季节性气候变化影响着普通蓝尾豆娘的免疫反应和感染风险

《Oecologia》：Seasonal climatic variability shapes immune responses and infection risks in the common bluetail damselfly

　　摘要
了解气候变化如何影响宿主-寄生虫相互作用对于预测疾病驱动的灭绝风险至关重要。昆虫的免疫反应对温度、湿度和降雨等季节性气候因素非常敏感，然而，季节性气候波动对昆虫免疫反应和寄生虫流行率的影响仍知之甚少。为了解决这一空白，我们研究了Ischnura heterosticta豆娘免疫反应和内寄生虫（原生动物群居体）流行率（感染比例）的季节性变化。在温暖季节，豆娘可能会遇到更多的食物资源，这为合成黑色素提供了更多的能量，而黑色素是prophenoloxidase免疫反应的关键成分；因此，我们预测在较温暖的月份，黑色素的生成会增加，而寄生虫（群居体）的流行率会降低。与我们的预测一致，我们在夏季发现了更强的黑色素生成和更低的群居体流行率。我们进一步发现，黑色素生成随空气温度升高而增加，随降雨和湿度降低而减少；而在雌性豆娘中，群居体流行率随空气温度降低而减少，随湿度和降雨增加而增加，但在雄性豆娘中则没有这种趋势。我们的研究表明，自然季节性气候变化可以影响不同季节的免疫反应模式、宿主-寄生虫相互作用和感染流行率。虽然在有利季节的短期变暖可能会增强宿主的免疫反应，但长期或极端的气候变化可能会通过改变资源可用性、湿度模式或昆虫的热限制来破坏宿主-寄生虫关系，从而导致宿主种群的季节性下降。

引言
气候的季节性波动可能会通过增加疾病流行率和传播范围来促进全球昆虫数量的下降（参见Harvey等人2020年的研究）。昆虫的免疫反应受到温度、湿度和降雨等因素的影响（Martin和Hillyer 2024年），因此预计气候变化导致的温度升高将影响昆虫的免疫反应，进而影响疾病流行率（Paul等人2024年；Reece等人2017年）。季节性气候可以改变寄生虫的流行率、寄生强度以及寄生虫带来的适应成本，因此估计不同季节的寄生影响和成本有助于确定当地种群数量下降的风险（参见Paul等人2024年）。温度、降雨和湿度等气候因素会影响昆虫生活史的各个方面，包括免疫反应（Cohen等人2020年；da Silva等人2021年；LoScerbo等人2020年；Mlynarek等人2015年）。较高的温度会增加基础生理功能所需的代谢成本和能量，从而减少可用于免疫反应的资源，可能导致温暖月份寄生虫或疾病的增加（Khan和Rolff 2025年）。例如，在实验室条件下暴露于模拟热浪中的豆娘幼虫（Coenagrion puella）表现出能量储备减少和免疫力下降，表明这些效应是由直接的热应力引起的，而不是资源可用性有限（Tüzün和Stoks 2021年）。另一方面，较高的温度可以增加食物和营养的可用性，从而增加免疫反应的资源，减少温暖月份的寄生虫或疾病。例如，在较高温度下，蚊子（Murdock等人2012年）和腐臭蝇（Gourgoulianni等人2023年）的免疫反应更强。同样，在Lestes forcipatus和Ischnura elegans豆娘中，温暖季节观察到了更强的免疫反应（Robb和Forbes 2005年；Raczyński等人2022年）。因此，温度的影响可能会增加或减少免疫反应，进而影响寄生虫的流行率和强度，具体方向和程度取决于宿主-寄生虫系统和当地气候条件。

