基于咬合力和食性的蝙蝠回声定位声波地理进化研究

Uncovering the causes and forces of population divergence in phenotypic traits is a fundamental goal in evolutionary biology and ecology. Acoustic signals are basic means for individual communication and environmental perception in animals. Animals’ acoustic signals often vary geographically and are considered as good models to explore evolutionary and ecological processes, such as population divergence. Bats occupy a nocturnal aerial niche, and produce echolocation signals for navigation, orientation and prey detection. Studies have confirmed that its geographical divergence resulted from body, climate and cultural drift. However, it is unclear whether echolocation signals were affected by bite force and feeding characteristics. Here, we studied geographical variation in echolocation of Hipposideros armiger and Rhinolophus affinis, to explore the relationship between echolocation call and bite force, feeding characteristics. We record the echolocation calls in the field, and collect the bats feaces. We get composition of feaces using the combination of traditional fecal analysis method and Molecular techniques. Based on the correlation analysis and causal model, to reveal the maintain mechanism for signals changes from a new view. The result can reveal the ecological adaption of sensory signals, and understand deeply the maintaining mechanism of species diversity, and provide theoretical basis for biodiversity conservation and management.

揭示生物表型地理变化的驱动力是生态学与进化生物学核心目标。声信号作为动物社群交流和感知外界环境的关键感官形态，普遍存在地理变化，一直是研究地理种群间表型分歧的理想模型。蝙蝠占据夜空生态位，主要利用回声定位声波进行导航、捕食和社群交流。已有研究证实形态大小、气候差异和文化（遗传）漂变等能够导致其回声定位声波的地理变化，然而，咬合力和食性特征在维持声波地理变化中的生态作用尚不明确。本项目选择大蹄蝠和中菊头蝠为研究对象，野外录制回声定位声波，实测咬合力并收集蝙蝠粪便。结合传统粪便分析方法和高通量测序技术，获得其食性组成。基于相关分析与因果模型，明确回声定位声波频率与咬合力、食性特征的关系，从全新视角阐明蝙蝠声波地理变化的维持机制。研究结果能够揭示蝙蝠感官信号的生态适应，深入理解物种形成及其多样性维持机制，为生物多样性保育与管理提供理论依据。

物种地理进化和生物多样性保护现已成为诸多学者日益关注的问题。对于翼手目来说，由于独特的回声定位系统成为研究物种进化的热点，然而，近年来，随着社会经济的不断发展，其栖息地和捕食地不断破坏，生存环境极度恶化，物种保护亦成为关注焦点。本项目选择蝙蝠为研究对象开展地理进化和保护方面研究，得到如下结论：1）录制8个地理种群的中菊头蝠回声定位声波，通过分析进一步揭示蝙蝠声信号地理差异的存在；2）项目实施过程中共收集8个种群的中菊头蝠粪便样本，每个种群至少收集100粒粪便，在实验室采用粪便分析法鉴定粪便中鞘翅目所占体积百分比，并测量粪便中鞘翅目残留跗节长度反映鞘翅目大小，同时测量蝙蝠咬合力。然而，Mantel检验显示咬合力大小与鞘翅目体积百分比和体型大小均无显著相关性，可能与蝙蝠粪便样本采样时间短有关，为避免季节差异引起的食性差异，每个地点仅仅采样2-3天；3）在声波地理进化维持机制方面，声波主频与咬合力、食性均不相关，与年均降雨量显著正相关，但与其它气候因子（年均温度、年均湿度、年均风速等）不相关，这样其它一些蝙蝠结果一致；4）通过东方蝙蝠返回繁殖地初期对栖息点分布研究，揭示温度是其选择栖息点的决定因素；5）通过食性分析，明确东方蝙蝠在不同繁殖阶段食性组成存在显著差异，推测是对能量需求的结果；6）东方蝙蝠不同繁殖阶段夜间活动时长存在显著差异，是对能量需求量增加导致活动时间延长；7）东方蝙蝠幼蝠练习飞行阶段，极易受到桥面通行机动车产生噪音的影响，导致被撞死亡；8）通过对长春师范大学校园蝙蝠捕食地分布研究，证明校园微环境能够为蝙蝠提供理想捕食地。本项目开展是揭示生物适应性进化的关键，有利于深入阐明物种形成维持机制，亦为生物多样性保育与管理提供科学依据。