测量蜣螂（Onthophagus vacca (Linnaeus, 1767)）（鞘翅目：金花虫亚科）的热性能和繁殖成功率

《Basic and Applied Ecology》：Measuring thermal performance and reproductive success of the dung beetle Onthophagus vacca (Linnaeus, 1767) (Coleoptera: Scarabaeinae)

　　瓦莱丽·卡龙 | 帕特里克·V·格里森 | 萨莱塔·佩雷斯·维拉 | 让-皮埃尔·卢马拉雷 | 阿尔贝托·扎姆普罗尼亚 | 何塞·塞林 | 哈斯娜·哈吉 | 阿卜杜拉蒂夫·贾纳蒂-伊德里斯 | 杰夫·M·古尔 | 阿加斯蒂亚·托塔加穆瓦 | 乔治·阿里·诺里埃加
澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）健康与生物安全部门，克鲁尼斯罗斯街，阿克顿，ACT 2601

**摘要**
蜣螂（鞘翅目：金龟亚科）对养分循环和牧场维护至关重要，尤其是在畜牧业系统中。在澳大利亚，本土蜣螂难以处理引进牲畜产生的湿粪便，因此过去六十年间人们引入了外来蜣螂以缓解因粪便堆积造成的环境问题。本研究评估了新引进的Onthophagus vacca种的热适应性。我们调查了从摩洛哥原生地不同海拔区域采集的三个种群的上限耐热性（CTmax）和繁殖成功率。这些蜣螂在19°C至28°C的实验室条件下进行培养。结果显示，不同种群之间的CTmax值一致，表明O. vacca种群可能尚未进化出适应高温的机制。高温会导致孵化率、后代体重和发育时间的下降，这凸显了温度条件对蜣螂繁殖的重要性。然而，在最高海拔区域采集的种群在所有测试温度下都表现出更强的繁殖能力，产卵数更多，后代体重也更重。这一发现表明，虽然匹配气候条件（即采集地与预期释放地的气候相似）对于最终的成功至关重要，但也需考虑候选种群在实验室中的生长情况。选择具有高适应性的种群可以提高其定殖成功率并增强生态系统服务功能。这些结果对未来旨在改善牧场健康和生态功能的蜣螂引入计划具有重要意义。

**引言**
分解者在所有生物群落中都是关键组成部分，对养分转化和循环速度有深远影响（Usman等人，2016年）。蜣螂（鞘翅目：金龟亚科）在分解脊椎动物排泄物（即粪便）方面发挥重要作用，尤其是在草原和畜牧业系统中（Bang等人，2005年；Milotic等人，2018年；Arellano等人，2023年；Noriega等人，2023年）。蜣螂提供的生态系统服务包括：1）清除土壤表面的粪便；2）养分循环；3）改善土壤通气和孔隙结构；4）帮助种子传播；5）控制蝇类和牲畜寄生虫数量；6）降低温室气体排放（Nichols等人，2007年、2008a,b年；Slade等人，2016年；Doube，2018年）。

蜣螂包含约284个属，共计6952个有效物种（Schoolmeesters，2025年）。热带地区的蜣螂多样性最高，尤其是非洲大草原（Hanski和Cambefort，1991年）。蜣螂的多样性与其依赖的哺乳动物粪便类型密切相关。例如，在南非的姆库齐野生动物保护区，一个地点就记录到了140种蜣螂（Doube，1991年）。有研究显示，单个象粪堆中可含有3800至7000只蜣螂（Waterhouse，1974年；Heinrich和Bartholomew，1979年）。而在澳大利亚等其他地区，大型哺乳动物较少，袋鼠作为主要脊椎动物，其排泄物为干颗粒状，需要蜣螂具备特定的生理和行为适应能力（Doube等人，1991年）。由于澳大利亚本土蜣螂与袋鼠共同进化，它们难以处理牛等外来牲畜的粪便。若没有蜣螂分解粪便，粪便会在土壤表面堆积，导致严重的负面影响，如牧场退化、径流造成的水污染以及大量滋生蝇类（Waterhouse，1974年）。为解决这些问题，澳大利亚在20世纪60年代开始引入外来蜣螂物种，该计划持续至1986年，之后在1990年至1995年、2011年至2014年以及2018年至2022年间重新实施（Edwards，2007年；Wright等人，2015年；Bathurst等人，2023年）。期间共引入了45个物种，其中23个成功定殖（Edwards，2007年；Edwards等人，2015年；Wright等人，2015年）。

