摘 要

动物界存在的卵生、胎生和卵胎生是动物繁殖的主要方式，而卵胎生被视为卵生进化为胎生的过渡方式。本实验以卵生的荒漠沙蜥为主要研究模型，将排卵雌体分为对照（C）、卵滞留缩短（LS）和卵滞留延长（LP）三组，实验操纵缩短或延长怀卵雌体卵滞留时间，获得了胚胎时期在23-33 期范围内的新生卵（正常产出情况下为30-31期），检测各时期新生卵的孵化时间、孵化成功率、后代表型和适合度等的差异。主要研究结果表明：（1）雌体产后体重和窝卵数各处理组间无显著差异（both P gt; 0.361），卵重和窝卵重组间差异显著（both P lt; 0.001），LS组卵重和窝卵重均小于C或LP组；（2）孵化期与新生卵内胚胎发育时期呈负相关（F1, 9 = 497.71, P lt; 0.0001）；（3）去除卵重影响后，卵孵出幼体的体重和体长组间差异显著（both P lt; 0.0001），LP 组孵出幼体体重和SVL均小于C组或LS 组；（4）除体重外所有检测的幼体形态特征（腹长、头长、头宽、前肢长、后肢长和尾长）组间无差异；60 天早期生长速率无组间差异（all P gt; 0.556）。研究表明受精卵滞留时长并非是一个直接与幼体适合度相关的特征。

关键词：蜥蜴；卵滞留；表型可塑性；适合度

Study on phenotypic plasticity and fitness relevance of egg retention time by taking desert sand lizard as an example

ABSTRACT

The existence of oviparous, viviparous and ovary in the animal kingdom is the main way of animal reproduction, and the viviparous birth is regarded as the transitional way in which the egg grows into a viviparous. In this experiment, the oviparous desert sand lizard was used as the main research model. The ovulation females were divided into three groups: control (C), egg retention shortening (LS) and egg retention prolonging (LP). The experimental manipulation shortened or prolonged the female eggs. During the retention time, new eggs in the range of 23-33 in the embryonic period (30-31 in normal output) were obtained, and we measured the difference of incubation time, hatching success rate, post-representation and fitness of newborn eggs in each period were. The main results showed that: (1) There was no significant difference in postpartum weight and litter size between the two groups (both P gt; 0.361), and the difference between egg weight and litter recombination was significant (both P lt; 0.001). Egg weight in LS group The egg weight was less than that of the C or LP group; (2) the incubation period was negatively correlated with the embryonic development period of the newborn egg (F1, 9 = 497.71, P lt; 0.0001); (3) after the egg weight was removed, the egg hatched The body weight and body length of the larvae were significantly different (both P lt; 0.0001), and the body weight and SVL of the hatchlings in the LP group were lower than those in the C or LS group. (4) The morphological characteristics of all the larvae except the body weight (abdominal length, head) There were no differences between the groups in terms of length, head width, forelimb length, hind limb length and tail length; there was no difference between the groups at the early 60-day growth rate (all P gt; 0.556). Studies have shown that the retention time of fertilized eggs is not a feature directly related to larval fitness.

Key words：Lizard；Egg retention；Phenotypic plasticity；Fitness

目 录

引言 1

1 文献综述 2

1.1爬行动物胚胎发育的研究进展 2

1.1.1爬行动物的卵胎生进化 2

1.1.2胚胎发育的影响因素 2

1.2 爬行动物表型可塑性的研究进展 3

1.2.1表型可塑性的概念和影响因素 3

1.2.2表型可塑性的意义 4

1.3 爬行动物适合度的研究进展 4

1.3.1适合度的概念 4

1.3.2适合度的影响因素 5

2实验材料和方法 6

2.1 实验动物 6

2.2 实验方法 6

3结果 8

3.1卵滞留时间的表型可塑性 8

3.2雌性繁殖的组间差异 8

3.3 幼体适合度的组间差异 10

4 结论和讨论 13

4.1讨论 13

4.2 结论 14

致谢 16

参考文献 17

引言

卵生是在脊椎动物中占有主导地位的繁殖模式，卵胎生是由其卵生祖先通过逐渐延长受精卵体内滞留时间（即胚胎体内发育时间），渐进进化直至产仔发展而来的繁殖模式^[1]。雌体延长受精卵滞留时间，通过行为调温、辅以生理调温为胚胎提供适宜的发育热环境，优化后代表型从而强化后代及其自身适合度，这是卵生物种延长卵滞留时间的选择利益所在，并为卵胎生的渐进进化提供了证据。卵生向卵胎生转变是一个受自然选择驱动的重大进化事件，对有关物种的繁殖成功率有重要影响。因此，卵胎生进化的选择利益和主要限制因素一直是学术界关注的焦点。

