CC BY
70
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 25 2011
УДК 574.476
ВЛИЯНИЕ МЕЖВИДОВОЙ КОНКУРЕНЦИИ НА СТЕПЕНЬ ПИЩЕВОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ КОЛЛЕМБОЛ1
© Е. Э. СЕМЕНИНА, А. В. ТИУНОВ Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, лаборатория почвенной зоологии и общей энтомологии e-mail: [email protected]
Семенина Е. Э., Тиунов А. В. - Влияние межвидовой конкуренции на степень пищевой избирательности кол-лембол // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2011. № 25. С. 427-431. - С помощью изотопной метки исследовано влияние межвидовой конкуренции на степень пищевой избирательности у четырех видов коллембол в экспериментальных условиях. Коллембол (Folsomia Candida, Vertagopus pseudocinereus, Sinella tenebricosa, Xenylla grisea)
содержали либо в монокультуре, либо совместно. Пищей служили три вида почвенных грибов (Cladosporium cladospo-rioides, Mucor plumbeus, Chaetomium globosum), выращенных на агаризированных средах, имеющих разный изотоп -ный состав углерода и азота (13С/12С и 15N/14N). Измерение изотопного состава азота и углерода в телах коллембол позволило рассчитать долю трех пищевых ресурсов в рационе животных. Присутствие конкурентов существенно снижало популяционную плотность коллембол. V. pseudocinereus и X. grisea практически не размножались в многовидовых культурах. При раздельном содержании все виды коллембол преимущественно питались С. cladosporioides. Однако в присутствии других видов коллемболы включали в свой рацион менее предпочитаемые виды грибов. Изменение рациона было особенно сильным у V. pseudocinereus. Более толерантные к присутствию конкурентов виды (F. candida и S. tenebricosa) мало изменили состав своего рациона в присутствии других видов. Результаты эксперимента предполагают, что в естественных условиях освоение коллемболами разных пищевых объектов зависит не только от пищевых преферендумов определенного вида, но и от присутствия конкурирующих видов.
Ключевые слова: детритные трофические сети, микофаги, стабильные изотопы.
Semenina Е. Е., Tiunov А. V. - Food selection in Collembola depends on the presence of competitors // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V.G. Belinskogo. 2011. № 25. P. 427-431. - Stable isotope analysis was applied to study the influence of the interspecific competition on food selection in four Collembola species. Collembolans (Folsomia candida, Vertagopus pseudocinereus, Sinella tenebricosa, Xenylla grisea) were kept in laboratory microcosms either in monocultures or as a mixture of four species. Three species of soil fungi (Cladosporium cladosporioides, Mucor plumbeus, Chaetomium globosum) grown on isotopically distinct media were offered as food. Isotopic composition of nitrogen and carbon (13C/12C and 15N/14N) in collembolan’s bodies allowed calculating the proportion of three different fungi in their diet. The presence of competing species decreased population density of all collembolan species studied. V. pseudocinereus and X. grisea did not reproduce in microcosms with the mixture of four species. In monoculture, all species of Collembola mostly fed on C. cladosporioides. However, the presence of competitors forced collembolans to include less preferred fungal species in their diet. The changes in the diet composition were most expressed in V. pseudocinereus, whereas more tolerant F. candida and
S. tenebricosa changed the composition of their diet only slightly. The results of this experimental study suggest that in natural conditions the feeding behavior of collembolans depends not only on the preferences towards particular food items but also on the presence of competitors.
Keywords: detrital foodwebs, saprotrophic fungi, mycophagous animals; stable isotopes.
В лесных почвах умеренных широт сосуществу- ющие чрезвычайно высокое разнообразие почвенных
ют сотни видов микроартропод, в том числе десятки животных, остаются до сих пор слабо исследованны-
видов коллембол [1]. Однако механизмы, обеспечива- ми [16]. Экологическая теория предполагает, что сосу-
1 Материалы, представленные наВторой Всероссийскойс международнымучастиемполевой школе по почвенной зоологии и экологии для молодых ученых (Пенза, 12-16 сентября 2011 г.), проведенной при финансовой поддержке РФФИ (грант № 11-04-06824-моб_г), гранта Президента РФ (проект МД-4662.2010.04) и Пензенского государственного педагогического университета им. В.Г. Белинского.
