摘要

對(duì)于在群體中生活和繁殖的動(dòng)物來說，繁殖機(jī)會(huì)本來就很有限。繁殖位置的更替會(huì)對(duì)合作繁殖者群體產(chǎn)生明顯的影響，特別是社會(huì)性食肉動(dòng)物。我們通常對(duì)社會(huì)性食肉動(dòng)物如何填補(bǔ)繁殖空缺以及哪些因素可能影響個(gè)體成功填補(bǔ)空缺的能力知之甚少。我利用灰狼的長(zhǎng)期（11年）遺傳數(shù)據(jù)集，探討繁殖位空缺是由群體內(nèi)的個(gè)體填補(bǔ)還是由群體外的被接納者（即加入到群體中的成年動(dòng)物）填補(bǔ)。雄性比雌性更有可能被接納到其群體之外的繁殖位置。雌性通常在其出生的群體中繼承繁殖位置（80%，n = 20），而雄性在其群體外獲得繁殖位置（76%，n = 17）。群體大小并不影響繁殖位空缺是由被接納者填補(bǔ)還是由群體內(nèi)的個(gè)體繼承。在被接納之前，當(dāng)雌性被接納到繁殖位置時(shí)，與從群體內(nèi)繼承繁殖位置相比，群體內(nèi)的遺傳相關(guān)度要高30%。因此，群體內(nèi)的遺傳相關(guān)度似乎對(duì)雌性是否被接納到群體中起著一定的作用。由于雄性狼非常依賴向外擴(kuò)散來保證繁殖位置，因此雄性狼似乎是灰狼種群中遺傳多樣性的信使。美國(guó)的許多州最近都實(shí)施了對(duì)灰狼的狩獵和誘捕季節(jié)。如果擴(kuò)散的公狼被過多地獵殺，種群的遺傳連接性和多樣性可能會(huì)受到影響。

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關(guān)鍵詞：繁殖?Canis lupus?食肉動(dòng)物 合作繁殖 遺傳 狼

1｜簡(jiǎn)介

一些物種，包括人類，已經(jīng)演化到在群體中生活和繁殖，個(gè)體幫助養(yǎng)育非自己的孩子（即合作繁殖；Dickinson & Koenig，2016；Kramer，2010）。群居生活通常為個(gè)體提供許多優(yōu)勢(shì)，包括增加食物攝入量，增強(qiáng)保衛(wèi)高質(zhì)量棲息地的能力，在疾病爆發(fā)時(shí)的優(yōu)勢(shì)，以及最終更高的存活率和繁殖率(Almberg等人, 2015; Cassidy等人, 2015; Clutton-Brook, 2006; Creel & Creel, 1995)?。對(duì)于群居生活和繁殖的動(dòng)物來說，繁殖機(jī)會(huì)本身是有限的(即棲息地只能支持這么多的群體)，因此，繁殖成熟的個(gè)體往往延遲散布(Clutton-Brock, 2006)。在這樣的種群中，即使自己沒有獨(dú)立的繁殖機(jī)會(huì)，幫助撫養(yǎng)關(guān)系近的幼仔也是增加終生健康的途徑(即包容性健康；Hamilton, 1964)。這樣的個(gè)體使用各種策略來最終確保繁殖位置，從在其出生的群體中繼承繁殖位置到擴(kuò)散到另一個(gè)現(xiàn)有的群體或在空置的棲息地建立一個(gè)新的群體(Jimenez等人, 2017; Kokko & Ekman, 2002; Walters & Garcia, 2016)?。

由于繁殖機(jī)會(huì)在這種種群中是罕見的，對(duì)這種繁殖位置的競(jìng)爭(zhēng)可能是激烈的，與繁殖者更替有關(guān)的動(dòng)態(tài)往往對(duì)群體大小、組成和繁殖者的繼承有明顯的影響（Ausband等人，2017；Brainerd等人，2008）。在一些物種中，群體大小會(huì)影響個(gè)體是否被接納，小群體比大群體更有可能接納個(gè)體（McNutt, 1996）。此外，群體內(nèi)個(gè)體的遺傳親緣關(guān)系可以影響他們接納新成員的意愿（例如，較高的親緣關(guān)系可能有利于接納；Shen等人，2017）。