一个物种在新环境中的成功引入受多种因素影响，包括其能否在新地区的条件下生存和适应。温度是决定昆虫分布的关键因素之一（Angilletta，2009年；Amundrud和Srivastava，2020年）。作为变温动物，昆虫无法维持恒定体温，因此依赖环境温度调节代谢过程（Angilletta，2009年）。即使温度偏离其最适范围很小，也会影响其生长、发育和繁殖能力（Pineau等人，2017年；Thotagamuwa等人，2023年；Morales-Ramos等人，2025年）。上限耐热性（UTL）是指昆虫无法继续生存的温度阈值。不同物种、种群和生活阶段的UTL各不相同（Ali等人，2019年；Hoffmann等人，2002年；Griffiths等人，2005年；Terblanche等人，2006年；Maclean等人，2016年）。了解UTL和更广泛的热适应性有助于预测哪些物种或种群能在新环境中存活和适应。

气候、土壤类型和栖息地等环境条件对引入蜣螂的成败至关重要（Edwards，2007年）。不同物种的适宜温度范围及其繁殖功能存在差异（González-Vainer等人，2018年；Noriega等人，2020年；Thotagamuwa等人，2023年）。温度会影响蜣螂的多个方面，如幼虫发育速度、体型、飞行活动、性成熟时间、产卵量以及行为特征（Blume和Aga，1975年；Heinrich和Bartholomew，1979年；Tyndale-Biscoe和Walker，1992年；Caveney等人，1995年；Simmons和Ridsdill-Smith，2011年；Macagno等人，2018年）。在选择引入种群时，基因型和表型多样性越高，定殖成功率越高（Forsman，2014年）。引入生物控制剂可能存在引入初期个体数量较少的问题（Hufbauer和Roderick，2005年）。如可能，应从多个地理区域采集种群以增加初始的基因型和表型多样性（Forsman，2014年）。海拔变化会影响昆虫的适应性（Hodkinson，2005年；Noriega和Realpe，2018年），因此选择来自不同海拔区域的种群可确保其适应更广泛的气候条件。

Onthophagus vacca（林奈，1767年）（鞘翅目：金龟亚科：Onthophagini族）是一种座行掘洞型蜣螂，广泛分布于古北界西部，主要集中于欧洲南部和西南部，并扩展至北非（摩洛哥和阿尔及利亚）（Baraud，1992年；R?ssner等人，2010年），在那里数量较多。该物种在春季和夏季活跃，会在粪便下挖洞并将卵产在球状储藏物中（Lumaret和Kirk，1987年）。O. vacca于1980年至1983年间首次引入澳大利亚南部，但由于释放数量不足未能成功定殖（Edwards，2007年）。2011年至2014年从法国南部重新引入，经过隔离观察和数代实验室培养后，再送往大规模养殖设施，结果参差不齐（Wright等人，2015年）。为提高遗传多样性和耐旱性，2018年从摩洛哥引入了更多O. vacca个体。选取了三个具有不同气候条件和海拔的种群作为来源，将其送往CSIRO的隔离设施进行严格生物安全处理后释放。研究表明，利用海拔梯度选择不同热适应性的种群是一种有效方法。

本研究的目的是评估来自摩洛哥不同海拔区域的三个O. vacca种群的热适应性。通过实验确定成虫的上限耐热性（CTmax），并评估不同温度下的繁殖成功率（后代数量、卵到成虫的存活率、发育时间和后代体重）。研究假设在较高温度下，来自低海拔地区（温暖环境）的种群具有更高的CTmax和繁殖成功率。

**方法**
**蜣螂来源**
O. vacca成虫来自摩洛哥的三个种群（A：海拔210米；B：1665米；C：1893米），各种群的海拔和气候条件不同（表1）。采集后的昆虫经过清洁和鉴定后送往法国的蒙彼利埃CSIRO欧洲实验室。喂食新鲜牛粪（不含驱虫剂）几天后，让它们禁食三天，再次清洁后运往澳大利亚并在隔离设施中培养。