IZ VESTIА
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 25 2011
ществование морфологически близких видов должно сопровождаться разделением экологических, в частности трофических, ниш. однако неоднократно показано, что в лабораторных культурах разные виды почвенных микроартропод предпочитают, как правило, довольно узкий, и совпадающий у разных видов, набор пищевых объектов. В частности, коллемболы охотнее всего питаются темноокрашенными микроскопическими грибами (такими как Alternaria alternata и Cla-dosporium cladosporioides), относящимися к функциональной группе ранних колонизаторов опада [9, 12]. Между тем, данные изотопного анализа (измерение соотношения стабильных изотопов 13С/12С и l5N/l4N в тканях животных) показали, что в естественных условиях разные виды коллембол имеют разные пищевые ниши [3, 14] и, видимо, занимают широкий спектр позиций в трофических цепях (от фитофагов и потребителей растительных остатков до хищников или некро-фагов). Выбор пищевых объектов конкретного вида в естественномсообществедолжен,по-видимому, определяться как пищевой специализацией или пищевыми преферендумами, так и доступностью определенных пищевых ресурсов. Степень доступности, в свою очередь, зависит от конкурентных взаимодействий с другими видами, но в приложении к детритным пищевым сетям этот вопрос пока остается почти неисследованным. В частности, почти нет данных о влиянии межвидовой конкуренции на выбор пищевых объектов у ногохвосток. В недавнем лабораторном эксперименте с использованием изотопной метки было показано, что при внесении в почву конкурентного вида (Folsomia quadrioculata) «резидентные» коллемболы Folso-mia fimetaria несколько меняют объекты питания, но точный механизм этого явления прослежен не был [б].
Задачей данной работы была оценка влияния межвидовой конкуренции на степень пищевой избирательности у четырех видов коллембол. для этого коллемболам была предложена диета, состоящая из трех видов грибов, которые, как было показано в предварительных экспериментах [14], имели разную пищевую привлекательность для коллембол. Мы предполагали, что в присутствии конкурентов доля менее предпочитаемых грибов в рационе должна увеличиваться. для оценки доли разных грибов в рационе коллембол была использована изотопная метка.
материал и методы
В качестве пищи для коллембол были использованы три вида сапротрофных грибов: Cladosporium cladosporioides (Fres.) de Vries, Mucor plumbeus Bonord и Chaetomium globosum Kunzo. Грибы культивировали на среде Чапека (1.б г. (NH4)2SG4, l г K2HPG4, 0.5 г MgSG4 ' 7H2G, 0.02 г FeSG4 ' 7H2G, 0.5 г KCl и 20 г агара на l л воды), которая содержала либо 30 г сахарозы, полученной из сахарной свеклы (СЗ растение, 513С= -26.3%о), либо 30 г глюкозы, полученной из кукурузы (С4 растение, 513С= -11.9%о).
Кроме того, нами была использована искусственная изотопная метка (l5NH4)2SG4, которая была добавлена в питательную среду в соответствующих
вариантах эксперимента. Таким образом, грибы выращивались на трех «изотопно-отличных» вариантах среды: среда A (5l3C около -ll%, 5l5N около -3%о); среда В (5l3C около -26%, 5l5N около -3%о) и среда В (5l3C около ll%, 5l5N около +220%о). отличия в изотопном составе трех сред дают возможность рассчитать долю трех пищевых ресурсов в питании кол-лембол (см. ниже). Во избежания попадания агара в микрокосмы с коллемболами питательную среду покрывали кусочками капроновой сетки (~20 ' 20 мм, ширина ячейки 40 мкм), на которую высевали грибы. Через 1-2 недели, в зависимости от скорости роста культуры, сеточки с грибным мицелием отрывали от агара, делили на фрагменты желаемой величины и помещали в микрокосмы с коллемболами. для снижения связанной с возрастом колоний вариации изотопного составагрибов [13], возрастмицелия, которыйдавался коллемболам в качестве пищи, не превышал 15 дней с момента высева.
Четыре вида коллембол Folsomia candida Willem, Xenylla grisea Axelson, Sinella tenebricosa Folsom и Vertagopus pseudocinereus Fjellberg были взяты из лабораторной культуры. Исходные значения 5l3C и 5l5N были схожими у всех видов ногохвосток и составляли -23.4±0.1 и 4.2±0.1%о, соответственно. В задачу эксперимента входило исследовать состав пищи коллембол в случае присутствия и отсутствия конкурентов. Поэтому каждый вид коллембол питался 3-мя видами грибов либо (а) в монокультуре, либо (б) в присутствии трех других видов.