對(duì)于尋求填補(bǔ)空缺的繁殖位置的個(gè)體來說，性別可以對(duì)所使用的策略起到很大作用。例如，在紅頂啄木鳥(Picoides borealis)中，大多數(shù)雄性作為助手留在他們的出生地，一旦他們的父親去世，就會(huì)繼承一個(gè)繁殖位置(Walters等人, 1992)。而在合作繁殖的褐鴉(Cyanocorax morio)中，雌性傾向于留在出生地并幫助養(yǎng)育幼鳥，盡管這種行為的整體終身健身效益是未知的(Williams & Hale, 2007)。我們對(duì)許多合作繁殖的鳥類如何填補(bǔ)繁殖位空缺有很強(qiáng)的理解基礎(chǔ)，許多這類物種表現(xiàn)出偏向于雌性的擴(kuò)散，雄性一般會(huì)繼承領(lǐng)地和繁殖位。我們對(duì)哺乳動(dòng)物的繁殖位空缺是如何填補(bǔ)的了解要少得多，因?yàn)椴溉閯?dòng)物的擴(kuò)散可能偏向于任何一種性別。由于哺乳動(dòng)物內(nèi)在的低密度特點(diǎn)和出色的擴(kuò)散能力，我們可能期望看到那些哺乳動(dòng)物，特別是社會(huì)性食肉動(dòng)物的繁殖位空缺如何被填補(bǔ)的獨(dú)特模式。

美國(guó)愛達(dá)荷州的灰狼（Canis lupus）是一個(gè)很好的研究物種，可用于探討社會(huì)性食肉動(dòng)物的繁殖位空缺是如何填補(bǔ)的。群體大小和組成對(duì)狼的生存和繁殖有明顯的影響（Ausband等人，2017）。此外，美國(guó)愛達(dá)荷州的狼群是動(dòng)態(tài)的，自然和人類造成的死亡都會(huì)造成繁殖位空缺（Ausband等人，2017）。我使用了一個(gè)長(zhǎng)期（11年）的灰狼血統(tǒng)遺傳數(shù)據(jù)集，以研究在合作繁殖的社會(huì)性食肉動(dòng)物中如何填補(bǔ)繁殖位空缺。我探討繁殖位空缺是由群體內(nèi)的個(gè)體繼承還是由群體外的被接納者填補(bǔ)。我預(yù)測(cè)，雌性比雄性更多地繼承其出生群體中的繁殖位置，接納的概率將隨著群體規(guī)模的增加而減少，而群體內(nèi)個(gè)體的遺傳相關(guān)度的增加將積極地影響群體外個(gè)體被接納為繁殖位置的概率。

2 |?材料和方法

2.1?研究區(qū)域

我在三個(gè)研究區(qū)域（北部、東部和南部）對(duì)狼進(jìn)行了采樣，包括五個(gè)愛達(dá)荷州漁業(yè)和狩獵部管理單位（GMU 4 "北部"、28 "東部"和33-35 "南部"；圖1）。美國(guó)愛達(dá)荷州位于緯度44.06820和經(jīng)度-114.74204。年溫度為-13至36℃（西部地區(qū)氣候中心，2016），降水量為30至130厘米（西部地區(qū)氣候中心，2016），海拔高度為646至3219米。 北部研究區(qū)(GMU 4；3189平方公里)以西部紅松(Thuja plicata)、花旗松(Pseudotsuga menziesii)、恩格爾曼云杉(Picea engelmannii)和小干松(Pinus contorta)為主。東部（GMU28；3388平方公里）和南部（GMU33-35；3861平方公里）的研究區(qū)域由黃松（Pinus ponderosa）、宿松、云杉混交林和三齒蒿（Artemisia tridentata）草原組成（Mack等人，2010）。愛達(dá)荷州于2009年開始公開狩獵狼群，自2011年起每年都有狩獵（2010年短暫停止）。9月至3月是狩獵的高峰期，在10月至11月(Ausband, 2016)。在我的研究期間，愛達(dá)荷州的狼群數(shù)量很多（約1000只狼；愛達(dá)荷州漁獵部，2020年），并且與美國(guó)西部和加拿大的鄰近種群相鄰。

