Бенджамин А. Белград

1 Училище за Земя, Океан и Околна среда, Програма за морски науки, Университет на Южна Каролина, Колумбия, Южна Каролина, Съединени американски щати

влиянието

Блейн Д. Грифен

1 Училище за Земя, Океан и Околна среда, Програма за морски науки, Университет на Южна Каролина, Колумбия, Южна Каролина, Съединени американски щати

2 Департамент по биологични науки, Университет на Южна Каролина, Колумбия, Южна Каролина, Съединени американски щати

Замислил и проектирал експериментите: BAB BDG. Изпълнява експериментите: BAB. Анализира данните: BAB BDG. Реактиви/материали/инструменти за анализ, допринесени: BAB BDG. Написа хартията: BAB BDG.

Свързани данни

Резюме

Въведение

Многобройни проучвания са установили, че индивидуалната диета и физиологичното благосъстояние са взаимозависими. Диетата играе решаваща роля за метаболитната ефективност [1–2] и хомеостазата на организма [3]. Диетата може също да повлияе на натрупването и токсичността на тежки метали [4–5] и дори да повлияе на дълголетието [6–7], както и върху репродуктивната продукция на индивидите [8–9]. Следователно промените в диетата могат индиректно да променят динамиката на популацията чрез промяна на дълголетието или производството на потомство. Всъщност диетичните промени са предложени като механизъм за намаляване на популацията на някои видове морски птици [10–11] и брегови раци [12] и за колебания в изобилието на пъстърва [13].

Организмите могат да променят диетата си по различни причини. Онтогенетичните промени в диетата са широко разпространено явление [14–15]. Зрелите индивиди често консумират различна плячка от младите поради промени в развитието, които водят до разлики в размера, конкурентните способности и метаболитните процеси [14]. Диетите също могат да се променят в отговор на промените в околната среда. Например сезонните промени [16], изменението на климатичния режим [10, 17] и инвазиите на видове [18–19] могат да предизвикат промени в диетата или чрез въвеждане на нови видове за консумация, или чрез промяна на наличието на местни видове. Болестите също могат да причинят диетични промени или чрез намаляване на изобилието от видове плячка [20], или чрез нарушаване на способността на гостоприемника да смила или улавя плячката [21]. И накрая, замърсяването може да причини диетични промени, като промени поведението на потребителите и/или намали възможностите за търсене на храна. Такъв пример е намерен при синия рак, Callinectes sapidus [22].

Обикновено диетата на сините раци се състои от 20–40% мекотели, 10–26% членестоноги, 5–12% риби и 1–7% полихети [22–24]. Водорасли, утайки и детрит също могат да съставляват малък процент (

3%) от диетата при нормални условия [22–24]. Въпреки това, раците в устията, замърсени с метали, консумират предимно растителни вещества/водорасли (27%) и утайки/детрит (39%) и много по-малко животинска тъкан като цяло (34%); вероятно поради нарушена координация и намалена способност за улавяне на активна плячка (напр. риба; [22]). Замърсяването с метали също намалява общата консумация на храна и кара раците да проявяват повече канибалистични тенденции, както и необичайно агресивно поведение [22, 25]. Специфичните диети на отделни раци могат също да бъдат повлияни от много други фактори, включително наличието на храна [26], индивидуалните предпочитания [27], размера на раците [28] или физиологичното състояние [24].

Сините раци са търговски важен вид, който обитава устията в западната част на Атлантическия океан и може да се появи от Нова Скотия до Северна Аржентина [29–30]. Видът се добива от търговския риболов от края на 19-ти век и днес представлява индустрия за милиони долари, превръщайки се в най-големия риболов на раци (на килограм) в Съединените щати [31–33]. Сините раци също са екологично важен вид. Те консумират голямо разнообразие от организми в няколко вида, а също така действат като плячка за повече от 100 вида [23–24]. Техните хищнически дейности могат да имат далечни последици, тъй като колебанията в смъртността на двучерупчестите животни често съвпадат с изобилието от сини раци [34], а хищничеството от сините раци може да контролира структурата на бентосните инфауни съобщества [35]. По този начин въздействието на избора на диета при този вид върху индивидуалните физиологични показатели и плодовитостта може да има важни икономически и екологични последици.

