继承王国还是攻进城堡？社会性食肉动物的繁殖策略——以爱达荷州的狼为例

摘要

对于在群体中生活和繁殖的动物来说，繁殖机会本来就很有限。繁殖位置的更替会对合作繁殖者群体产生明显的影响，特别是社会性食肉动物。我们通常对社会性食肉动物如何填补繁殖空缺以及哪些因素可能影响个体成功填补空缺的能力知之甚少。我利用灰狼的长期（11年）遗传数据集，探讨繁殖位空缺是由群体内的个体填补还是由群体外的被接纳者（即加入到群体中的成年动物）填补。雄性比雌性更有可能被接纳到其群体之外的繁殖位置。雌性通常在其出生的群体中继承繁殖位置（80%，n = 20），而雄性在其群体外获得繁殖位置（76%，n = 17）。群体大小并不影响繁殖位空缺是由被接纳者填补还是由群体内的个体继承。在被接纳之前，当雌性被接纳到繁殖位置时，与从群体内继承繁殖位置相比，群体内的遗传相关度要高30%。因此，群体内的遗传相关度似乎对雌性是否被接纳到群体中起着一定的作用。由于雄性狼非常依赖向外扩散来保证繁殖位置，因此雄性狼似乎是灰狼种群中遗传多样性的信使。美国的许多州最近都实施了对灰狼的狩猎和诱捕季节。如果扩散的公狼被过多地猎杀，种群的遗传连接性和多样性可能会受到影响。

关键词：繁殖 Canis lupus 食肉动物 合作繁殖 遗传 狼

1｜简介

一些物种，包括人类，已经演化到在群体中生活和繁殖，个体帮助养育非自己的孩子（即合作繁殖；Dickinson & Koenig，2016；Kramer，2010）。群居生活通常为个体提供许多优势，包括增加食物摄入量，增强保卫高质量栖息地的能力，在疾病爆发时的优势，以及最终更高的存活率和繁殖率(Almberg等人, 2015; Cassidy等人, 2015; Clutton-Brook, 2006; Creel & Creel, 1995) 。对于群居生活和繁殖的动物来说，繁殖机会本身是有限的(即栖息地只能支持这么多的群体)，因此，繁殖成熟的个体往往延迟散布(Clutton-Brock, 2006)。在这样的种群中，即使自己没有独立的繁殖机会，帮助抚养关系近的幼仔也是增加终生健康的途径(即包容性健康；Hamilton, 1964)。这样的个体使用各种策略来最终确保繁殖位置，从在其出生的群体中继承繁殖位置到扩散到另一个现有的群体或在空置的栖息地建立一个新的群体(Jimenez等人, 2017; Kokko & Ekman, 2002; Walters & Garcia, 2016) 。

由于繁殖机会在这种种群中是罕见的，对这种繁殖位置的竞争可能是激烈的，与繁殖者更替有关的动态往往对群体大小、组成和繁殖者的继承有明显的影响（Ausband等人，2017；Brainerd等人，2008）。在一些物种中，群体大小会影响个体是否被接纳，小群体比大群体更有可能接纳个体（McNutt, 1996）。此外，群体内个体的遗传亲缘关系可以影响他们接纳新成员的意愿（例如，较高的亲缘关系可能有利于接纳；Shen等人，2017）。

对于寻求填补空缺的繁殖位置的个体来说，性别可以对所使用的策略起到很大作用。例如，在红顶啄木鸟(Picoides borealis)中，大多数雄性作为助手留在他们的出生地，一旦他们的父亲去世，就会继承一个繁殖位置(Walters等人, 1992)。而在合作繁殖的褐鸦(Cyanocorax morio)中，雌性倾向于留在出生地并帮助养育幼鸟，尽管这种行为的整体终身健身效益是未知的(Williams & Hale, 2007)。我们对许多合作繁殖的鸟类如何填补繁殖位空缺有很强的理解基础，许多这类物种表现出偏向于雌性的扩散，雄性一般会继承领地和繁殖位。我们对哺乳动物的繁殖位空缺是如何填补的了解要少得多，因为哺乳动物的扩散可能偏向于任何一种性别。由于哺乳动物内在的低密度特点和出色的扩散能力，我们可能期望看到那些哺乳动物，特别是社会性食肉动物的繁殖位空缺如何被填补的独特模式。