2.2 |?實(shí)地方法

2008年6月至8月期間，我在已被占領(lǐng)或最近被占領(lǐng)的狼群產(chǎn)仔地收集狼糞。在有條件的情況下，我利用GPS或無線電遙測(cè)技術(shù)定位狼的產(chǎn)仔地點(diǎn)。當(dāng)沒有無線電項(xiàng)圈標(biāo)記的狼時(shí)，我調(diào)查了歷史上的產(chǎn)仔地和由生境模型預(yù)測(cè)的產(chǎn)仔地的高概率（≥70%的適合性）（Ausband等人，2010）。在2008-2010年期間，我們沒有使用無線電項(xiàng)圈信息來尋找狼，從2011年到2014年，我們的研究小組中大約有65%的個(gè)體有項(xiàng)圈，盡管它們的位置并不總是能幫助我們找到幼崽。從2015年到2018年，我們?cè)俅螞]有使用項(xiàng)圈信息。在有項(xiàng)圈狼和無項(xiàng)圈狼的地點(diǎn)，技術(shù)人員模仿狼發(fā)出嚎叫（Harrington & Mech, 1982），并試圖通過搜索該地區(qū)或通過搜索周圍的狼群GPS集群（1公里內(nèi)>5個(gè)地點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間>7天）和無線電遙測(cè)位置（如果有的話）來找到活動(dòng)中心（幼崽聚集的區(qū)域）。在找到活動(dòng)中心后，4-8名技術(shù)人員收集狼糞（幼崽和成年狼）3-5小時(shí)，從活動(dòng)中心向外輻射現(xiàn)有的狼道，最長(zhǎng)500米，以確保有足夠的成年狼糞樣本（Ausband等人，2010；Stenglein等人，2010a）。用更多的人（如8人對(duì)2人）在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，減少了我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)的總體時(shí)間長(zhǎng)度和對(duì)狼群的潛在壓力。我們還收集了在幼崽飼養(yǎng)地之外發(fā)現(xiàn)的偶然的糞便。我們每年在每個(gè)群體中收集125-200個(gè)樣本，這通常可以檢測(cè)到群體中的每個(gè)個(gè)體（Stenglein等人，2011）。我們?cè)噲D每年對(duì)每個(gè)群體重新取樣。采樣是根據(jù)蒙大拿大學(xué)IACUC（動(dòng)物使用協(xié)議008-09MMMCWRU）進(jìn)行的。

2.3?實(shí)驗(yàn)室方法

我們?cè)趷圻_(dá)荷大學(xué)的生態(tài)、演化和保護(hù)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)愛達(dá)荷州的莫斯科）進(jìn)行DNA分析。我們用Qiagen試劑盒（Qiagen）從糞便樣本中提取DNA，并包括一個(gè)陰性對(duì)照以測(cè)試放射性污染。我們首先利用線粒體DNA控制區(qū)的三個(gè)短段的共擴(kuò)增和片段分析對(duì)所有樣品進(jìn)行物種鑒定測(cè)試，以去除非目標(biāo)物種和低質(zhì)量樣品。然后，我們嘗試使用18個(gè)核DNA微衛(wèi)星位點(diǎn)（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）。我們首先對(duì)所有樣本進(jìn)行兩次擴(kuò)增，以進(jìn)行基因分型，并要求在≥5個(gè)位點(diǎn)上成功擴(kuò)增等位基因的樣本繼續(xù)進(jìn)行1-3次PCR，而我們放棄了在<5個(gè)位點(diǎn)上擴(kuò)增的樣本。在每個(gè)基因座上，我們要求≥2次獨(dú)立的PCR擴(kuò)增來達(dá)成雜合子的共識(shí)，≥3次獨(dú)立的PCR擴(kuò)增來達(dá)成同合子的共識(shí)。我們使用Program Genalex（Peakall & Smouse, 2006）比較了所有的共識(shí)基因型和以前確定的個(gè)體的所有獨(dú)特基因型，以匹配樣本并區(qū)分獨(dú)特的基因型。為了說明未檢測(cè)到的基因分型錯(cuò)誤，我們將僅在一個(gè)基因座上因等位基因缺失而不匹配的樣品（如102，102與102，106）歸為單一個(gè)體（Adams & Waits, 2007）。我們使用Reliotype（Miller等人，2002）來測(cè)試只捕獲一次的獨(dú)特基因型的準(zhǔn)確性，確保基因型達(dá)到95%的準(zhǔn)確性閾值。關(guān)于實(shí)驗(yàn)室方法的更多細(xì)節(jié)可參見Stenglein De Barba等人（2010）、Stenglein Waits等人（2010）、Stenglein等人（2011）和Stansbury等人（2014）。我們?cè)?008年和2009年分析了所有收集的樣本。2010年后，我們使用稀疏分析法（Stenglein等，2011）對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分樣，并分析了每組的40個(gè)成體和25個(gè)幼體樣品。如果一個(gè)群體有兩個(gè)以上的個(gè)體只檢測(cè)到一次，我們?cè)谟袟l件的情況下分析了額外的樣本，以獲得10個(gè)以上的共識(shí)基因型。

