Временное перемещение целых растений омелы для понимания механистической основы решений о кормлении животных

Резюме

В этой работе описана простая экспериментальная процедура для количественной оценки поведенческих факторов, влияющих на решения о поиске пищи у свободно живущих животных, временном перемещении растений омелы в новые места и измерении посещаемости.

Аннотация

Плодоносящая омела представляет собой модельную систему для понимания решений, принимаемых кормовыми животными при поиске пищи. Где, когда и как животные находят пищу, занимает центральное место во многих экологических вопросах, связанных с основой индивидуальных решений о добывании пищи и с тем, в какой степени эти решения являются врожденными или приобретенными. Экологи уделяют особое внимание плодоядным, количественно оценивая их предпочтение плодов с определенной формой, цветом или запахом, которые в течение эволюционного времени придают отбор по наборам признаков у их любимых растений, семена которых они распространяют.

В этой работе изложен новый экспериментальный подход к манипулированию распространением пищевых растений и измерению реакции диких, свободноживущих животных, идеально подходящий для изучения эволюционного происхождения и экологического поддержания распространения семян. Этот протокол «вырезать и вставить» включает в себя удаление всего плодоносящего растения омелы от его хозяина и либо возвращение его на исходное место, либо перемещение на новое место, прикрепление его к «псевдохозяину» того же или другого вида деревьев. Подсчитывая посещения омелы и отмечая продолжительность, вид и поведение, серия сравнений может выявить наиболее важные факторы, влияющие на решения о поиске пищи и последствия как для растений, так и для животных. Здесь протокол проиллюстрирован тематическим исследованием для определения различий между гильдиями у омелы плодородной.

Экспериментальный подход позволяет разграничить механистическую основу формирования и уточнения поисковых изображений, пространственное обучение, межвидовые различия в стратегиях поиска пищи и то, как эти изменения влияют на эффективность распространения семян. Наконец, рассматриваются потенциальные модификации в отношении решения других вопросов экологии добывания пищи, взаимодействия растений и животных и коэволюции.

Введение

Как животные находят пищу? Это обманчиво простой вопрос, объединяющий познание, сенсорное восприятие и метаболические потребности со структурой среды обитания, межвидовыми взаимодействиями и вариациями доступности ресурсов в пространстве и времени. Большая часть концептуальных достижений в понимании этой темы была достигнута в результате изучения животных в неволе, где можно манипулировать качеством, количеством и доступностью ресурсов ^1,2. Несмотря на то, что методы содержания в неволе полезны для определения сенсорных способностей, качественных предпочтений и питательных качеств пищи, они не раскрывают, как животные удовлетворяют эти потребности в дикой природе.

Ранние экспериментальные исследования использования ресурсов свободноживущими животными были направлены на то, чтобы понять нижнюю границу доступности пищи, которую организм может достичь, прежде чем решит питаться в другом месте (теорема Чарнова о предельной ценности³). Этот подход, известный как «отказ от плотности», количественно определяет, какой риск животное готово вынести — например, сколько желудей на квадратный метр белка готова оставить после себя при кормлении в лесах с разной плотностью, где хищники^{обнаруживаются} по-разному. Несмотря на то, что эта структура применяется к широкому кругу продовольственных ресурсов и экосистем, неизбежно сконструированная основа подхода ограничивает ее применение и может затруднить интерпретацию сообщаемых различий⁵. Кроме того, детерминанты отказа от плотности в большей степени связаны с бдительностью, предпочтениями среды обитания и конкуренцией, чем с экологией кормления (известной под общим названием экология^{страха).} Такой подход редко способен уловить привлекательность пищевого ресурса в дикой природе для свободно живущего животного. Следовательно, исследования плодородия обычно основаны на наблюдении за поведением диких животных с последствиями как для растений, так и для животных.

Решения о сборе урожая, принимаемые плодоядными при выборе фруктов, могут зависеть от многих различных признаков, выраженных растением физически с точки зрения изобилия, качества и сезонной доступности. То, насколько легко плоды можно найти, употребить и пройти через кишечник, также играет роль в выборе плодоядных, что затрудняет отделение потенциально приобретенного поведения от унаследованного. Текущая работа представляет новый подход к манипулированию доступностью ресурсов и местоположением для измерения реакции диких, свободно живущих животных на время их кормления в естественной среде обитания. Этот метод идеально подходит для решения вопросов, касающихся сигналов, которые различные животные используют для поиска пищи — в данном случае речь идет о богатых энергией плодах полупаразитических растений омелы. Этот подход включает в себя удаление целых растений омелы с их деревьев-хозяев и перемещение их на другие деревья того же или другого вида.