**饲养过程**
卵从球状储藏物中提取并放入组织培养皿中，表面消毒的卵先浸泡在1% Virkon消毒液中15分钟，然后用室温自来水冲洗五次。消毒后的卵在高压灭菌的球状储藏物中孵化至成虫阶段，此为F1代。

**温度处理**
首先将O. vacca成虫以每组四只（两对）的方式饲养在1.7升塑料容器中（不含BPA和邻苯二甲酸盐的聚丙烯材料，Sistema Plastics，新西兰奥克兰）。容器配有带3厘米孔口并覆盖500微米网眼的盖子，置于控温房间内。容器内填充湿润沙子和蛭石，并用特制不锈钢压块压实。供给解冻的牛粪（来自有机农场，冷冻至少三周）。每隔10-11天收集一代后代，更换新的培养基和粪便。使用黑色塑料托盘（40厘米×30厘米×6厘米）放置昆虫，并覆盖透明盖子，托盘内放有湿润蛭石。在托盘一角设置30毫升杯子（Solo Cup Company，伊利诺伊州厄巴纳）以捕捉羽化的成虫。用布网袋包裹托盘以防蝇类侵扰。每周检查两次是否有成虫羽出，羽化的成虫被保持在装有湿润蛭石的容器中，并提供粪便。每周更换蛭石和粪便。昆虫在22°C下饲养八周，光照周期为14:10（光照时间：黑暗时间），随后进行两周的15°C低温处理（光照周期：黑暗时间：12:12），接着是六周的10°C光照周期（10:14），再回到22°C光照周期（14:10），最后再次开始饲养周期。

**耐热性测定**
根据Birkett等人（2018年）的方案测定CTmax。将每个种群的亲代昆虫在越冬处理后的22°C环境中培养两天。每组六个个体分别放入六孔培养板中。使用Conviron CMP610环境箱施加温度处理，所有昆虫在30°C下适应五分钟后，温度以0.5°C/分钟的速度逐步升高。使用温度记录仪每30秒记录一次温度变化，同时观察昆虫行为。随着温度上升，昆虫逐渐失去活动能力直至死亡，记录其死亡时间。每个种群重复两次实验，每组共记录12个个体。

**繁殖成功率评估**
使用F2代昆虫进行繁殖成功率评估，其亲代（F1代）已从隔离设施释放（见上文）。在经历了越冬处理后，这些甲虫按照上述的标准饲养方案进行饲养。每个种群设置了12个饲养容器，并分别设置了恒定温度处理（19°C、22°C、25°C和28°C），每个种群共有192只甲虫。每十天收集一次虫卵球。每次收集时，都会记录成虫的存活率和收集到的虫卵球数量，之后将甲虫重新放入相同的容器中，更换新土壤和新鲜粪便。虫卵球被放置在潮湿的蛭石中，并保持在相应的温度下。由于温度保持恒定，因此每个批次的甲虫都经历了相同的温度条件。每周检查三次甲虫的羽化情况（周一、周三和周五）。羽化时会对成虫进行称重。

数据分析
为了评估这三个种群的热耐受性，计算了每个个体的临界热最大值（CTmax），即甲虫死亡时的温度以及该温度前后30秒内的温度平均值。为了研究甲虫体重是否影响CTmax，使用了线性回归分析。还使用广义线性模型（GLM）来确定种群对CTmax的影响。GLM用于评估种群和温度处理及其相互作用对以下指标的影响：羽化率（泊松分布，对数链接函数）、每个雌性甲虫在每个饲养容器中产生的虫卵球平均数量（泊松分布，对数链接函数）、成虫体重（毫克）（正态分布，恒等对数函数）以及从虫卵球形成到成虫羽化所需的发育时间（指数分布，倒数链接函数）。发育时间的分布遵循伽马分布。然而，由于JMP 19.0版本不支持伽马分布，因此使用指数分布作为替代，因为指数分布是伽马分布的一个特例，其形状参数固定为1。通过将GLM估计的边际均值（EMMs）进行线性对比，使用Wald检验来评估各因素水平之间的差异。P值使用Tukey方法进行了多重比较校正。所有数据分析均使用JMP 19.0完成。数据分析方法参考了Zuhr等人（2010年）的研究。