2.4?分析

我沒有把幼狼包括在我的分析中，而是使用了≥1歲的狼的基因型，因?yàn)橛桌窃诘谝荒瓴粫?huì)繁殖。我將所有采樣的成年公狼和母狼作為潛在的父母，將所有采樣的幼狼作為潛在的后代，然后通過使用最大似然法和Program COLONY 2.0.5.5版本（Jones & Wang, 2009）構(gòu)建血緣關(guān)系來確定繁殖者及其后代。我首先在Program COANCESTRY 1.0.1.5版（Wang，2011）中計(jì)算每個(gè)研究地區(qū)和年份的等位基因頻率，然后將其導(dǎo)入Program COLONY，用于血緣關(guān)系分析。我認(rèn)可兩種性別一夫多妻制，并假定等位基因剔除率為0.01。在COLONY程序無法確定親子關(guān)系的情況下，我進(jìn)一步根據(jù)該組中剩余后代的可能的親子關(guān)系來檢查后代的基因型，并允許親子之間由于等位基因缺失而出現(xiàn)兩個(gè)等位基因不匹配的情況來驗(yàn)證親子關(guān)系。最后，我使用Program Co-ancestry（Wang，2011）來估計(jì)每年每個(gè)群體內(nèi)所有可能的成年個(gè)體對(duì)之間的Trio ML遺傳關(guān)系。

我在連續(xù)幾年中對(duì)相同的狼群進(jìn)行了抽樣調(diào)查，根據(jù)所得的血統(tǒng)，我估計(jì)了每個(gè)狼群中的個(gè)體和繁殖者的數(shù)量。繁殖空缺的原因并不總是已知的，包括因死亡、被驅(qū)逐出群體而失去繁殖位置，或在行為上被篡奪繁殖位置。

我在Program R（3.6.2版，R核心團(tuán)隊(duì)，2019年）中使用了廣義線性混合模型和固定效應(yīng)模型，以測(cè)試群體中成人的性別、群體大小和遺傳相關(guān)度（r）是否影響繁殖空缺是由現(xiàn)有群體成員繼承還是由群體外的收養(yǎng)個(gè)體填補(bǔ)。所有模型中的反應(yīng)變量都是二進(jìn)制的（例如，繁殖空缺是否由被收養(yǎng)者填補(bǔ)），我假定二項(xiàng)分布與logit鏈接函數(shù)。我在混合效應(yīng)模型中加入了?"組?"的隨機(jī)效應(yīng)。我使用Akaike信息標(biāo)準(zhǔn)（AICc）對(duì)小樣本量和模型權(quán)重（wi；Burnham & Anderson，2002）進(jìn)行了調(diào)整，評(píng)估了競(jìng)爭(zhēng)模型（如性別、群體大小、遺傳相關(guān)度和其組合以及空模型）的相對(duì)支持度。兩個(gè)AICc值內(nèi)的模型得到同樣的支持；然而，我認(rèn)為其中最簡(jiǎn)明的（即最少的參數(shù)）是頂級(jí)模型。我使用接受者操作特征統(tǒng)計(jì)學(xué)（Hosmer & Lemeshow, 2000）評(píng)估了我最支持的模型的擬合度。為了測(cè)試性別內(nèi)（而不是性別間）對(duì)繁殖繼承模式的影響，我用t檢驗(yàn)來測(cè)試當(dāng)一個(gè)繁殖位置被繼承或被接納者填補(bǔ)時(shí)，雄性和雌性的遺傳相關(guān)度或群體大小是否有差異。由于樣本量太少，無法進(jìn)行邏輯回歸分析（例如，只有四只雌性被接納到其母群以外的繁殖位置）。

