或体重测量相比，波动不对称性提供了一种更综合的方法，可以检测通过常规形态测量无法发现的潜在或慢性环境影响。此外，评估特定身体结构的形态和对称性可以直接了解其发育表现或繁殖能力。虽然传统的健康度评估通常依赖体型作为代理指标，但波动不对称性分析作为一种敏感的环境胁迫标记物，可提供更具体的信息。
本研究旨在调查洪水情势如何影响水生昆虫羽化，进而影响Tetragnatha extensa的发育。与传统依赖体型健康度测量的研究不同，我们使用几何形态计量学和波动不对称性来评估T. extensa通过猎物可获得性变化和发育胁迫对洪水情势的生态响应。
方法
实验在德国兰道（Landau）的河岸溪流中宇宙（RSM）设施进行。该设施包含16个流通式中宇宙，每个设计用于模拟具有人工溪流和相邻河岸带的河岸生态系统。溪流水从附近的奎希河（River Queich）持续泵入。每个中宇宙被一个覆盖有细网（1毫米）的温室状结构包围，防止飞行昆虫进出以及大多数地面栖息物种。在非实验期间，围栏被移除，溪流河道任其干燥，以便周围草地的植物和节肢动物自然定殖。
为建立自然的宏无脊椎动物群落，在实验开始前一个月开启水泵。水泵配备了6毫米过滤器，防止鱼类和小龙虾等大型生物进入，但允许能通过过滤器的宏无脊椎动物被动定殖。此外，我们还从相邻的奎希河主动引入宏无脊椎动物到人工溪流中，使用人工基质（木扫帚）进行收集和引入。
实验使用了8个中宇宙。4个中宇宙经历为期14天的洪水处理，另外4个作为对照，在实验期间不进行洪水处理。洪水处理在2023年5月、6月、8月和9月重复了四次。每次洪水事件的特点是缓慢提高溪流部分的水位，直到淹没60%的陆地面积。
使用锥形羽化陷阱收集水生羽化昆虫。在每个中宇宙部署五个陷阱：三个漂浮陷阱位于溪流的上游、中游和下游位置，两个置于陆地部分。陷阱在每个洪水事件前后的特定时间段内部署并进行收集。捕获的昆虫被冷冻、计数并鉴定到科。
蜘蛛采集、拍照和地标标定：仅分析了洪水1和洪水4的雌性蜘蛛。洪水1的蜘蛛在5月已是成虫，作为对照；洪水4的蜘蛛在实验条件下发育，反映了累积的洪水效应。沿溪流边缘手工采集T. extensa雌蛛。为获得一致的头胸部图像并准确捕捉其三维结构，移除了蜘蛛的腿和腹部。使用体视显微镜和数码相机拍摄图像。为了量化波动不对称性，使用软件tpsDig264在头胸部的同源点上放置了16个地标。通过广义普氏分析（GPA）对齐所有标本后，通过比较左右地标对的坐标来量化FA分量。通过重测评估了测量误差，确保其小于生物变异。
数据分析：摇蚊占羽化昆虫总量的98%，因此分析集中于摇蚊。计算了每平方米采样面积每日的捕获努力量（CPUE）。使用广义线性模型（GLM）检验洪水事件和洪水处理对摇蚊数量的影响。使用R语言的“geomorph”包分析地标数据。计算中心大小（Centroid Size）作为头胸部大小的代理指标，并计算FA得分作为发育不稳定的指标。使用GLM检验洪水处理、洪水事件及其交互作用对蜘蛛头胸甲大小和FA的影响。
结果
水生羽化昆虫：在所有洪水事件中，洪水处理中宇宙的摇蚊羽化数量始终高于对照中宇宙。还观察到羽化存在季节性变化，5月份洪水处理中宇宙的羽化数量最高，6月份下降，8月份达到最低值，9月份反弹。在第一次洪水事件（羽化高峰期间），洪水处理中宇宙比对照多产生27%的摇蚊。在随后的洪水事件中，虽然羽化量下降，但洪水处理中宇宙在第二、第三次洪水事件中仍分别比对照多产生34%和39%的摇蚊。在第四次洪水事件中，羽化数量反弹，洪水处理中宇宙比对照多产生42%的摇蚊。
头胸甲大小和波动不对称性：洪水1后捕获78只雌蛛（对照40，洪水38），洪水4后捕获83只雌蛛（对照43，洪水40）。头胸甲大小分析显示显著的季节性效应，洪水1的个体头胸甲显著大于洪水4的未成熟后代。然而，洪水处理或其与季节的交互作用对头胸甲大小没有显著影响。对FA的GLM揭示了显著的洪水处理×洪水事件交互作用。研究发现，在非洪水条件下发育的、洪水4后收集的蜘蛛，其FA比来自洪水处理中宇宙的蜘蛛高出15%。
讨论
实验表明，河岸草地的洪水对T. extensa蜘蛛的发育有影响，影响了其波动不对称性，但未影响其体型。第一次洪水事件后，来自洪水和非洪水中宇宙的蜘蛛在波动不对称性或体型上没有差异。在季节末期（洪水4后），在洪水条件下发育的个体表现出更高的对称性，表明尽管生长结果相似，但其发育稳定性得到改善。由于洪水在整个季节持续导致比对照更高的摇蚊羽化量，水生猎物可获得性的增加可能有助于改善饮食质量，从而促进更稳定的蜘蛛发育。同时，不能排除洪水的其他效应，例如创造更有利的小气候（湿度增加、温度降低），或改变陆地昆虫群落和捕食者-猎物相互作用。此外，水位升高可能使羽化的水生昆虫更接近结在河岸植被上的Tetragnatha蛛网，可能提高猎物捕获成功率。