结果
1. **热耐受性**
平均CTmax为45.5 ± 0.1°C（低海拔种群：45.6 ± 0.2°C，中等海拔：45.6 ± 0.2°C，高海拔：45.3 ± 0.2°C）。三个种群之间的CTmax没有显著差异（χ2 = 0.014，df = 2，p = 0.993），并且未发现CTmax与甲虫体重之间存在线性关系（R2 = 0.045，F1, 34 = 1.587，p = 0.216）。
2. **虫卵球产生量和羽化率**
三个种群在所有饲养温度下都能成功产生虫卵球。总体模型显示，种群、温度处理及其相互作用对每只雌性甲虫产生的虫卵球平均数量有显著影响（χ2 = 217.974，df = 11，p < 0.001）。种群来源（χ2 = 172.439，df = 2，p < 0.001）、处理温度（χ2 = 16.717，df = 3，p < 0.001）以及种群和温度的相互作用（χ2 = 14.624，df = 6，p ≤ 0.023）对虫卵球产生量均有显著影响。总体而言，高海拔种群的雌性甲虫产生的虫卵球最多，其次是低海拔种群，中等海拔种群的雌性甲虫产生的虫卵球最少。高海拔种群在每个温度下的虫卵球产量几乎是中等海拔种群的三倍。高海拔种群在不同温度下的表现更为不稳定，这从25–75%的分位数范围较宽可以看出（图1）。对于来自低海拔和高海拔的种群，虫卵球产量随温度升高而减少，但在19°C和22°C之间没有显著差异（图1）。而中等海拔种群在所有饲养温度下的虫卵球产量都较低。

3. **羽化率**
整体模型很好地拟合了羽化率数据（χ2 = 187.252，df = 11，p < 0.001）。羽化率明显受到处理温度的影响（χ2 = 150.474，df = 3，p < 0.001），但不受种群来源（χ2 = 4.461，df = 2，p = 0.108）或因素相互作用（χ2 = 2.431，df = 6，p = 0.876）的影响。羽化率随温度升高而显著降低（图2）。平均而言，28°C处理下的羽化率最低，只有23.7%的虫卵球能够发育成成虫。25°C处理下的羽化率翻了一倍多，22°C处理下的羽化率提高了两倍，19°C处理下的羽化率介于两者之间。

4. **后代体重和发育时间**
GLM很好地拟合了后代体重数据（χ2 = 460.301，df = 11，p < 0.001）。种群（χ2 = 74.509，df = 2，p < 0.001）和温度处理（χ2 = 349.498，df = 3，p < 0.001）对后代体重有显著影响，但它们的相互作用没有显著影响（χ2 = 9.003，df = 6，p = 0.173）。高海拔种群的后代体重明显更重，其次是低海拔种群的后代（图3）。平均而言，中等海拔种群的后代比高海拔种群的后代轻16毫克，比低海拔种群的后代轻10毫克。后代体重随饲养温度的降低而显著增加（图3）。

5. **其他变量**
对于其他测试的变量，GLM也很好地拟合了发育时间数据（χ2 = 77.530，df = 11，p < 0.001）。发育时间显著受到温度处理的影响（χ2 = 67.455，df = 3，p < 0.001），但不受种群（χ2 = 0.401，df = 2，p = 0.818）或种群和温度相互作用（χ2 = 0.235，df = 6，p = 0.998）的影响。发育时间随温度升高而显著加快（图4）。

**讨论**
本研究调查了来自摩洛哥不同海拔区域的三个O. vacca种群的热性能和繁殖成功率。这些个体有意从不同的地点、海拔和气候条件下收集，以增加澳大利亚引进种群的多样性，并希望它们能够适应新环境。总体而言，温度对O. vacca的繁殖成功率有重大影响，较高温度对其产生了负面影响。不同种群之间存在显著差异，其中高海拔种群的表现明显优于其他种群。