Обратите внимание, что представленное тематическое исследование сосредоточено на фруктах, плодоядных и взаимодействии между широтой рациона и последствиями для распространения семян. Однако для работы над нектароядными или листоядными тот же подход может быть применен к цветущей омеле или нерепродуктивной омеле соответственно. Омела является идеальной моделью для использования в рамках этого подхода, поскольку встречается в лесах и лесах по всему миру и посещается широким кругом животных⁷. Что касается фруктов, хотя большинство исследований было сосредоточено на специалистах по плодам омелы, которые мало едят^8, большой круг универсальных плодоядных и оппортунистов с более широкой диетой регулярно употребляют плоды омелы^. Наконец, их размеры, привычка роста и физиономия делают их особенно поддающимися экспериментальным манипуляциям^.

Исследования в полузасушливой лесной системе показали, что густота листвы влияет на привлекательность омелы для птиц, питающихся фруктами¹¹, однако многие вопросы остаются без ответа. Ищут ли птицы омелу или плодоносящую омелу? В тех популяциях омелы, которые зависят от одного вида-хозяина, птицы преимущественно ищут омелу или своего основного хозяина? Используют ли группы, которые питаются в основном, время от времени или оппортунистически плодами омелы, расходящиеся сигналы для поиска плодов омелы?

Чтобы ответить на эти вопросы и выявить влияние идентичности хозяина, пространственного контекста и местоположения омелы на посещение птиц, был разработан новый протокол переселения; Этот эксперимент используется в качестве тематического исследования. Протокол проиллюстрирован пошаговыми инструкциями по определению того, как птицы находят фрукты в структурно сложном лесу. В дополнение к исследованию других вопросов, на которые легко ответить с помощью этого метода, рассматривается вопрос о том, как этот метод может быть интегрирован с другими экологическими полевыми методами для понимания механистической основы экологии кормления в лесу и лесном пологе.

Первоначальное применение этого экспериментального подхода заключалось в том, чтобы определить, как птицы находят пищу в неоднородном пологе леса, переселяя целые растения омелы. Этот протокол длится 2 дня — от выбора омелы в 1-й день до манипуляций, затем прикрепления, наблюдения и отсоединения омелы во 2-й день. Проводить повторные испытания в последующие дни; Выберите омелу для следующего испытания на второй день первого испытания. В иллюстративном тематическом исследовании посещение птицами омелы сравнивалось между тремя различными местами обитания, которые здесь называются лечением.

Для этого одно плодоносящее растение серой омелы (Amyema quandang) вырезалось из растения-хозяина и прикреплялось к одному из трех мест: 1) его исходному дереву-хозяину, 2) псевдо-хозяину или 3) новому дереву-хозяину. Первоначальная обработка хозяина сохраняла как пространственное положение, так и постоянную идентичность хозяина, контролируя при этом последствия резки. Лечение псуэдо-хозяином включало в себя временное прикрепление омелы к другой особи того же вида, что и хозяин (в данном исследовании это ярран (Acacia homalophylla)), но с небольшим количеством омел или их отсутствием, чтобы различить роль пространственной памяти и ассоциации хозяина. Новый хозяин, особь другого вида деревьев, в которой не отела омела (для объекта исследования – белая кипарисовая сосна (Callitris glaucophylla)), уточнил, относится ли поисковое изображение, используемое потребителями плодов омелы, к самой омеле или к основному хозяину.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

Этот экспериментальный протокол был разработан и экспериментально протестирован в соответствии с руководящими принципами Управления по исследованию животных Технологического университета Сиднея (UTS ACEC 2013-745). Протокол не требует обращения с животными. Местные растения были экспериментально обработаны с разрешения Национального парка и дикой природы (SL101337).