方法与材料
**宿主-寄生虫研究系统**
豆娘是半水生昆虫，是内寄生虫群居体（Apicomplexa: Protozoa）的宿主（Zawal和Dyatlova 2008年），这些寄生虫通过饮用被群居体卵囊污染的水或摄入被污染的猎物（如苍蝇）传播（Hecker等人2002年）。在豆娘的肠道中，群居体卵囊发育成孢子虫，附着在豆娘后肠上皮上，然后转化为成熟的滋养体，最终发育为生殖配子囊（Baker 2023年）。群居体可能会损害豆娘的肠道内壁，降低豆娘的适应性，影响其生存并降低雌性的产卵量（Cordoba-Aguilar和Munguía-Steyer 2013年；Kaunisto等人2017年）。我们研究了Ischnura heterosticta豆娘的免疫反应和群居体寄生虫流行率的季节性变化，这种豆娘属于Coenagrionidae科，体型中等（体长：33.7±0.08毫米）。在野外，雄性I. heterosticta的头部和胸部为黑色和蓝色，腹部为黑色并带有蓝色条纹（图1a）。未成熟的雌性I. heterosticta最初与雄性颜色相似，成熟后变为灰色（图1a）。该物种广泛分布于澳大利亚，生活在静水和流水生境中，自然受到Arrenurus水螨和原生动物群居体的寄生（Paul等人2022年；2024年）。

**研究地点**
我们从位于澳大利亚新南威尔士州Macquarie大学Wallumattagal校区的自然种群中收集了豆娘。研究地点是一个面积约为895平方米、周长212米的小型人工湖泊，湖水不流动。我们从2024年3月到2025年2月每月对研究地点进行调查，涵盖了该物种的整个飞行季节。由于该物种不受保护，且研究地点不属于国家公园或保护区，因此收集豆娘不需要许可证。

**确定免疫反应**
我们使用澳大利亚常见的蓝尾豆娘（Ischnura heterosticta）和一种内寄生虫群居体（Apicomplexa: Protozoa）作为宿主-寄生虫研究系统。我们用黑色素生成作为免疫反应的指标，并测量了不同季节的群居体流行率。我们假设免疫反应和寄生情况会随温度变化而变化。具体来说：（1）温暖月份的较高温度可能会增强免疫反应并减少寄生虫，如果热条件促进了生理活动和发育；或者，（2）如果高温降低了宿主的免疫投入和/或有利于寄生虫的发育，寄生虫可能会在温暖月份增加。我们收集了2024-2025年期间澳大利亚气象局（BOM：http://www.bom.gov.au/climate/data/index.shtml）提供的每月最高和最低温度数据，并计算了每个调查月份的月平均温度（°C）、降雨量（mm）和湿度（%）。在研究期间，该地区的平均秋季、春季和夏季温度分别为19.83±1.67°C、19.28±2.61°C和24.06±0.48°C。平均秋季、春季和夏季降雨量分别为132.84±62.96mm、44.54±9.79mm和66.84±37.82mm。平均秋季、春季和夏季湿度分别为60.70±14.15%、53.49±9.16%和60.1±5.81%。

**统计分析**

我们使用了Durga R包中的DurgaDiff函数来确定反向灰度值（作为黑色素沉着的指标）和群居寄生虫感染率在性别之间、雌性不同发育阶段之间以及不同季节之间的平均差异（详见补充信息）。该函数通过1000次自助法计算了平均差异的95%置信区间。我们应用了广义线性模型（GLM）来分析气候因素（月平均温度、降雨量和湿度）对黑色素沉着和群居寄生虫感染率的影响。我们将黑色素沉着/群居寄生虫感染率作为响应变量，气候因素作为固定效应进行建模。所有数据分析均在R 4.0.3版本（R Core Team 2020）中进行，使用了“lme4”包进行混合模型拟合和分析（Bates等人，2014年），“performance”包检查过度离散性（Lüdecke等人，2021年），以及“Durga”包估计和绘制效应大小（Khan和McLean，2024年）。所有数值均以标准误差表示。有关模型描述的详细信息，请参见补充信息。

**结果**

**性别和雌性发育阶段之间的黑色素沉着和群居寄生虫感染率**

成熟雌性与未成熟雌性之间的黑色素沉着存在差异（图S3），成熟雌性的黑色素沉着更高，但两者都高于雄性，因此我们在后续分析中将它们合并。雌性的黑色素沉着高于雄性（反向灰度值的平均差异：3.96，95%置信区间[0.45, 8.19]，图2a）。同样，成熟雌性的群居寄生虫感染率也高于未成熟雌性（图S3d），但仍高于雄性，因此我们将它们合并以比较雌性和雄性，结果显示雌性的感染率显著更高（平均差异：0.54，95%置信区间[0.4, 0.66]，图2d）。夏季（平均反向灰度值：98.80±12.43）和春季（93.68±16.66）的黑色素沉着较高，而秋季（75.15±19.20）较低（图2b, c；表1；另见GLM结果）。群居寄生虫感染率在春季（66.66%）和秋季（54.76%）高于夏季（45.09%）（图2d, e；表1；另见GLM结果）。