Целта на това проучване беше да се изследва връзката между диетата, физиологичното състояние, плодовитостта и поведението при синия рак, C. sapidus, за да се разбере значението на избора на диета за динамиката на популацията на синия рак. Поради това експериментално манипулирахме диетата на раците както качествено, така и количествено и измервахме произтичащите от това различия в смъртността на раците, репродуктивния потенциал (количеството тъкан, вложено в размножаването и размера на яйцата), дългосрочните енергийни запаси (размер на хепатопанкреаса и съдържание на липиди) и агресията. Очакваше се сините раци да имат намален репродуктивен потенциал и да намалят енергийните запаси от консумация на диети с морски водорасли, тъй като обикновено раците консумират предимно животинска тъкан, докато се очаква агресията да се увеличи с повишени нива на глад.

Методи

Вземане на проби и съхранение

Събрахме 60 зрели женски Callinectes sapidus (средно ± SD широчина на черупката = 14,5 ± 0,8 cm), при които не липсваха крайници, използвайки капани за раци от примамки от Националния изследователски резерват на устието North Inlet (33 ° 20'N, 79 ° 10'W, Джорджтаун, Южна Каролина). Полевите колекции на сини раци се провеждат съгласно разрешение, издадено от Министерството на природните ресурси на Южна Каролина, а сините раци не са застрашен вид. Раците са получени в началото на май 2014 г. в продължение на една седмица, един месец преди пиковия хайверен сезон [36–37]. Започнахме експеримента на блокове (общо 5), тъй като раците бяха уловени, така че никакви раци не бяха държани по-дълго от 24 часа преди започване на проучването и хранене.

Раците бяха транспортирани до мократа лаборатория на института Барух (разположена на Северния вход), където бяха поставени в отделни пластмасови контейнери (дължина 29,8 см, ширина 19,7 см, височина 20,3 см), потопени в седем поточни резервоара, снабдени с морска вода директно от Северния вход . Температурата на водата отговаря на условията на околната среда и варира между 25,4–34,5 ° C по време на експеримента. Отделните контейнери бяха пълни с 1,5 см слой утайка, събрана от полето и непрекъснато получаваща вода със скорост от

1,3 L/min. Веднъж седмично контейнерите се почистват с аквариумен вакуум и субстратният слой се попълва с нова утайка. Тази утайка е осигурена, тъй като утайката е необходима за развитието на нормални яйчни маси при този вид [38]. Утайката може да е служила и като допълнителен източник на храна, въпреки че консумацията на утайка не е била измерена. Раците, умрели преди края на експеримента, бяха замразени и съхранявани при -20 ° C за по-късно дисекция. Всички яйчни маси, произведени от раците, се съхраняват във фризера за по-късни анализи. Експериментът е прекратен след 12 седмици, на 30 юли 2014 г., когато оцелелите раци са замразени за по-късно дисекция. По време на това проучване не се наблюдава линеене и нито един рак не е умрял или е произвел пило до над две седмици след началото на експеримента.

Хранене

Раците са хранени с постоянна експериментална диета през ден и излишната храна се отстранява след 24 часа. Мидите бяха напукани, преди да бъдат хранени с раците, за да направят усилията за боравене по-сходни при различните видове храни и при анализи бяха използвани само тегла от меки тъкани на миди. Използва се генерализиран линеен модел (GLM) с биномно разпределение, за да се определи дали или видът храна (мида, риба или водорасли) или количеството предлагана храна (големи или малки порции) повлиява смъртността на раците. Всички статистически анализи бяха проведени в R, версия 3.0.2 (R Development Core Team, Окланд, Нова Зеландия). Първоначално включихме експериментален блок и задържащ резервоар като блокиращи фактори в описаните по-долу статистически модели, но те не бяха значими и затова данните бяха обединени в блокове и резервоари за всички анализи.