有鳞类（蜥蜴、蛇和蚓蜥）繁殖模式多样性高（有卵生、卵胎生和双繁殖模式物种），卵胎生进化起源丰富，非常适于探讨脊椎动物卵胎生进化方面的科学问题^[1-2]。有鳞类约80%的物种为卵生，但绝大多数卵生物种卵产出时胚胎已完成全程约1/3 的发育。就蜥蜴整个类群而言，卵生物种新生卵内胚胎发育时期多在26-32期范围内变化。然而，就特定卵生物种而言，新生卵内胚胎发育时期自然情况下仅在极窄的范围内变化、早晚差异一般不超过3期，这说明卵滞留时间是一个受强选择的性状、表型可塑性较低。因而若想在同一物种中检测卵滞留时间与胚胎发育速率、成功率和后代表型等的关联性，须通过人工实验操纵的方法获得大于正常卵滞留时间范围的新生卵，以拓宽胚胎发育时期变化的范围。给临产卵蜥蜴提供干燥巢址基质、营造不利产卵环境可以使雌体推迟产卵，可获得滞留时间延长的新生卵；给怀卵雌体注射皮质酮或催产素能促使蜥蜴提前产卵，可获得滞留时间缩短的新生卵^[3-4]。

沙蜥属内蜥蜴具有双繁殖模式，主要分布于寒冷或温差变幅大的干旱气候区，环境异质性高，因而是研究卵胎生进化的理想材料。卵胎生种因处于卵生-卵胎生连续谱的卵胎生端点而无法为该繁殖模式渐进式进化过程提供线索，故需要从现生卵生种类中寻找有关证据，而相关研究仍十分匮乏。本研究以卵生的荒漠沙蜥作为研究对象，通过实验操控荒漠沙蜥初生卵的卵滞留时间（提前或延迟），对其后代表型的可塑性和适合度关联性进行探讨，为揭示卵胎生渐进式的进化过程提供理论依据。

1 文献综述

1.1爬行动物胚胎发育的研究进展

1.1.1爬行动物的卵胎生进化

近期，对于爬行动物的胚胎发育逐渐成为了科学界的一个研究热点，由于爬行动物存在卵生和卵胎生两种繁殖模式，对动物的发育进化有着重要的意义。有科学家认为爬行动物中的胎生现象被认为是在高纬度和高海拔的寒冷气候中通过选择更长的保卵期而进化而成的。胚胎的耗氧量在发育过程中增加，因此较长的卵子滞留期应与提高胚胎供氧能力的母体或胚胎特征有关^[5]，有研究表明爬行动物的雌体在孕期通过体温漂变行为提供体内胚胎发育的最适热环境，而由母体行为调温诱导的后代表型的变化将增强后代的适合度^[6]。在爬行动物胚胎发育的过程中，胚胎具有行为调节能力，并且非常复杂，胚胎能够在卵内移动到温暖的环境，并能远离危险的高温环境，它不仅仅是细胞或羊膜的收缩，更是神经、肌肉、骨骼之间协同作用的结果，并且在胚胎发育过程中一些组织和器官的发育也要依赖于胚胎的定向运动^[7] 。