**热耐受性与种群的关系**
尽管这些种群来自海拔超过1600米的地区，但它们的热耐受性相似。来自较低海拔（210米）且经历较高温度的种群在生理上并没有比来自更高海拔（> 1600米）的另外两个种群更好地适应高温。较重的甲虫并没有比体重较轻的甲虫具有优势，这从甲虫体重与CTmax之间缺乏相关性可以看出。我们原本预期O. vacca的CTmax会存在差异，因为先前的研究已经发现不同海拔的粪甲虫物种之间存在热耐受性差异（Gaston和Chown，1999年），以及同一物种内不同海拔的个体之间存在干燥耐受性差异（Nervo等人，2021年）。然而，我们的结果表明，O. vacca的CTmax相对一致，无论其起源地如何。不同种群之间的热耐受性差异可能显著（例如，Klok和Chown 2003年，Hoffman等人2002年，Griffiths等人2005年，Diamond等人2018年，Jensen等人2019年）。然而，热耐受性的上限（UTL）在地理上较为保守，而热耐受性的下限则随纬度的增加而降低（Addo-Bediako等人2000年）。进一步研究热耐受性应包括更广泛的O. vacca种群，重点关注纬度变化并测试热耐受性的下限（CTmin）。

虽然O. vacca在春季具有繁殖活性，但其后代在夏季出现，并会以粪便为食维持数周活跃状态（Hajji等人2025年）。澳大利亚南部和摩洛哥的地表温度很容易超过O. vacca的CTmax（法国气象总局2024年，澳大利亚联邦政府2025年）。这一物种能在不同气候条件下生存，表明成虫必须采取避热行为。甲虫可能找到了适宜的微气候环境，在一天中较凉爽的时间隐藏并调整活动。成虫具有移动性，可以在粪便和土壤中挖洞以避免较高的空气温度，从而无需进化出更高的热耐受性。日常活动模式、微气候选择和挖洞是昆虫常用的体温调节方式（Lahondère 2023年）。最近的研究表明，O. vacca在低海拔地区的春季活动时间比在高海拔地区更早（Hajji等人2025年）。尽管O. vacca在不同地点和海拔的活跃时间不同，但全年活跃期长度相同（Hajji等人2025年）。当前研究的结果表明，野外观察到的活动基于气候条件，而非种群的遗传适应性。

**虫卵球产生量和羽化率与种群的关系**
由于粪甲虫的所有幼虫阶段都是不动的，成虫必须为它们提供最佳环境。所有种群在所有饲养温度下都能产生虫卵球，说明它们能在广泛的温度范围内繁殖。虽然最低和最高海拔种群的虫卵球产量随温度降低，但中等海拔种群的虫卵球产量不受温度影响，始终保持在较低水平。温度影响了甲虫的羽化率，在所有种群中，较高饲养温度下的羽化率最低。同样，后代体重和发育时间也随温度升高而降低。因此，较高温度降低了O. vacca的繁殖成功率，产生的虫卵球数量减少，后代数量和体型也更小。较低的羽化率可能是由于卵的存活率或幼虫死亡率所致。

O. vacca属于Paracoprid类，因此它将虫卵球埋在土壤隧道中。在实验室条件下，虫卵球通常位于饲养容器底部，深度约为20-25厘米（Gleeson和Caron私人观察）。在自然环境中，甲虫可以挖得更深，以确保虫卵球处于较凉爽的环境中，从而获得最佳发育和羽化率。然而，这需要消耗大量能量，尤其是在坚硬紧实的土壤中。

**后代适应性特征与种群的关系**
我们预期在不同温度下饲养的三个种群之间会在繁殖和后代适应性方面存在差异，因为它们来自不同的海拔。在昆虫中，发育温度是决定后续表型的重要因素（Rodrigues和Beldade 2020年）。我们的结果显示，种群来源对适应性特征有显著影响。在所有处理温度下，高海拔种群的甲虫产生的虫卵球最多，后代体重最重，发育速率也最快。平均而言，这个群体的产卵球数量是产量最低的群体（位于中等海拔地区）的三倍，其后代体重也更重（分别为16毫克和10毫克，相当于它们体重的五分之一和八分之一）。因此，在实验室条件下，高海拔群体的繁殖适应性在更高温度下明显更强。虽然这并不一定意味着它们在野外有更大的成功几率，但我们的研究结果表明，这个高海拔群体可能是引入计划的理想选择，因为它在实验室或野外笼养条件下具有更高的生产力，能够为大规模野外释放提供大量健康成熟的个体。此外，每个温度下产卵球数量的较大差异表明该群体能够在更广泛的条件下有效繁殖。

