爬行动物博物馆标本稳定同位素生态位动态的保存研究

《Journal of Animal Ecology》：Preservation of stable isotope niche dynamics in squamate museum specimens

本文评估了福尔马林固定和乙醇保存对爬行动物组织稳定同位素比值(δ13C和δ15N)的影响，通过比较19种蜥蜴和蛇类在保存前后的肌肉(慢代谢)与肝脏(快代谢)组织，发现个体间变异和群落生态位指标(Layman metrics)可被可靠重建，而个体内变异(Δ13C)受保存过程干扰。研究为利用博物馆标本开展历史生态位演化研究提供了方法论支持。

　　

摘要

自然历史博物馆的液浸标本为生态演化研究提供了宝贵资源，但饮食生态等特征的复原颇具挑战。稳定同位素分析能重建时间尺度上的饮食生态位，然而组织同位素比值会因长期接触福尔马林和乙醇而改变。本研究以有鳞类爬行动物为模型，评估标本保存过程对同位素生态位指标的影响，发现个体内生态位多样性指标难以复原，但个体间变异未显著改变，支持利用博物馆标本重建群落生态位特征。

1 引言

液浸标本蕴含丰富的生态演化信息，但饮食生态等特征难以直接获取。虽然稳定同位素分析已广泛应用于野外生态学，但其在博物馆标本中的应用存在特殊挑战。福尔马林固定和乙醇保存会影响动物组织的稳定同位素比值，且效应因组织和类群而异。现有研究虽已评估保存过程对鱼类、鸟类和哺乳动物的影响，但尚无研究系统探讨有鳞类爬行动物的保存效应。

生态位是进化生态学的核心概念，个体变异对生态和进化过程具有重要影响。Roughgarden提出的数学框架通过个体内成分、个体间成分和总种群生态位宽度来量化饮食生态位。在同位素空间中，这些指标可转化为欧几里得距离或基于椭圆体的变异度量。若标本保存后个体内和个体间变异仍具生物学意义，将极大推动生态群落动态的时空演变研究。

本研究通过比较多种有鳞类动物在标准博物馆保存过程前后不同代谢速率组织(肌肉和肝脏)的同位素比值，评估保存过程对生态位指标的影响。前人研究表明，福尔马林固定会导致碳同位素比值轻微贫化，乙醇保存则导致轻微富集，而两者对氮同位素比值影响较小。我们预测保存过程不会显著影响碳氮稳定同位素特征的个体内和个体间变异。

2 方法

2.1 标本保存与采样

从东湾爬虫馆选取30个个体(19只蜥蜴/10种，11条蛇/7种)，解剖获取肌肉和肝脏组织。动物饲喂1-4种猎物，每周1-3次，经验性饮食生态位宽度评分0-3。个体固定于10%缓冲福尔马林，充分固定后转移至70%乙醇。在保存前(时间点0)及转移后1、2、4、8周(时间点4)分别取样。

2.2 稳定同位素分析

样品经冷冻干燥、均质化后，采用2:1氯仿:甲醇萃取法脱脂(新鲜组织留设对照)。利用同位素比值质谱仪测定δ¹³C和δ¹⁵N值，结果以千分比表示，并通过两点标准化进行校正。

2.3 方法学效应评估

RNAlater缓冲液储存效应：比较闪光冷冻与RNAlater保存组织的同位素比值，发现该缓冲液对氮同位素有强烈贫化效应，但碳同位素比值高度相关。整体尾与纯肌肉比较：两者碳同位素特征无显著差异，氮同位素差异无生物学意义。脱脂效应：92%样品脱脂前碳氮比<4，脱脂过程对同位素比值分散度无显著影响。

2.4 保存过程对生态位宽度的影响

以肌肉与肝脏碳同位素特征差的绝对值Δ¹³C作为个体内同位素生态位宽度的代理指标。通过多变量模型评估体长(SVL)、支系和福尔马林处理时间对同位素特征变化的影响。

2.5 实证分析

以专性食蛞蝓的Thamnophis ordinoides和广食性T. elegans为案例，比较历史标本(博物馆收藏)与当代种群的同位素生态位差异。

3 结果

3.1 同位素与经验生态位宽度的关系

蜥蜴(r=0.44, p=0.09)和蛇类(r=0.46, p=0.15)均显示碳同位素生态位宽度与经验饮食宽度呈正相关，表明肌肉与肝脏的同位素差异能够反映资源利用变异。