1. Определите подходящее место, вид и этические соображения

1. Выберите тип экосистемы и место исследования.
   1. Ищите подходящий участок с обильной омелой, одним постоянным хозяином омелы и по крайней мере одним видом дерева/кустарника, на котором обычно нет омелы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Тематическое исследование проводилось в полузасушливом лесу, Новый Южный Уэльс, Австралия.
2. Определите экологически значимое время года для проведения исследования.
   1. Заранее определите, когда омела плодоносит. Учтите, что это может быть разное время года, в зависимости от сезонного профиля данной местности.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом случае виды омелы плодоносят в течение нескольких месяцев в течение весны-лета.
3. Выберите размер патча, который удовлетворяет исследовательскому вопросу.
   1. Если наблюдаемый вид является территориальным, выберите размер участка, который отражает это.
   2. Если численность видов омелы неоднородна, выберите несколько участков и будьте готовы отразить дисперсию в статистическом анализе.
4. Определите доминирующие виды в выбранной экосистеме и местоположении.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На участке исследования доминирующими видами древесного полога были Callitris glaucophylla (Белая кипарисовая сосна), Acacia homalophylla (Yarran) и Casuarina cristata (Belah), а также субдоминантные насаждения Allocasuarina luehmannii (Buloke) и Eucalyptus populneus (Bimble box). Amyema quandang (Серая омела; Loranthaceae) — основная омела в этом районе, произрастающая почти исключительно на Acacia homalophylla (Yarran) на исследуемом участке.
5. Определите целевую омелу и познакомьтесь с животными, которые питаются ею.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Например, в данном исследовании серая омела дает бледно-желтые мясистые плоды¹², которые поедают два специализированных плодоядных омелы (Mistletoebird, Dicaeidae, Dicaeum hirundinaceum и Расписной медоед, Meliphagidae, Grantiella picta) и четыре плодоядных универсала (Silvereye, Zosterops lateralis; Колючий медоед, Acanthagenys rufogularis; поющий медоед, Lichenstomus virescens; Полосатый медоед, Plectorhyncha lanceolata), с многочисленными другими видами, оппортунистически поедающими плоды и иногда рассеивающими семена^13,12.
6. Выберите идеальное количество повторений для исследования, учитывая общее количество дней, необходимых для завершения каждого двухдневного повторного испытания. Чтобы сократить количество дней, в течение которых будет проводиться эксперимент, попросите наблюдателя наблюдать за двумя репликами одновременно, с достаточным расстоянием между ними, чтобы свести к минимуму помехи.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В тематическом исследовании были собраны данные о 20 повторах для каждого из трех методов переселения (60 отдельных омел) в течение 60 дней, с 1 днем наблюдения за каждой репликой, рандомизированных по видам лечения.
7. Проведите пилотное исследование для продления жизнеспособности омелы после срезания с растением-хозяином, сравнивая посещение омелы с срезанными концами и без них, запечатанными клеем.
   1. Если нет никакой разницы с точки зрения увядания или посещения птиц в течение 12 часов в течение каждого испытания, считайте, что омела сохраняет достаточную энергию до позднего вечера.
   2. Если посещаемость птиц значительно ниже, чем срезать омелу, выберите другой вид омелы и/или более влажную среду, где испарение происходит медленнее.
8. Убедитесь, что у вас есть все необходимые разрешения, как для сбора местных растений, так и для наблюдения за дикой природой. Поскольку этот протокол включает в себя срезание живой омелы с полога, избегайте работы в популяциях омелы, вызывающих озабоченность по поводу сохранения. Кроме того, учитывая зависимость многих животных от омелы как источника пищи, так и места гнездования/ночлега, убедитесь, что эксперимент не вызовет длительного нарушения в экологическом сообществе.
   1. Получите соответствующие разрешения от соответствующего государственного органа и проконсультируйтесь с комитетом по уходу за животными и этике учреждения, в котором работает исследователь, сопоставляя любые краткосрочные последствия с научной ценностью предлагаемого исследования. Обратите внимание, что для этого метода не требуется явной обработки диких животных.

2. Определение целевых отдельных пар омела-хозяин

1. По крайней мере, за 1 день до проведения эксперимента найдите подходящие растения омелы на соответствующих хозяевах и, если это уместно, на соответствующих псевдохозяевах или новых хозяевах.
   1. При выборе места для крепления омелы убедитесь, что ветка достаточно прочная, чтобы выдержать вес омелы.
   2. При выборе целевой отдельной омелы учитывайте толщину ветви-хозяина и то, растет ли выбранная омела на конечном конце ветви или на полпути.
      1. Не выбирайте ветви-хозяева диаметром более 70 мм или омелу, растущую посередине ветви-хозяина, на которой все еще есть листва хозяина. В качестве альтернативы обрежьте такие ветви над гаусторием, чтобы избежать трудностей при обрезке ветки-хозяина или транспортировке листвы хозяина вместе с омелой.
   3. Выберите новое местоположение хозяина, которое позволит закрепить омелу в той же ориентации, в которой она выросла, например, если все ее ветви свисают вниз в форме капли, убедитесь, что они делают это и в новом месте (рис. 2).
   4. Внимательно осмотрите каждого кандидата на омелу, чтобы убедиться, что внутри них или рядом с ними нет активных гнезд.
   5. Выбирайте растения омелы, до которых можно безопасно добраться и удалить их от хозяина до рассвета. Если вы хотите использовать лестницы, убедитесь, что земля под каждым деревом свободна от змей, нор животных и препятствий.
   6. Обратите внимание на фенологию (т.е. наличие спелых плодов или раскрывшихся цветов).
2. Запись деталей экспериментальных установок. Незаметно отметьте целевую пару растений, чтобы не потревожить животных, например, неприметную тканевую бирку, палку, кол в земле поблизости или GPS-координаты.