В варианте с монокультурой, в каждых микрокосм (пластиковый сосуд емкостью 70 мл с увлажненной смесью гипса и активированного угля на дне) было помещено по 20 взрослых особей коллембол одного вида. В варианте с совместным содержанием четырех видов, в каждый микрокосм было помещено по 10 особей каждого вида. В качестве пищи коллем-болам (монокультурам или смеси видов) предлагались (i) три вида грибов в «стандартном» количестве (три фрагмента нейлоновой сетки размером около
0.5 см2 с мицелием) или (ii) три вида грибов в половинном количестве (фрагменты нейлоновой сетки с мицелием размером около 0.25 см2). В дополнительном варианте (iii) коллемболы в монокультурах или в смешанных культурах получали отдельно разные виды грибов в «стандартном» количестве. Это было необходимо для получения информации о изотопном составе коллембол, которые питались одним видом гриба (см. ниже). Каждые пять дней старые сеточки (пустые и с остатками грибов) заменялись новыми порциями грибного мицелия. Микрокосмы увлажняли дистиллированной водой и очищали от экзувиев и экскрементов коллембол. «Стандартное» количество мицелия соответствовало приблизительно 10, 5 и 2 мг сухого веса мицелия C. cladosporioides, M. plumbeus и C. globosum, соответственно.
Микрокосмы содержались при комнатной температуре (22-25°). Все варианты эксперимента имели 3-кратную повторность. Эксперимент продолжался 80 дней. Согласно данным о скорости метаболизма
в тканях коллембол [7], этого времени достаточно для достижения «изотопного равновесия» между пищей и тканями организма. В конце эксперимента все коллемболы были собраны, подсчитаны и высушены при 60°С в течение 48 часов. Для проведения изотопного анализа необходимо 300-500 мкг сухого веса (5-20 особей коллембол в зависимости от вида). X. gri -sea не размножалась при содержании совместно с другими видами коллембол, и потому для этого вида не удалось набрать достаточного количества материала для проведения анализа.
Изотопный анализ проводили на масс-спектрометре Thermo-Finnigan Delta V Plus и элементном анализаторе Thermo Flash 1112, находящимися в Центре коллективного пользования при ИПЭЭ РАН. Изотопный состав азота и углерода выражали в тысячных долях отклонения от международного эталона, 5 (%о):
5X, (%)=[(R, /R ) -1] * 1000,
образец v 7 *-v образец стандарт7 Л
где Х - это элемент (азот или углерод), R - молярное соотношение тяжелого и легкого изотопов соответствующего элемента. Для азота эталоном служит N2 атмосферного воздуха, для углерода - VPDB. Для калибровкиоборудованияиспользовалиреферентные материалы МАГАТЭ (глутаминовая кислота USGS 40 [515N = -4.5; 513C = -26.39] и USGS 41 [515N = +47.6; 513C = +37.63]; целлюлоза IAEA-CH3 [513C = -24.72]). В качестве лабораторного стандарта использовали ацетанилид. Стандарты анализировали после каждой 10-й пробы. Дисперсия (SD) изотопных значений лабораторного стандарта (n = 6-8) была <0.2%о для 515N и <0.15% для 513C. Совместно с определением изотопного состава, во всех пробах было определено общее содержание углерода и азота (%N, %C).
Расчет долей разных видов грибов в питании коллембол проводился с помощью программы IsoSource 1.2 [10,11]. Расчет строится на простом балансовом уравнении вида:
5T = а*5А + (1 - a)*5B
где 5T это результирующая изотопная подпись животного, 5A и 5В - изотопные подписи ресурсов A и B, а -доля ресурса А в питании. Таким образом,
а = (5t - 5b)/(5a - 5b)
Программа IsoSource позволяет использовать при расчетах изотопный состав двух разных элементов (в нашем случае 513C и 515N), и оценить долю трех разных ресурсов в питании животного. Однако эта простейшая модель базируется на ряде допущений (сходный химический состав и эффективность ассимиляция разных ресурсов, отсутствие трофического фракционирования изотопов), которые редко выполняются на практике.
Мы попытались избежать неточности в расчетах, используя в качестве изотопной подписи «ресурса» не изотопную подпись грибов, которыми питались коллемболы, а изотопную подпись коллембол, которые питались данным видом гриба. Предварительные
расчеты показали, что при питании одним видом гриба изотопные подписи коллембол не зависят от присутствия конкурентов. Таким образом, трофическое фракционирование изотопов не должно оказывать существенное влияние на полученный результат.
Для сравнения средних использовали дисперсионный анализ и ^тест Стьюдента. Расчеты были выполнены в пакете STATISTICA 6.0. За уровень достоверности принят Р<0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ
При раздельном содержании все виды коллембол преимущественно питались С. cladosporioides (рис. 1). В среднем доля этого вида гриба в питании ногохвосток составила 75%. Доля М. рЫтЬет и С. $о-bosum не превышала 20 и 10%, соответственно.