**不同季节中性别和雌性发育阶段的黑色素沉着和群居寄生虫感染率**

- **性别和雌性发育阶段之间的黑色素沉着**：成熟雌性与未成熟雌性之间的黑色素沉着存在差异（图S3），成熟雌性的黑色素沉着更高，但两者都高于雄性，因此我们在后续分析中将它们合并。
- **群居寄生虫感染率**：成熟雌性的群居寄生虫感染率高于未成熟雌性（图S3d），但仍高于雄性，因此我们将它们合并以比较雌性和雄性，结果显示雌性的感染率显著更高（平均差异：0.54，95%置信区间[0.4, 0.66]，图2d）。
- **季节性变化**：夏季（平均反向灰度值：98.80±12.43）和春季（93.68±16.66）的黑色素沉着较高，而秋季（75.15±19.20）较低（图2b, c；表1；另见GLM结果）。
- **群居寄生虫感染率**：春季（66.66%）和秋季（54.76%）的群居寄生虫感染率高于夏季（45.09%）（图2d, e；表1；另见GLM结果）。

**图2**：不同季节中I. heterosticta豆娘的黑色素沉着反应（灰度值）和群居寄生虫感染率（%）。图中显示了（a）性别之间；（b）不同季节之间；（c）雌性之间；（d）雄性之间的黑色素沉着反应和群居寄生虫感染率的变化。在图（a-c）的上方面板中，黑色圆圈代表平均值，垂直条代表两个性别的95%置信区间（CI）。在（a）中，彩色点代表黑色素沉着，而在（b）和（c）中，每个彩色圆圈代表雌性和雄性的一个采样事件。在下面的面板中，三角形代表平均差异，垂直线代表1000次自助法得出的平均差异的95%置信区间。箱形图（d-f）显示了性别之间和不同季节之间的群居寄生虫感染率差异，粗线表示中位数，底部和顶部边界表示第25和第75百分位数。误差条从第一四分位数向下延伸到最小值，从第三四分位数向上延伸到最大数据点。对于每个采样事件，测试了35个个体（n=35）以评估性别之间和不同季节之间的黑色素沉着差异（图a-c）。然而，我们使用了一部分数据（n=10，从每个采样事件中随机选取）来确定受感染的豆娘比例（图d-e）。

**表1**：不同季节中雌性和雄性I. heterosticta豆娘的黑色素沉着变化情况。

**黑色素沉着与气候因素的相关性**

在雌性中，黑色素沉着与月平均温度呈正相关（GLM，估计值=1.63±0.50，z=3.25，p=0.001；图3a），但与降雨量（GLM，估计值=-0.07±0.02，z=-2.67，p=0.008；图3b）和湿度（GLM，估计值=-0.58±0.13，z=-4.35，p<0.0001；图3c）呈负相关。在雄性中，黑色素沉着也与湿度呈负相关（GLM，估计值=-0.31±0.13，z=-2.28，p=0.02；图3c），但与温度和降雨量无关（表2；图3a, b）。

**图3**：I. heterosticta豆娘的黑色素沉着反应（灰度值）和群居寄生虫感染率（群居寄生虫感染比例）与气候因素（月平均温度、降雨量和湿度）的相关性。图（a-c）和（d-f）分别显示了雌性和雄性在不同季节中黑色素沉着和群居寄生虫感染率与气候因素的相关性。每个圆圈代表一个采样事件。拟合线代表数据点的总体趋势。我们使用了一部分数据（每个采样事件10个个体）来计算气候因素对群居寄生虫感染率的影响。星号表示显著性水平（*p<0.05，***p<0.0001）。