3. Разрезание омелы

1. Не менее чем за 1 час до рассвета в день наблюдений удалите омелу от хозяина с помощью чистой секаторной пилы.
   1. В зависимости от характера ветвления омелы, обрежьте обе стороны гаустория, но разрежьте проксимальнее (т.е. вверх по течению) до соединения с хозяином и удалите всю омелу.
   2. Будьте осторожны при обрезке, сначала подрезайте, чтобы свести к минимуму повреждение дерева-хозяина. Помните о правильном положении и/или попросите второго человека помочь в этом процессе, так как омела может быть тяжелее, чем ожидалось.
      1. Для более крупных растений омелы намотайте веревку вокруг проксимальной части ветви-хозяина (между стволом и гаусторием), прежде чем надежно привязать ее к омеле до опадения, что позволит безопасно опустить растение на землю без потери характерно хрупких ветвей.
   3. Тщательно очищайте пилу этанолом после каждого отдельного удаления омелы.

4. Прикрепление (склеивание) омелы

1. После того, как омела будет удалена, прикрепите ее к конечному месту с помощью черных кабельных стяжек. Следите за тем, чтобы омела не раскачивалась неестественно на ветру и не отваливалась, если на нее приземлится более крупное животное. Сделайте кабельные стяжки как можно более незаметными, обрежьте длинные концы и не оставляйте мусора, который могут найти любопытные животные.
2. Как описано в шаге 2.1.3, убедитесь, что перемещенное растение закреплено в ориентации, аналогичной его первоначальному габитусу роста.

5. Собирайте данные о посещениях

1. В дополнение к наблюдению за видами животных и продолжительностью посещения, соберите поведенческие данные для различения различных видов посещений, включая активное кормление насекомых, посещение и зондирование цветов, употребление фруктов, агонистические взаимодействия и безделье. Используйте часы с хронометражем и биноклем или с камерами, активируемыми движением, установленными накануне вечером.
   1. Если вы используете камеры, проведите первоначальные испытания с использованием других настроек чувствительности и местоположений, чтобы свести к минимуму ложные срабатывания.
   2. Для часов с хронометражем можно одновременно наблюдать за несколькими омелами с одной точки обзора. В течение этого периода записывайте каждое посещение переселенных омел путем прямого наблюдения с расстояния 5–10 м, отмечая идентичность каждой птицы и продолжительность каждого посещения (согласно¹¹). Разделите посещающие виды на три функциональные группы, основанные на диете.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В данном тематическом исследовании использовался этот метод с периодом наблюдения примерно 6,5 часов между 7:30 утра и 6:30 вечера, в двух кварталах в течение утра и дня, избегая дневной жары, когда активность птиц была незначительной, но при этом захватывая пиковую активность кормления^14,15.

6. Соберите контекстуальные данные о местонахождении растений омелы

1. В дополнение к тому, является ли каждое растение контрольным (т.е. срезанным и возвращенным на свое первоначальное место) или перемещенным растением, запишите атрибуты хозяина (вид, высота, диаметр), омелы (размер, плотность листвы, фенология, высота, вид, количество плодов) и контекст (расстояние до ближайшей омелы, расстояние до других плодоносящих/цветущих растений).
2. Используйте фототочечный мониторинг как омелы, так и псевдохозяина в качестве эффективного дополнения к традиционному сбору количественных данных, с помощью программного обеспечения для анализа изображений, которое легко может генерировать оценки смыкания полога и других физиогномических характеристик.

7. Задачи по окончанию наблюдения

1. Для исследований по рассеиванию семян оценивайте количество удаленных плодов, подсчитывая общее количество спелых плодов до и после экспериментального периода. Прежде чем удалять омелу, проверьте землю на наличие шляпок фруктов или упавших фруктов.
2. В конце каждого дня сбора данных, после того как данные о посещениях были собраны, удалите перемещенную омелу и соберите все кабельные стяжки и любую клейкую ленту или бирки.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Данные в общей сложности за 392 часа наблюдений были собраны по 60 повторным омелам, причем 26 из них посещали представители 15 видов птиц. Чтобы определить, предпочитают ли приехавшие птицы одно лечение другому, данные о посещениях были проанализированы с использованием ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Этот новый метод представляет собой экономически эффективное средство понимания механистической основы различий между видами и кормовыми гильдиями, раскрывая критическую роль предварительного обучения и пространственного восприятия в определении того, как птицы ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alcohol cleansing pads	Forestry Suppliers	25557	SmartCompliance First Aid Cabinet Refill
Ladder	Forestry Suppliers	90905	Telesteps 12.5’ Telescopic Ladder
Motion-triggered camera	Forestry Suppliers	91269	Reconyx HF2X HyperFire 2 Camera
Nylon cable ties	Forestry Suppliers	17032	Black is the preferred color
Pruning Saw	Forestry Suppliers	81154	Folding model is preferred to minimize injury, with pole mounted saws advisable if ladders cannot be used to accesss high plants