В присутствии конкурентов коллемболы изменяли соотношение потребляемых грибов. У двух из трех видов коллембол доля наиболее предпочитаемого гриба (С. cladosporioides) снижалась, а доля менее предпочитаемого вида (С. globosum) увеличивалась. Для F.candida и V. pseudocinereus доля С. globosum в питании коллембол возросла с 6.6 до 12.1% и с 9.1 до 22.1% соответственно. В тоже время присутствие конкурентов оказало мало влияния на выбор пищевых объектов у 5. tenebricosa. Количество доступной пищи («полный» или «половинный» рацион) не оказывало достоверного влияния на выбор пищевого объекта (на рис. 1 представлены средние данные для полного и половинного рациона).
В конце эксперимента мы подсчитали количество особей, содержавшихся в каждом микрокосме (рис. 2). Грибы существенно отличались по пищевой ценности для коллембол; максимальная скорость прироста популяций (в монокультурах) всех четырех видов коллембол достигалась при кормлении С. cladosporioides, или при кормлении всеми тремя видами грибов (рис. 2). Присутствие конкурентов существенно снижало популяционную плотность коллем-бол всех четырех видов. Так, при питании С. cladospo-rioides присутствие конкурентов снижало количество особей F. candida и 5. tenebricosa в среднем с 203 и 329 до 67 и 99 особей на микрокосм, соответственно. Тем не менее, в конце эксперимента в микрокосмах со смесью видов коллембол определились явно доминирующие виды - F. candida и 5. tenebricosa. V.pseudo-отетет был заметно угнетен при совместном содержании четырех видов. Численность V. pseudocinereus снижалась на порядок в сравнении с монокультурами (рис. 2). X. grisea при совместном с другими коллем-болами содержании была практически полностью вытеснена из культуры. В большинстве микрокосмов со смесью видов коллембол представители X. grisea не были обнаружены в конце эксперимента. Особи V. pseudocinereus и X. grisea достигали чуть более высокой численности только в микрокосмах, содержащих М. рЫтЬеж или смесь из трех видов грибов (в среднем 22 особи V.pseudocinereus и 3 особи X.gri-sea на микрокосм).
Рис. 1. Доля разных видов грибов в питании коллембол при содержании в монокультуре (светлые столбики)
I в совместной культуре 4-х видов (темные столбики). Звездочки показывают достоверное отличие (t-test, Р<0.05). Виды грибов: Мисогplumbeus: М.р., Cladosporium cladosporioides: С.с, Chaetomium globosum: С.д. Вертикальные линии показывают стандартную ошибку средней, п = 6.
45D
Ё 1SQ
Ф
V-P-seudoctfifira-us
JL
itL
C.g. М.р. С.с. См
ія
См
Си
Рис. 2. Численность коллембол четырех видов через 80 дней после начала эксперимента (экз. на микрокосм, исходно 10-20 экз. на микрокосм) при кормлении тремя видами грибов (Chaetomium globosum: C.g., Mucorplumbeus:M.p., Cladosporium cladosporioides: C.c.) и смесью всех трех видов при полном (См.) или половинном (1/2 См.) рационе. Коллемболы содержались в монокультуре (светлые столбики) или в совместной культуре 4-х видов (темные столбики). Вертикальные линии показывают стандартную ошибку средней, n = 3.
обсуждение
Межвидовая конкуренция у коллембол, в частности ее влияние на пищевое поведение и трофические связи отдельных видов, почти не изучена. Немногочисленные экспериментальные исследования посвящены изучению влияния межвидовых взаимодействий на пространственное распределение ного-хвосток во время питания, на размножение и физиологические циклы коллембол [2, 4, 5, 8]. Впервые влияние присутствия конкурентных видов на размножение коллембол было подробно изучено K. Christiansen [4] на одиннадцати видах в попарных комбинациях.
В большинстве случаев один вид становился доминирующим по численности и подавлял размножение другого или полностью вытеснял его из культуры. В некоторых случаях наблюдалось «переменное» доминирование видов, кончавшееся вытеснением или угнетением первоначального доминанта [4].
Можнопредположитьналичиенесколькихмеха-низмов,определяющихвлияниеконкуренциинаструк-туру сообщества коллембол [4, 8, 15]. Помимо прямой конкуренции за пищевые и иные ресурсы (например, пространство) можно выделить следующие взаимодействия: 1) разрушение сперматофоров; 2) оофа-
гия (поедание яиц); 3) ингибирование размножения (откладки яиц); 4) токсификация пищевого субстрата в ходе гибели коллембол и другие формы аллелопа-тии [4, 15]. Перечисленные факторы, вероятно, редко действуют в «чистом» виде. В зависимости от условий окружающей среди и биологии видов конкурентные взаимоотношения у коллембол могут определяться сразу несколькими механизмами. Явно негативное взаимодействие видов у коллембол обычно проявляются только при высокой численности популяции. При небольшой плотности населения могут наблюдаться обратные эффекты. Например, в присутствие других видов многие коллемболы увеличивают скорость репродукции, возрастает количество отложенных яиц [8, 15]. На исход конкуренции между видами могут влиять абиотические факторы, такие как температура и влажность. Например, в лабораторном эксперименте показано, что в модельном сообществе при низких температурах доминируют одни виды, а при высоких - другие [8].