**表2**：不同季节中雌性和雄性I. heterosticta豆娘的黑色素沉着与月平均温度、降雨量和湿度的相关性。

虽然成熟雌性的群居寄生虫感染率高于未成熟雌性（图S4），但气候模式相似（图S4），因此我们将数据合并。在雌性中，群居寄生虫感染率随月平均温度的降低而降低（GLM，估计值=-0.22±0.12，z=-1.81，p=0.07；图3d），但与降雨量和湿度无关（表2，图3e和图3f）。在雄性中，群居寄生虫感染率与温度无关，但与降雨量（表2，图3e）和湿度（GLM，估计值=-0.05±0.02，z=-2.37，p=0.01；图3f）呈负相关。

**讨论**

我们发现，与春季和秋季相比，夏季雌性和雄性的黑色素沉着更高。黑色素沉着随温度升高而增加，但随着降雨量和湿度的增加而降低，而群居寄生虫感染率在雌性中全年都较高，并且与温度呈弱负相关。此外，我们发现黑色素沉着在群居寄生虫感染率较低的季节（即夏季）更高。总体而言，这些结果表明，黑色素沉着的季节性变化在调节I. heterosticta豆娘的感染风险中起着重要作用。

**黑色素沉着与群居寄生虫感染之间的关系**

我们的结果揭示了黑色素沉着与感染之间的反比关系（合并了所有季节的数据，图4a, b；另见补充信息）。类似地，蟋蟀（Fedorka等人，2013年）和粪蝇（Gourgoulianni等人，2023年）在温暖季节也表现出更强的免疫反应，这与较低的感染风险相关。温暖的条件增强了产生黑色素的酶活性，可能有助于清除寄生虫。相反，豆娘在春季的免疫反应较弱，这可能增加了它们对群居寄生虫的易感性，从而导致更高的群居寄生虫感染率。这些发现与更广泛的证据一致，包括青蛙（无尾目），其中基于黑色素的免疫有助于抵抗病原体（Laumeier等人，2023年），表明黑色素沉着在减少寄生虫感染中可能具有保守的作用。总体而言，我们的结果表明，季节性的免疫反应变化影响了I. heterosticta豆娘的感染风险，但需要直接实验来确认这种因果关系。

**图4**：I. heterosticta豆娘的黑色素沉着反应（灰度值）和群居寄生虫感染率（群居寄生虫感染比例）的相关性。图（a）显示了个体黑色素沉着反应与群居寄生虫感染比例之间的关系，按性别（雌性和雄性）区分。图（b）显示了不同季节（秋季、春季和夏季）之间的相同关系。每个圆圈代表一个个体豆娘，群居寄生虫感染率计算为每个采样事件中受感染个体的比例。拟合线代表每个组数据点的总体趋势。

**黑色素沉着的季节性变化及其与气候因素的相关性**

我们的研究表明，I. heterosticta豆娘在夏季的黑色素沉着高于春季和秋季。与我们的发现一致，蟋蟀（Allonemobius socius）的免疫反应在温暖月份也更高（Fedorka等人，2013年）。昆虫可能在夏季能够产生更强的免疫反应（参见Adamo和Lovett，2011年），因为资源更丰富，这使得它们能够相对更多地投资于免疫系统（Hangartner等人，2013年；Kiss等人，2020年；Rivera-Rea等人，2022年）。例如，豆娘的食物来源，如双翅目、膜翅目和鞘翅目昆虫，在夏季更为丰富（Lim等人，2021年）。食物来源的增加增强了营养，从而提高了豆娘和其他昆虫的免疫反应（Leung, B等人，2001年；Kiss等人，2020年）。需要直接实验来解开温度与季节性食物可用性对宿主免疫的影响。