1.1.2胚胎发育的影响因素

在卵生动物中，母体虽然可以通过巢址选择将卵产在较为适中的巢穴中，但是胚胎在发育的过程中仍然受外界环境非生物因子如温度、湿度、氧气、有害物质及生物因子如微生物、捕食者、竞争者等因素的影响以及因子之间的交互影响，不同的卵处于巢穴内不同的位置，并且胚胎经历的发育环境也有差异，且卵越大这种差异应该越明显。研究表明，热带地区的爬行动物有两种生殖周期类型，有周期变化类型和无周期变化认为与栖息环境，尤其与降水量有关。许多爬行雄性动物季节性生殖周期与光周期相一致，光周期是影响其生殖周期的主导因子^[8]。而环境温度不仅能对外温动物的自由生活阶段（即出壳后自由活动的阶段）产生重要的影响，对其胚胎阶段的影响也是极其重要的，爬行动物的胚胎阶段是整个生活史过程当中最为关键且对环境因子最为敏感的时期，而且孵化温度对胚胎发育的影响最为显著，和爬行动物的胚后阶段一样，爬行动物胚胎也存在温度依赖性。而湿度也是一样重要的影响因子虽然卵生爬行动物的卵内还有一定的水分，但是在胚胎发育过程中的新陈代谢需要大量的水分，且卵的外壳具有一定的通透性，可以从外界环境摄取水分，水分过高或过低都会容易导致胚胎的死亡；氧气也是胚胎进行新陈代谢的重要原料之一，是胚胎发育过程中的一个重要影响因子，低氧孵化的胚胎在发育过程中可形成生理可塑性，但是在高浓度的氧气含量却并没有对胚胎发育产生显著的影响^[3]。有研究表明，胚胎父母亲的培育也是影响胚胎发育和进化的重要因素之一，在胚胎发育的过程中，父母亲养育的增加会促进更大的卵的产生，但是这也会导致繁殖力下降，但是卵的存活率会更高，爬行动物的发育时间会更短^[9]。OSR（Operational Sex Ratio）意为在一个固定的时间段内，在一个群体里面可以进行交配的雄性和雌性的比例，在一定程度上也影响着爬行动物的胚胎发育出生后一个与内的生长速率^[10]。

1.2 爬行动物表型可塑性的研究进展

1.2.1表型可塑性的概念和影响因素

表型可塑性广义上来说就是同一基因型受环境的不同影响而产生的不同表型，是生物对环境的一种适应，动物体的表型可因温度、温度波动、卵滞留时间、湿度等影响而改变，在某些爬行动物种中，温度显著影响着胎生爬行动物后代的幼体大小、运动、存活率，持续的高温对其表型都是不利的，持续的低温也会影响胎生爬行动物的正常活动（取食、交配、生殖等），进而会影响到整个种群的繁殖^[11]。而对于温度波动来说，研究表明，在适宜温度范围内，一些爬行动物可孵出形态和功能表现较佳、生长较快的幼体；而高温和低温条件下孵出较差的幼体，甚至可直接导致胚胎死亡，具体表现为影响某些爬行动物卵的孵化期和幼体体重，温度波动增大，卵孵化期较长，孵出的幼体较小，高温中孵出的幼体在营养生态学意义上处于竞争的劣势, 不利于幼体未来的生长、生存和正常进入繁殖群体^[12-13]。由于气候变化，许多物种正在经历新的环境条件，个体具有的行为可塑性水平将决定温度变化对体温以及随后的健康的影响程度，并可能对环境变化早期阶段的持久性至关重要。与高原爬行物种相比，高原爬行物种在对晒太阳机会的反应中表现出更强的热调节行为可塑性，这种可塑性的差异与观察到的广泛分布的低地和高地物种在体温上的差异相一致，这表明可塑性在许多爬行动物的热调节行为和热生理学的适应进化中可能起着关键作用^[14]。而湿度主要对于产柔性卵的爬行动物影响较大，孵化湿度对刚性卵孵化影响较小。柔性卵在孵化过程中，卵吸收孵化环境的水分引起卵重量的增加，在较高湿度基质孵化的卵其孵化过程中的重量变化要大于在较低基质孵化的卵，相对较湿的孵化基质能够保证卵对水分的充分吸收，诱导出相对较大的个体。同时卵在较高温度孵化能缩短卵孵化期, 孵化期的缩短使得孵出幼体具有较多的剩余卵黄, 因此较少的卵内物质被用于转化到身体组织上 , 进而表现出孵化幼体的体长较小^[13,15]。而对于刚性卵来说，在12到300 kPa范围内，孵化湿度对带有刚性卵的胚胎发育、幼体形态和功能表现的作用微弱，并且每个物种的表型可塑性都具有种间差异^[16]。

1.2.2表型可塑性的意义

表型可塑性反应了生物与环境的关系，正受到生态学家和遗传学家的青睐，而表型可塑性的适应意义在于资源充足的情况下达到时空上的“表现最大化”和在资源受限、存在胁迫的条件下仍然维持必要的生理功能，确保一定的适合度。这样，表型可塑性既是生物适应变化的环境的重要方式，又对生物的分布有着重要的影响^[12]。表型可塑性使得物种具有更宽的生态幅和更好的耐受性，可以占据更叫广阔的地理范围和更加多样化的生境，即成为生态位理论中的广幅种。