美国爱达荷州的灰狼（Canis lupus）是一个很好的研究物种，可用于探讨社会性食肉动物的繁殖位空缺是如何填补的。群体大小和组成对狼的生存和繁殖有明显的影响（Ausband等人，2017）。此外，美国爱达荷州的狼群是动态的，自然和人类造成的死亡都会造成繁殖位空缺（Ausband等人，2017）。我使用了一个长期（11年）的灰狼血统遗传数据集，以研究在合作繁殖的社会性食肉动物中如何填补繁殖位空缺。我探讨繁殖位空缺是由群体内的个体继承还是由群体外的被接纳者填补。我预测，雌性比雄性更多地继承其出生群体中的繁殖位置，接纳的概率将随着群体规模的增加而减少，而群体内个体的遗传相关度的增加将积极地影响群体外个体被接纳为繁殖位置的概率。

2 | 材料和方法

2.1 研究区域

我在三个研究区域（北部、东部和南部）对狼进行了采样，包括五个爱达荷州渔业和狩猎部管理单位（GMU 4 "北部"、28 "东部"和33-35 "南部"；图1）。美国爱达荷州位于纬度44.06820和经度-114.74204。年温度为-13至36℃（西部地区气候中心，2016），降水量为30至130厘米（西部地区气候中心，2016），海拔高度为646至3219米。 北部研究区(GMU 4；3189平方公里)以西部红松(Thuja plicata)、花旗松(Pseudotsuga menziesii)、恩格尔曼云杉(Picea engelmannii)和小干松(Pinus contorta)为主。东部（GMU28；3388平方公里）和南部（GMU33-35；3861平方公里）的研究区域由黄松（Pinus ponderosa）、宿松、云杉混交林和三齿蒿（Artemisia tridentata）草原组成（Mack等人，2010）。爱达荷州于2009年开始公开狩猎狼群，自2011年起每年都有狩猎（2010年短暂停止）。9月至3月是狩猎的高峰期，在10月至11月(Ausband, 2016)。在我的研究期间，爱达荷州的狼群数量很多（约1000只狼；爱达荷州渔猎部，2020年），并且与美国西部和加拿大的邻近种群相邻。

2.2 | 实地方法

2008年6月至8月期间，我在已被占领或最近被占领的狼群产仔地收集狼粪。在有条件的情况下，我利用GPS或无线电遥测技术定位狼的产仔地点。当没有无线电项圈标记的狼时，我调查了历史上的产仔地和由生境模型预测的产仔地的高概率（≥70%的适合性）（Ausband等人，2010）。在2008-2010年期间，我们没有使用无线电项圈信息来寻找狼，从2011年到2014年，我们的研究小组中大约有65%的个体有项圈，尽管它们的位置并不总是能帮助我们找到幼崽。从2015年到2018年，我们再次没有使用项圈信息。在有项圈狼和无项圈狼的地点，技术人员模仿狼发出嚎叫（Harrington & Mech, 1982），并试图通过搜索该地区或通过搜索周围的狼群GPS集群（1公里内>5个地点，持续时间>7天）和无线电遥测位置（如果有的话）来找到活动中心（幼崽聚集的区域）。在找到活动中心后，4-8名技术人员收集狼粪（幼崽和成年狼）3-5小时，从活动中心向外辐射现有的狼道，最长500米，以确保有足够的成年狼粪样本（Ausband等人，2010；Stenglein等人，2010a）。用更多的人（如8人对2人）在较短的时间内对现场进行调查，减少了我们在现场的总体时间长度和对狼群的潜在压力。我们还收集了在幼崽饲养地之外发现的偶然的粪便。我们每年在每个群体中收集125-200个样本，这通常可以检测到群体中的每个个体（Stenglein等人，2011）。我们试图每年对每个群体重新取样。采样是根据蒙大拿大学IACUC（动物使用协议008-09MMMCWRU）进行的。