Наши результаты подтверждают, что присутствие конкурентов может влиять на выбор объекта питания коллембол [б]. Примечательно, что два вида, относительно толерантные к присутствию конкурентов (F. candida и S. tenebricosa) относительно мало изменили состав своего рациона в присутствии других видов. Напротив, V. pseudocinereus, численность которого сильно упала в результате конкуренции, довольно значительно изменил соотношение разных видов грибов в своем рационе. Таким образом, результаты нашего эксперимента предполагают, что выбор коллемболами пищевых объектов в естественных условиях (т.е. вероятно, в условиях постоянного или периодического недостатка пищевых ре-сурсов)зависитнетолькоот«пищевыхпреферендумов» определенного вида, но и от присутствия других видов коллембол,которыеявляютсяпищевымиконкурентами.
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект номер 11-04-00948а) и Министерством образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы.
список литературы
1. Кузнецова Н.А. организация сообществ почвообитающих коллембол. М.: Прометей, 2005. 243 с.
2. Савенкова Ю. Ю. Внутри- и межвидовые взаимоотношения коллембол подотряда Poduromorpha и подотряда Entomobryomorpha на основе трофической де-
ятельности.Автореф.дис....канд.биол.наук.Нижний Новгород: ННГУ, 2009. 25 с.
3. Chahartaghi M., Langel R., Scheu S., Ruess L. Feeding guilds in Collembola based on nitrogen stable isotope ratios // Soil Biology and Biochemistry. 2005. V. 37. P. 1718-1725.
4. Christiansen K. Competition between collembolan species in culture jars // Revue d’Ecologie et de Biology du Sol. 1967. T. 4. P. 439-462.
5. Kuznetsova N. A. Correlation pleiades of Collembola in coniferous forests // Soil fauna and soil fertility. Proc. 9th Int. Coll. M.: Nauka, 1987. P. 680-683.
6. Ladygina N., Caruso T., Hedlund K. Dietary switching of collembola in grassland soil food webs // Soil Biology and Biochemistry. 2008. V. 40. P. 2898-2903.
7. Larsen T., Ventura M., Damgaard C., Hobbie E.A., Krogh P.H. Nutrient allocations and metabolism in two collembolans with contrasting reproduction and growth strategies // Functional Ecology. 2009. V. 23. P. 745-755.
8. Longstaff B. The dynamics of collembolan populations: competitive relationships in an experimental system // Canadian Journal of Zoology. 1976. V. 54. P. 948-962.
9. Maraun M., Martens H.,MiggeS.,TheenhausA.,ScheuS. Adding to ‘the enigma of soil animal diversity’: fungal feeders and saprophagous soil invertebrates prefer similar food substrates // European Journal of Soil Biology. 2003. V. 39. P. 85-95.
10. Phillips D. L., Gregg J. W. Uncertainty in source partitioning using stable isotopes // Oecologia. 2001. V. 127. P. 171-179.
11. PhillipsD.L.,GreggJ.W.Sourcepartitioningusingstable isotopes: coping with too many sources // oecologia. 2003. V. 136. P. 261-269.
12. Scheu S., Folger M. Single and mixed diets in Collembola: effects on reproduction and stable isotope fractionation // Functional Ecology. 2004. V. 18. P. 94-102.
13. Semenina E.E., Tiunov A.V. Isotopic fractionation by saprotrophic microfungi: Effects of species, temperature and the age of colonies // Pedobiologia. 2010. V. 53. P. 213-217.
14. SemeninaE.E.,TiunovA.V.Trophicfractionation(A15N) inCollembola dependsonnutritionalstatus:A laboratory experimentandmini-review //Pedobiologia.2011.V.54. P. 101-109.
15. Theenhaus A., Scheu S., Schaefer M. Contramensal interaction between two collembolan species: effects on population development and on soil processes // Functional Ecology. 1999. V. 13. P. 238-246.
16. Wardle D.A. The influence of biotic interactions on soil biodiversity // Ecology Letters. 2006. V. 9. P. 870-886.
43l
