两栖动物入侵种气候生态位和生活史特征的地理变异及其机制

Identifying the patterns in geographic variations in traits of a species and mechanisms behind these variations are important for predicting how the species’ traits to respond to environmental changes (e.g., global warming and habitat destruction). However, it is difficult to detangle relative contributions of multiple factors to the variations in traits with native species because these factors have shaped the variations in the traits at large spatial and temporal scales where we could not observe the ecological and evolutionary process in real time. Exotic species are considered as “model organisms’ for both ecological and evolutionary studies. Bullfrog (Lithobates catesbeianus) invasions in China provide an ideal system for identifying the patterns in geographic variations in traits and the mechanisms behind the variations due to its short introduction history and wild bullfrog populations invaded in a large range of latitudes and altitudes. Based on field investigation, manipulative experiments, molecular markers and models, we quantify dynamics of realized climate niches for invasive bullfrog between China invaded range and America native range and the difference in thermal upper and lower limits among invaded sites in China, identify the patterns in geographic variations in key life-history traits such as body size, clutch size, egg size and dispersal ability and their trade-offs, determine introduction history and phylogeographic structures in bullfrog populations, and reveal mechanisms behind shifts in climate niches and geographic variation in life-history traits of wild bullfrog populations.

了解物种特征地理变异的格局及其机制对预测物种特征如何响应环境变化（如气候变化及生境破坏等）具有重要意义。利用当地种研究物种特征，因多个影响因素在大时空尺度上交集在一起，我们很难分解出各因素对特定生活史特征的相对作用。入侵种是研究生态和进化的“模式生物”。北美牛蛙（Lithobates catesbeianus，简称牛蛙）在我国入侵历史短，入侵种群的纬度差异和海拔落差大，是研究两栖动物入侵种气候生态位和生活史特征地理变异及其机制的理想模型系统。本项目综合应用生态学的常规野外调查、控制实验、分子生态学和模型的技术和方法，探索我国牛蛙入侵区真实气候生态位与北美原产地的差异以及热容忍上下限在不同入侵地点间的差异；研究牛蛙地理种群主要生活史特征如个体大小、窝卵数、卵大小和扩散能力及它们之间权衡关系的地理变异；确定牛蛙地理种群的引种历史以及谱系地理结构，揭示牛蛙气候生态位及生活史特征地理变异的机制。

北美牛蛙(Lithobates catesbeianus)是全球“100种最恶性的入侵种”之一，是研究生态和进化的“模式物种”。了解牛蛙种群在入侵区气候生态位及生活史特征的变异对预测外来种的入侵风险和防控有重要意义。结果显示，我国牛蛙入侵种群真实的气候生态位已发生了漂移，但最大温度相对保守。决定陆生脊椎动物原产地分布区大小的主要因素是气候生态位和地理因素。利用生态位模型，量化了外来两栖爬行动物（297种包括牛蛙）入侵热点（多个物种适宜的环境）与”生物多样性热点”地区的重叠程度，发现入侵热点聚集在“生物多样性热点”地区；我们鉴定出外来陆生脊椎动物（816种包括牛蛙）在”一带一路“区域有14个入侵热点（即具有高引种风险又具备高栖息地适宜性的地区），大部分入侵热点位于六大经济带上；外来动物（894种包括牛蛙）在不到10%的保护地建立了种群，在90%保护地周边地区建立了种群。这些结果为”生物多样性热点区域“和“一带一路”区域的外来动物的风险预警和全球保护地的生物安全制定提供了指导信息。. 舟山群岛牛蛙种群的个体比相邻宁波大陆种群的大，说明牛蛙生活史特征正在发生表型进化。牛蛙的中性位点（微卫星）进化受人为活动和繁殖体压力的共同影响。中性位点和功能位点（MHC免疫基因）的遗传多样性岛屿比大陆高，中国比美国种群低，免疫基因的进化受繁殖体压力、遗传漂变、遗传冲浪和正向选择的联合作用。研究结果为理解外来种的进化和危害以及制定牛蛙的防控对策提供了重要数据。. 我们已发表本项目资助的论文11篇，其中，4篇在国际有影响力的杂志上发表（IF 5 year>10).