1.3 爬行动物适合度的研究进展

1.3.1适合度的概念

适合度是指生物体或生物群体对环境适应的量化特征，是分析估计生物所具有的各种特征的适应性，以及在进化过程中继续往后代传递的能力的指标，达尔文的《物种起源》中指出：适合度是衡量一个个体存活和繁殖成功机会的尺度。适合度越大，个体成活的机会和繁殖成功的机会也越大，反之则相反。 广义适合度不是以个体的存活和繁殖成功为衡量的尺度，而是指一个个体在后代中传递自身基因（亲属体内也或多或少含有这种基因）的能力有多大^[1]。能够最大限度地把自己基因传递给后代的个体，则具有最大的广义适合度传递自身基因通常是通过自己繁殖的方式，但也可以通过对亲属表现出利他行为的方式。所谓亲缘选择，就是选择广义适合度大的个体，而不管这个个体的行为是不是对自身的存活和繁殖有利。因此说适合度是生物体或生物群体环境适应的量化特征，只谈到生物个体是不准确的。另一方面，适合度是针对某一特定指标对生物适应环境的一种评判标准，一般多用对后代的贡献能力来衡量，《普通生态学》指出某一基因型个体的适合度实际上就是它下一代的平均后裔数。适合度高的，在基因库中的基因频率将随世代而增大，反之，适合度低的，将随世代而减少。

1.3.2适合度的影响因素

爬行动物是变温动物，因此它们在没有精细调温行为的情况下，在温度变化范围很大的环境下很难维持比较稳定的体温。例如许多高寒地带的爬行动物生殖方式进化为卵胎生，卵利用母体的体温在母体内发育，以减少对外界环境的依赖，提高卵的孵化率。而且当前研究数据表明怀卵雌体的调温长短影响后代的形态学特征和运动表现能力。虽然现在对于幼体形态学特征上的变异与幼体适合度差异的功能性关系还不是很明确，但幼体的运动表现以及早期生长速度等方面都是和适合度相联系的，孕期母体调温机会越多，后代适合度越高，即调温机会多的母体产下的幼体具有较强的运动表现和较快的生长速度^[6,17]。有研究表明，景观的破碎化对爬行动物的适合度也有一定的影响，生境破碎化使连续的生境被分割成许多小生境片段，在破碎的生境中，由于在适宜的生境斑块周围分布着不适宜的基质，使种群中的个体受到生境破碎化产生的面积效应和隔离效应的影响，正常迁移和建群受到隔离或限制，同时因适宜的生境斑块面积不断减少，种群的规模变小，种群的基因交流受到了限制，近亲繁殖增加，种群遗传多样性下降，引起生存能力下降，生境破碎化引起斑块边缘非生物环境（ 如光照、温度和湿度）和生物环境的剧烈变化，从而导致边缘效应。不同爬行动物对边缘的反应存在较大差异，有些反应积极而有些则消极^[18] 。

2实验材料和方法

2.1 实验动物

荒漠沙蜥（Phrynocephalus przewalskii）隶属于有鳞目蜥蜴亚目鬣蜥科沙蜥属，为中国西北荒漠中的优势蜥蜴物种。全长约12厘米；上鼻鳞为粒状，比头部背面其他的鳞小；背鳞和腹鳞有强棱，其上散有均匀的小黑点；上、下睑缘鳞的游离缘尖出构成锯齿状，鼻孔内有能自主启闭的瓣膜，耳孔及鼓膜均隐于皮肤内；头顶、四肢上面、脊椎及腹面为暗棕色或近黑色。荒漠沙蜥分布海拔高度从接近海平面至海拔2500 m，栖息于植被稀疏的砾石、荒漠或沙质荒漠，栖息地的植被覆盖度低于25％，但是厌弃寸草不生的荒漠，特别是沙漠。随着环境的不断变化，荒漠沙蜥也在进行不断地进化，它们的皮肤具有感受器，能够吸收环境中的水分，感知环境的温度和风速^[17]。本研究的实验动物在甘肃省民勤采集，实验结束后释放回原处。

2.2 实验方法

将怀卵蜥蜴饲养在于60 × 40 × 50cm（长 × 宽 × 高）专用培养缸，缸内铺设30 厘米沙土并维持一定湿度，用石棉瓦片、碎石模拟野外避所；培养缸一侧悬挂60 W灯泡作为蜥蜴体温调节的外热源，光周期设为12L: 12D。每天定时提供食物和饮水。怀卵蜥蜴分为以下处理：