2.3 实验室方法

我们在爱达荷大学的生态、演化和保护遗传学实验室（美国爱达荷州的莫斯科）进行DNA分析。我们用Qiagen试剂盒（Qiagen）从粪便样本中提取DNA，并包括一个阴性对照以测试放射性污染。我们首先利用线粒体DNA控制区的三个短段的共扩增和片段分析对所有样品进行物种鉴定测试，以去除非目标物种和低质量样品。然后，我们尝试使用18个核DNA微卫星位点（AHT103, AHT109, AHT121, AHT200, C05.377, C09.173, C37.172, Cxx.119, Cxx.250、FH2001、FH2004、FH2010、FH2054、FH2088、FH2137、FH2611、FH2670和FH3725；Holmes等人，1994，Breen等人，2001，Guyon等人，2003，Salim等人，2007，Ostrander等人，2017）。我们首先对所有样本进行两次扩增，以进行基因分型，并要求在≥5个位点上成功扩增等位基因的样本继续进行1-3次PCR，而我们放弃了在<5个位点上扩增的样本。在每个基因座上，我们要求≥2次独立的PCR扩增来达成杂合子的共识，≥3次独立的PCR扩增来达成同合子的共识。我们使用Program Genalex（Peakall & Smouse, 2006）比较了所有的共识基因型和以前确定的个体的所有独特基因型，以匹配样本并区分独特的基因型。为了说明未检测到的基因分型错误，我们将仅在一个基因座上因等位基因缺失而不匹配的样品（如102，102与102，106）归为单一个体（Adams & Waits, 2007）。我们使用Reliotype（Miller等人，2002）来测试只捕获一次的独特基因型的准确性，确保基因型达到95%的准确性阈值。关于实验室方法的更多细节可参见Stenglein De Barba等人（2010）、Stenglein Waits等人（2010）、Stenglein等人（2011）和Stansbury等人（2014）。我们在2008年和2009年分析了所有收集的样本。2010年后，我们使用稀疏分析法（Stenglein等，2011）对经济效益进行了分样，并分析了每组的40个成体和25个幼体样品。如果一个群体有两个以上的个体只检测到一次，我们在有条件的情况下分析了额外的样本，以获得10个以上的共识基因型。

2.4 分析

我没有把幼狼包括在我的分析中，而是使用了≥1岁的狼的基因型，因为幼狼在第一年不会繁殖。我将所有采样的成年公狼和母狼作为潜在的父母，将所有采样的幼狼作为潜在的后代，然后通过使用最大似然法和Program COLONY 2.0.5.5版本（Jones & Wang, 2009）构建血缘关系来确定繁殖者及其后代。我首先在Program COANCESTRY 1.0.1.5版（Wang，2011）中计算每个研究地区和年份的等位基因频率，然后将其导入Program COLONY，用于血缘关系分析。我认可两种性别一夫多妻制，并假定等位基因剔除率为0.01。在COLONY程序无法确定亲子关系的情况下，我进一步根据该组中剩余后代的可能的亲子关系来检查后代的基因型，并允许亲子之间由于等位基因缺失而出现两个等位基因不匹配的情况来验证亲子关系。最后，我使用Program Co-ancestry（Wang，2011）来估计每年每个群体内所有可能的成年个体对之间的Trio ML遗传关系。

我在连续几年中对相同的狼群进行了抽样调查，根据所得的血统，我估计了每个狼群中的个体和繁殖者的数量。繁殖空缺的原因并不总是已知的，包括因死亡、被驱逐出群体而失去繁殖位置，或在行为上被篡夺繁殖位置。

我在Program R（3.6.2版，R核心团队，2019年）中使用了广义线性混合模型和固定效应模型，以测试群体中成人的性别、群体大小和遗传相关度（r）是否影响繁殖空缺是由现有群体成员继承还是由群体外的收养个体填补。所有模型中的反应变量都是二进制的（例如，繁殖空缺是否由被收养者填补），我假定二项分布与logit链接函数。我在混合效应模型中加入了 "组 "的随机效应。我使用Akaike信息标准（AICc）对小样本量和模型权重（wi；Burnham & Anderson，2002）进行了调整，评估了竞争模型（如性别、群体大小、遗传相关度和其组合以及空模型）的相对支持度。两个AICc值内的模型得到同样的支持；然而，我认为其中最简明的（即最少的参数）是顶级模型。我使用接受者操作特征统计学（Hosmer & Lemeshow, 2000）评估了我最支持的模型的拟合度。为了测试性别内（而不是性别间）对繁殖继承模式的影响，我用t检验来测试当一个繁殖位置被继承或被接纳者填补时，雄性和雌性的遗传相关度或群体大小是否有差异。由于样本量太少，无法进行逻辑回归分析（例如，只有四只雌性被接纳到其母群以外的繁殖位置）。

3｜结果

2008-2018年期间，我在10个狼群中记录了37个繁殖者的更换事件（20个繁殖雌性和17个繁殖雄性）。在这些群体中，我对151个独特的个体进行了基因分型。狼群规模平均为每群7.6（SD=2.9）只成年狼，群内成年狼的遗传关系平均为0.34（SD=12.2）。预测繁殖位空缺是由被接纳者填补还是从群体内部继承的最支持和最简明的模型包含一个 "性别 "变量，并与数据有良好的拟合（AUC=0.76；表1）。当繁殖位空缺出现时，雄性比雌性有三倍的可能性（β=-2.27，SE=0.77；模型概率=0.75；0.40-0.93，95%CI）被接纳到其群体之外的繁殖位置。雌性通常在其出生的群体内继承繁殖位置（80%，n = 20），而雄性在其群体外获得繁殖位置（76%，n = 17）。