我们发现温度、降雨量和湿度影响了黑色素沉着，其中温度对黑色素沉着有正面影响，而降雨量和湿度则有负面影响。我们的研究支持了先前的发现，即较高温度增强了热带物种或适应温暖气候的物种的黑色素沉着（例如Sepsis thoracica、Galleria mellonella和Sarcophaga africa（Gourgoulianni等人，2023年；Mastore等人，2019年）。夏季温度与酚氧化酶（PO）酶活性呈正相关——这是黑色素生成的关键酶——如加勒比白蚁Nasutitermes acajutlae（Fuller等人，2011年）和粉虫Tenebrio molitor（Catalán等人，2012年）所示。同样，黑色素沉着与降雨量或湿度的负相关也在Parnassius clodius蝴蝶中得到报道（Zaman等人，2019年）。较干燥的条件增加了proPO的表达，从而增加了PO活性（例如埋葬甲虫：Urbański等人，2021年），但这可能与黑色素色素在昆虫表皮中的干燥保护功能无关（例如Rajpurohit等人，2016年）。

重要的是，我们的结果与更广泛的跨物种模式一致：蜻蜓表皮黑色素沉着的季节性变化表明了黑色素沉着在季节中的作用（Novella-Fernandez等人，2023年）。在不同物种中，颜色亮度倾向于随温度升高而增加，随湿度或病原体负荷降低而降低，这支持了黑色素沉着与环境或免疫适应之间的联系（Pinkert等人，2017年；Stelbrink等人，2019年；Laumeier等人，2023年）。虽然先前的研究通常关注表皮黑色素沉着，但我们对不同性别和季节的血淋巴黑色素沉着的详细测量提供了对免疫投资季节性调节的更深入见解。

**群居寄生虫感染率的季节性变化及其与气候因素的相关性**

我们发现春季的群居寄生虫感染率高于秋季和夏季。我们的研究证实了先前的发现，即在较凉爽的月份寄生虫感染率更高，例如豆娘的水螨感染（Paul等人，2024年；Robb和Forbes，2005年）以及蚊子的内寄生虫感染（Farner等人，2025年，预印本；Trzebny等人，2024年）。较低的春季温度、降雨量和湿度可能通过影响群居寄生虫的生活史特征来驱动豆娘群居寄生虫感染率的季节性变化。春季条件促进了群居寄生虫自由生活阶段的发育、密度和感染性（Paul等人，2024年；Trzebny等人，2024年），这种模式也在其他内寄生虫中观察到，如蚊子中的Lambornella clarki（Ismail等人，2024年）和蟑螂中的Blabericola migrator（Kolman等人，2015年）。虽然我们的研究中降雨量和湿度较低与豆娘的较高寄生虫感染率相关，但相关性较弱（另见Trzebny等人，2024年中的微孢子虫发生情况）。较湿润的条件可能通过增加寄生虫的数量来促进感染率的增加，因为水位较低（Shearer和Ezenwa，2020年；Trzebny等人，2024年），或者卵囊的存活率、传播或宿主对寄生虫的暴露增加。如上所述，季节性气候可能影响宿主的免疫，进一步影响群居寄生虫的感染率。

**研究的局限性**

我们的一个局限性是未在分析中包括宿主或群落密度。密度依赖性效应可能会影响资源可用性、免疫投资和寄生虫传播，从而可能影响观察到的黑色素沉着和群居寄生虫感染的季节性变化。在未来的研究中纳入密度测量将有助于澄清气候、免疫和传播动态的相对作用。

**结论**

总体而言，我们展示了黑色素沉着和群居寄生虫感染的季节性动态，温暖季节的黑色素沉着较高，群居寄生虫感染率较低。这些发现强调了季节性气候波动在塑造宿主-寄生虫相互作用中的作用，为疾病动态和昆虫适应性提供了宝贵的见解。虽然短暂的温暖期可能会增强宿主的免疫反应，但持续或极端的气候变化可能会通过改变资源、湿度和昆虫的热耐受极限来扰乱宿主-寄生虫相互作用，从而导致免疫反应能力的季节性下降。

**关于多样性和包容性的声明**

我们相信、支持并在科学及所有领域实践公平、多样性和包容性（R??ler等人，2020年）。我们来自不同的国家、国籍、居住地和文化背景（孟加拉国、奥地利和澳大利亚），以及神经多样性社区。我们代表了不同的职业阶段（研究生、早期职业研究人员和教授）。其中一位或多位作者自认为是 LGBTQI+ 群体的成员，并且在科学领域属于宗教少数群体。