我们的研究表明，在不同温度下，来自最高海拔地区的O. vacca种群的繁殖表现优于其他两个群体。然而，我们没有对每个海拔地区的样本进行重复实验，研究中仅代表了三个海拔点的数据。因此，需要进一步的研究来确认海拔高度对O. vacca热生物学特性的重要性。该物种具有广泛的纬度分布（R?ssner等人，2010年），这为我们提供了沿着海拔和纬度梯度比较其表现的机会。例如，比较地中海北部和南部地区的种群热耐受性会很有意义。

蜣螂是重要的生态系统工程师，当某一地区缺乏这种适应性物种时，将会产生严重的环境后果。这一点在澳大利亚得到了充分体现：在引进蜣螂之前，由于缺乏能够处理外来牲畜产生的粪便的蜣螂种群，粪便会在土壤表面堆积（Waterhouse 1974, Doube等人1991, Doube 2018）。为了缓解这些不良影响，澳大利亚已经引进了蜣螂近60年，但目前仅有23种蜣螂在本地成功定殖（Edwards 2007）。通过提高引进过程中的表型和基因型多样性，可以增加新物种的定殖成功率（Forsman 2014）。我们的研究显示，来自不同地点的蜣螂种群之间的热适应性存在显著差异。将新物种引入澳大利亚需要遵循严格的程序和多个步骤：蜣螂培养物通常需要在海外和隔离设施中饲养数年才能获得释放许可（Wright等人2015）。长时间的实验室饲养会增加引进种群在基因型上的多样性，并降低其适应性。必须识别出表现最佳的种群，以提高物种在当地生存和适应的可能性。利用海拔梯度筛选种群可以确保O. vacca种群在自然环境中具有最佳的定殖和提供生态系统服务的能力。

**作者贡献**
概念构建：V.C.、P.V.G.、S.P.V.和J.A.N.
方法学：V.C.、P.V.G.、S.P.V.、A.Z.、J.S.、J-P.L.、A.T.和H.H.
数据采集：V.C.、P.V.G.和S.P.V.
分析和解释：V.C.、J.A.N.和G.M.G.
资金筹集：V.C.、J.-P.L.和G.M.G.
数据分析：V.C.
原始稿撰写：V.C.和J.A.N.
审稿与编辑：V.C.、P.V.G.、S.P.V.、J.-P.L.、A.Z.、J.S.、H.H.、G.M.G.和J.A.N.

**数据可用性声明**
本研究中使用的所有数据均存储在Dryad数字存储库中，可通过以下DOI链接获取：http://datadryad.org/share/LINK_NOT_FOR_PUBLICATION/0jwDOdaEKWGtb4NMr-nqaZLSX5E5IjulFuVs4TfByaw

**未引用的参考文献**
Diamond等人，1882年；Hajji等人，2023年；McGeoch等人，2002年；Nichols等人，2008b年；Noriega等人，2021年；Schoolmeesters，2024年；Sowig，1996年；Lee等人，2005年

**CRediT作者贡献声明**
Valerie Caron：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿、验证、监督、资源管理、项目管理、方法学研究、资金筹集、数据分析、概念构建。
Patrick V. Gleeson：撰写——审稿与编辑、方法学研究、概念构建。
Saleta Pérez Vila：撰写——审稿与编辑、方法学研究、概念构建。
Jean-Pierre Lumaret：撰写——审稿与编辑、方法学研究、资金筹集。
Alberto Zamprogna：撰写——审稿与编辑、方法学研究。
José Serin：撰写——审稿与编辑、方法学研究。
Hasnae Hajji：撰写——审稿与编辑、方法学研究。
Abdellatif Janati-Idrissi：撰写——审稿与编辑、验证、研究、资金筹集。
Geoff M. Gurr：撰写——审稿与编辑、验证、研究、资金筹集。
Agasthya Thotagamuwa：撰写——审稿与编辑、方法学研究。
Jorge Ari Noriega：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿、数据可视化、验证、研究、概念构建。