在雄性内部，群体大小（T = 1.26, df = 16, p = 0.22）和遗传相关度（T = 0.62, df = 16, p = 0.53）都不影响雄性是否继承或被接纳到群体中的繁殖位置。然而，在雌性体内，当雌性从群体外被收养时，收养前的遗传相关度（T = 1.85, df = 19, p = 0.08）比群体内的雌性继承繁殖位置时（r = 0.43; SE = 0.03）高30%。群体大小与雌性在群体中继承或被接纳进繁殖位置没有关系（T = 0.18, df = 19, p = 0.86）。

4.讨论

一般来说，在合作繁殖者的种群中，繁殖个体较少。空缺的繁殖位置和相关的领地可以很快被填补，各种策略已经演化为个体对这种机会的竞争（Kokko & Ekman, 2002）。我发现灰狼的繁殖策略在性别上存在差异，雌性通常留在其出生的群体中并试图继承一个繁殖位置，而雄性则在出现繁殖空缺时分散并被接纳到另一个群体。雌性被收养到其母群以外的繁殖空缺中的情况并不多见。然而，当这种情况发生时，这些群体中的成年个体之间的遗传关系一般都很高。此外，在4个雌性被接纳到繁殖位置的案例中，现有的繁殖雄性是该群体中所有成年雌性助手的父亲，这表明了对近亲繁殖的避免。

由于繁殖策略因性别而异，人们可能会预测雄狼和雌性狼所表现出的帮助行为的差异。例如，雄性狼在扩散和试图在其出生狼群之外获得繁殖位置时，可能会受益于较大的体型，这在其他食肉动物中是可以看到的（Kovach & Powell, 2003; Lührs & Kappeler, 2014; Zedrosser等人, 2007）。选择可能有利于那些比其他群体成员个体平均消耗更多食物的个体，也许比其他个体更少地提供给幼崽食物，甚至偷取其他群体成员带回来的食物。事实上，Ausband等人（2017）发现年长的非繁殖雄性帮手狼对幼崽的新增有明显的负面影响。相反，如果群体增殖理论（Kokko等，2001）驱动狼的合作繁殖行为，人们可能期望雌性表现出更多的帮助行为，特别是当群体中的成年个体的遗传相关度≤0.33时。雌狼在获得繁殖地位之前帮助养育幼崽，可能会增加群体规模，从而在领地防御、猎物获取方面获得好处，甚至可能在幼崽长大成年后获得互惠援助（Cassidy等人，2015；Creel & Creel，1995；Wiley & Rabenold，1984）。有一些证据表明，雌性狼比雄性狼提供更多的帮助，特别是当幼崽还小的时候(Ausband et al., 2016)，但对幼崽生存的最终影响并不明晰(Ausband et al., 2017)。

种群中繁殖位置的周转率很可能会影响个体为确保这种空缺而有效利用的策略。在我的研究系统中，狼被狩猎，狩猎率每年平均为13.3%（范围：0.0%-27.6%）（Ausband，2019）。Ausband等人（2017）表明，在这个种群中，繁殖位置是相当动态的，即使在没有人为狩猎的情况下，也有频繁的更换。当密度低和合适的栖息地丰富时，雌性与雄性狼可能会选择扩散并确保自己的繁殖位置和领地，而不是在其母群中等待时机。当栖息地变得饱和时，例如在我研究的种群中，偏向于雄性的扩散似乎是狼为确保繁殖机会而出现的策略。然而，扩散和垄断繁殖位置并不是增加健康状况的唯一途径。雄性狼在等待其他地方的繁殖空缺时，也可以从繁殖对外的父子关系中获得健康效益（Li & Kokko, 2018）。在我研究的种群中，这种繁殖对外的父子关系并不罕见（Ausband, 2018）。

雄性狼似乎是狼群中遗传多样性的载体，因为它们通常会扩散到其他地方寻找繁殖机会，而不是在它们的母群中等待繁殖位的空缺。这一发现具有保护的意义。例如，美国的许多州最近都实施了灰狼的狩猎和诱捕季节。这些狩猎季节通常与狼群扩散的高峰期重叠（Jimenez等人，2017）。如果扩散的公狼被过度捕杀，种群的遗传连接性和多样性可能会受到影响。如果遗传多样性是一个问题，实施狼群狩猎季节的管理者可以考虑制定一个监测计划或强制狩猎登记，使他们能够确定成年雄狼在人为狩猎中的比例。