研究结果表明，适度的季节性洪水事件可以增加摇蚊等水生猎物的可获得性，进而通过改善觅食条件使蜘蛛等陆地捕食者受益。摇蚊很好地适应了洪水等中等程度的环境干扰。定期和适度的洪水事件可以在陆地区域创造变暖更快的浅水栖息地，可能引发更早或更长时间的羽化期。实验设置允许像处于不同发育阶段的摇蚊幼虫这样的漂流性宏无脊椎动物在整个实验期间进入。表明洪水通过增加水体积和表面积、延长滞留时间、降低流速和轻微提高温度，为幼虫存活和羽化创造了更有利的条件。此外，这些水文形态条件可能减少了幼虫漂出系统的数量，增强了其滞留性。因此，观察到的羽化增加可能是幼虫存活率提高和洪水条件下漂流动态改变共同作用的结果。
猎物可获得性和洪水的存在并未影响蜘蛛的头胸甲大小。尽管非洪水中宇宙的水生昆虫输入较少，蜘蛛仍实现了相似的生长，这表明减少的水生输入仍然充足，或者蜘蛛有效地用陆地猎物补充了它们的饮食以维持发育。虽然先前研究表明头胸甲大小可以反映食物限制，但我们的结果表明对照和洪水处理中宇宙的蜘蛛生长没有显著差异。这表明两种情况下的总体食物可用性是足够的。然而，有实验室实验表明，从相同摄入生物量中减少摄入生理上重要的脂肪酸会降低T. extensa的生长。这表明在对照中宇宙中，蜘蛛可能通过消耗更多陆地猎物来补偿来自水生昆虫的脂肪酸不足，以维持相同的生长速率。然而，蜘蛛饮食中水生和陆生猎物组成和比例的变化很可能导致摄入的脂肪酸存在差异。
水生昆虫（如摇蚊）比陆地昆虫富含多不饱和脂肪酸（PUFA）。PUFAs在最佳生长和发育、维持细胞膜功能、激素调节和机体解毒中发挥基础作用，这些过程在早期发育阶段特别敏感。在蜘蛛中，波动不对称性可能与发育胁迫有关，并受食物可用性和质量或干扰暴露等多种因素影响。在本实验中，洪水增加了水生昆虫的可获得性，来自洪水中宇宙的蜘蛛表现出比非洪水更低的非对称性。虽然未直接测量饮食，但更多地获得富含PUFA的水生猎物可能有助于更稳定的发育。相反，非洪水中宇宙的蜘蛛可能需要更积极地觅食，增加能量需求、暴露于捕食者的风险以及对低质量猎物的依赖。在这种情况下，用于维持对称头胸甲发育的调控化合物可能被转移到其他缓解胁迫的功能上，导致微小但可检测到的波动不对称性增加。实验研究经常表明，强胁迫可能导致在波动不对称性变得可测量之前就发生死亡，而中等胁迫则允许出现微小的偏差。我们测量的绝对差异很小，并不一定转化为直接可测量的健康度后果（例如头胸甲大小）。然而，这些微小的偏差可以作为发育胁迫升高的敏感标记物，反映细微的生理或行为代价。在沿城市化梯度受胁迫的蚱蜢等其他节肢动物中也观察到类似模式。由于没有来自同样测量了健康度的实验研究的可比波动不对称性值，我们的结果不允许我们就健康度后果得出结论。我们鼓励未来的研究在评估健康度后果（例如交配成功率、卵簇大小、后代存活率）的同时评估不对称性和体型，以检验波动不对称性是否提供了超越传统基于体型的方法的额外生态学见解。
因此，洪水不仅可能增加羽化量，还可能改变蜘蛛饮食中陆生猎物与水生猎物的比例，影响发育稳定性。据我们所知，尚无研究直接将饮食变化与蜘蛛的波动不对称性联系起来，这突出了未来朝此方向进行研究的必要性，将其作为营养胁迫的指标。
蜕皮是蜘蛛发育的关键阶段，对环境条件和营养质量特别敏感，是发育不稳定性以及波动不对称性可能产生的关键窗口。在我们的实验中，洪水可能通过两种途径影响蜘蛛个体发育的这一特定方面：营养组成和湿度。特定的PUFAs与蜕皮效率和成功率以及发育稳定性有关，表明猎物组成的变化可能进一步影响波动不对称性。此外，洪水增加了湿度，这是蜘蛛蜕皮表现的关键参数。这些因素共同表明，洪水不仅通过影响水生猎物的可获得性，还可能通过直接支持蜕皮的生理需求来影响波动不对称性。
实验突出了水生补贴在塑造河岸捕食者发育中的关键作用。虽然河流调控历史上减少了河岸草地的洪水，但气候变化可能会加剧干旱胁迫，同时以更长的间隔加剧洪水事件，改变水生昆虫的羽化动态。依赖羽化水生昆虫的捕食者可能会经历生长、对称性和整体健康度的变化，以及在关键生命阶段猎物可获得性的潜在脱节。这种变化可能通过级联效应改变食物网动态，导致捕食者饮食、竞争和猎物选择的变化。虽然我们没有直接将波动不对称性与健康度响应（如后代产量）联系起来，但我们的结果表明，不对称性对无法通过传统基于体型的测量检测到的环境变化很敏感。尽管该研究未提供机制性结论，但它提供了对蜘蛛对饮食和水文胁迫响应的新颖评估，表明猎物种类的变化可以影响发育稳定性。鉴于河岸带是支持生物多样性和营养相互作用的关键生态系统，进一步研究猎物的数量和质量至关重要，因为水生昆虫多样性和营养价值的变化可能对捕食者发育和陆地食物网动态产生更大影响。