Измервания на поведението

Анализи на тъкани

В края на експеримента раците бяха дисектирани и основният орган за съхранение на енергия от раци, хепатопанкреасът [46], беше отстранен, за да се оцени относителното физиологично състояние на индивидите. По същия начин бяха отстранени както яйчниците, така и развиващите се яйцеклетки. Те бяха комбинирани с всякакви яйчни маси, получени от раци по време на експеримента, за да се определи количеството тъканни раци, инвестирани в размножаване. Хепатопанкреасът, репродуктивните тъкани и останалата част от рака бяха изсушени отделно до постоянно тегло при 70 ° С. Масата на хепатопанкреса се разделя на сухата маса на останалата част от рака, за да се получи независим от размера индекс на дългосрочните енергийни запаси (хепатосоматичен индекс; HSI), следвайки протокола от [47]. По същия начин масата на репродуктивната тъкан е подложена на аналогично изчисление, за да се получи независим от размера индекс на репродуктивното усилие (гонадозоматичен индекс; GSI). Извършихме отделни двупосочни ANOVA, за да определим как предлаганият тип храна и размера на порцията повлияха на HSI и GSI, последвани от множество тестове за сравнение на Tukey. Преди този и всички следващи статистически анализи бяха проведени тестове на Шапиро-Уилк за нормалност и хомогенност на дисперсията.

Ние също така оценихме дългосрочното съхранение на енергия по отношение на липидите на хепатопанкреаса. Определихме общото съдържание на липиди в хепатопанкреаса, използвайки модифициран метод на Folch, където хлороформът беше заменен с хексани [48–49]. Определихме процентния липиден състав на хепатопанкреаса чрез разделяне на сухото тегло на извлечените липиди с първоначалното сухо тегло на хепатопанкреаса. За да се представи ясно връзката между състоянието на хепатопанкреаса и диетата, ние проведохме двупосочна ANOVA, за да оценим влиянието на вида храна и предлаганата порция върху процента липиди на хепатопанкреаса, както и линейна регресия по модел II, корелираща HSI на хепатопанкреаса до% липиди на хепатопанкреаса.

Ооцитите от раци се анализират чрез рехидратиране на подпроби от яйца от всеки рак, като се използва филтрирана морска вода и се снима под дисекционен микроскоп, за да се определи средният обем на яйцата (μm 3). Десет яйца бяха избрани на случаен принцип от всеки рак и площите на яйцата бяха изчислени с помощта на софтуера SIGMA Photo Pro версия 5.5.2. Това ни позволи да изчислим обратно обема на яйцата, като приложим уравнението за сфера. За груба оценка на броя на яйцата, произведени от всеки рак, изчислихме средната маса на отделно яйце, като използвахме предварително определените обеми на яйца за всеки рак и приехме, че яйцата имат същата плътност като водата. Общият брой на генерираните яйца се получава чрез разделяне на общата маса на яйцата с очакваната маса на едно яйце. Предвид непроверените предположения в рамките на тези изчисления, ние използваме само тези оценки, за да сравним относителния брой произведени яйца между индивидите (тъй като еднакви предположения бяха приложени за всички индивиди). Използвани са отделни двупосочни ANOVA, за да се определи как видът храна и предлаганият размер на порцията влияят върху размера и изчисленото количество произведени яйца. Използвани са множество тестове за сравнение на Tukey за определяне на двойни разлики.

Резултати

Смъртност

Общо шест раци, хранени с водорасли, са умрели, докато само един раци, хранени с миди, са умрели и не е имало смъртност при раци, хранени с рибна диета. Установено е, че раците, хранени с водорасли, имат значително по-висока смъртност от раците, хранени или с риба, или с миди (GLM, df = 3, t = -2.908, p = 0.0052), но предлаганото количество храна не променя значително смъртността (GLM, df = 3, t = 0,268, p = 0,7893).