3.2 脱脂效应

脱脂肌肉和肝脏的碳同位素特征与未脱脂样品高度相关(r²_肌肉=0.77, r²_肝脏=0.62)，氮同位素相关性较弱。双变量分散度检验(F_肌肉=0.0617, p=0.787)和PERMANOVA分析(F_肌肉=0.315, p=0.681)均显示脱脂处理无显著影响。

3.3 整体尾与肌肉等价性

纯肌肉与整体尾的碳同位素特征无显著差异(Welch t检验p=0.61)，强正相关(r=0.95)。氮同位素虽有统计学差异，但幅度小于营养级判别因子均值，双变量分析显示分散度无显著差异(F=0.260, p=0.910)。

3.4 保存对群落生态位指标的影响

时间点0与4的双变量同位素空间个体分散度无显著差异(F=0.378, p=0.54)，但质心位置存在微小偏移(PERMANOVA: F=7.47, R²=0.060, p=0.004)。贝叶斯Layman指标(氮范围NR、碳范围CR、凸包总面积TA、质心距离CD、平均最近邻距离MNND及其标准差SDNND)在保存前后变化可忽略。

3.5 保存对个体变异指标的影响

个体同位素生态位宽度在保存前后无相关性(r=-0.13, p=0.50)，斯皮尔曼等级相关同样不显著(rho=-0.0002, p=0.99)。多变量模型显示个体生态位宽度变化仅与体长弱相关(r=-0.30, p=0.1)，大型个体变化较小。

3.6 袜蛇历史与当代生态位比较

历史标本中专食性T. ordinoides与广食性T. elegans在同位素空间显著分离。T. elegans在碳同位素范围收缩的同时氮同位素范围扩张，贝叶斯Layman指标显示其时间变异性高于T. ordinoides。

4 讨论

本研究通过时间序列实验证明，博物馆标本虽难以可靠复原个体内变异，但个体间和种群水平的生态位宽度指标未受保存过程显著影响。方法学比较表明：RNAlater缓冲液会引起氮同位素贫化但不影响个体间分散度；整体尾与纯肌肉同位素特征等价；低脂组织中脱脂处理必要性低。最重要的是，研究证实通过谨慎分析，博物馆爬行动物标本的稳定同位素数据可有效重建历史生态位动态。

4.1 RNAlater的氮贫化效应

这种缓冲液虽然影响氮同位素比值，但碳同位素特征保持高度相关，使其在基因组分析和群落生态位研究中仍具应用价值。建议研究者根据具体目标采用多种保存方式。

4.2 脱脂处理的影响

当组织碳氮比<4时，脱脂处理对同位素比值影响不显著，支持在群落生态位比较中可省略此步骤。但需注意RNAlater储存会预先降低碳氮比。

4.3 整体尾与肌肉的等价性

小型有鳞类尾尖样本可直接用于同位素分析，无需分离纯肌肉组织。这与皮肤与肌肉碳保留时间仅差13天的研究结果一致。

4.4 标本保存对同位素生态位的影响

个体生态位宽度指标受保存过程干扰，主要源于肌肉碳同位素的波动，特别是小型蜥蜴因采样部位差异导致的噪声。建议延长实验时间或重复取样以提高可靠性。相反，个体间变异指标的稳定性使得博物馆标本在缺乏胃内容物的情况下，仍能有效用于生态位动态研究。袜蛇案例表明，历史标本可揭示生态位延续性与动态变化，为生境变迁或物种引入等生态事件提供长时间尺度的研究视角。

需注意同位素变异除饮食外还受生理状态、生境和环境因素影响，宏观生态推论需谨慎。对某些科学问题，分析惰性组织(毛发、羽毛、爪、鳞片等)可能更合适，这些组织不受代谢更新影响，能提供组织合成时的"时空快照"。将稳定同位素分析与博物馆收藏相结合，构建"扩展标本网络"，可推动群落和生态系统变化研究，本研究为有鳞类标本的此类应用提供了方法论基础。