3｜結(jié)果

2008-2018年期間，我在10個(gè)狼群中記錄了37個(gè)繁殖者的更換事件（20個(gè)繁殖雌性和17個(gè)繁殖雄性）。在這些群體中，我對(duì)151個(gè)獨(dú)特的個(gè)體進(jìn)行了基因分型。狼群規(guī)模平均為每群7.6（SD=2.9）只成年狼，群內(nèi)成年狼的遺傳關(guān)系平均為0.34（SD=12.2）。預(yù)測(cè)繁殖位空缺是由被接納者填補(bǔ)還是從群體內(nèi)部繼承的最支持和最簡(jiǎn)明的模型包含一個(gè)?"性別?"變量，并與數(shù)據(jù)有良好的擬合（AUC=0.76；表1）。當(dāng)繁殖位空缺出現(xiàn)時(shí)，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）被接納到其群體之外的繁殖位置。雌性通常在其出生的群體內(nèi)繼承繁殖位置（80%，n = 20），而雄性在其群體外獲得繁殖位置（76%，n = 17）。

在雄性內(nèi)部，群體大?。═ = 1.26, df = 16, p = 0.22）和遺傳相關(guān)度（T = 0.62, df = 16, p = 0.53）都不影響雄性是否繼承或被接納到群體中的繁殖位置。然而，在雌性體內(nèi)，當(dāng)雌性從群體外被收養(yǎng)時(shí)，收養(yǎng)前的遺傳相關(guān)度（T = 1.85, df = 19, p = 0.08）比群體內(nèi)的雌性繼承繁殖位置時(shí)（r = 0.43; SE = 0.03）高30%。群體大小與雌性在群體中繼承或被接納進(jìn)繁殖位置沒有關(guān)系（T = 0.18, df = 19, p = 0.86）。

4.討論

一般來說，在合作繁殖者的種群中，繁殖個(gè)體較少?？杖钡姆敝澄恢煤拖嚓P(guān)的領(lǐng)地可以很快被填補(bǔ)，各種策略已經(jīng)演化為個(gè)體對(duì)這種機(jī)會(huì)的競(jìng)爭(zhēng)（Kokko & Ekman, 2002）。我發(fā)現(xiàn)灰狼的繁殖策略在性別上存在差異，雌性通常留在其出生的群體中并試圖繼承一個(gè)繁殖位置，而雄性則在出現(xiàn)繁殖空缺時(shí)分散并被接納到另一個(gè)群體。雌性被收養(yǎng)到其母群以外的繁殖空缺中的情況并不多見。然而，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，這些群體中的成年個(gè)體之間的遺傳關(guān)系一般都很高。此外，在4個(gè)雌性被接納到繁殖位置的案例中，現(xiàn)有的繁殖雄性是該群體中所有成年雌性助手的父親，這表明了對(duì)近親繁殖的避免。

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由于繁殖策略因性別而異，人們可能會(huì)預(yù)測(cè)雄狼和雌性狼所表現(xiàn)出的幫助行為的差異。例如，雄性狼在擴(kuò)散和試圖在其出生狼群之外獲得繁殖位置時(shí)，可能會(huì)受益于較大的體型，這在其他食肉動(dòng)物中是可以看到的（Kovach & Powell, 2003; Lührs & Kappeler, 2014; Zedrosser等人, 2007）。選擇可能有利于那些比其他群體成員個(gè)體平均消耗更多食物的個(gè)體，也許比其他個(gè)體更少地提供給幼崽食物，甚至偷取其他群體成員帶回來的食物。事實(shí)上，Ausband等人（2017）發(fā)現(xiàn)年長(zhǎng)的非繁殖雄性幫手狼對(duì)幼崽的新增有明顯的負(fù)面影響。相反，如果群體增殖理論（Kokko等，2001）驅(qū)動(dòng)狼的合作繁殖行為，人們可能期望雌性表現(xiàn)出更多的幫助行為，特別是當(dāng)群體中的成年個(gè)體的遺傳相關(guān)度≤0.33時(shí)。雌狼在獲得繁殖地位之前幫助養(yǎng)育幼崽，可能會(huì)增加群體規(guī)模，從而在領(lǐng)地防御、獵物獲取方面獲得好處，甚至可能在幼崽長(zhǎng)大成年后獲得互惠援助（Cassidy等人，2015；Creel & Creel，1995；Wiley & Rabenold，1984）。有一些證據(jù)表明，雌性狼比雄性狼提供更多的幫助，特別是當(dāng)幼崽還小的時(shí)候(Ausband et al., 2016)，但對(duì)幼崽生存的最終影響并不明晰(Ausband et al., 2017)。

種群中繁殖位置的周轉(zhuǎn)率很可能會(huì)影響個(gè)體為確保這種空缺而有效利用的策略。在我的研究系統(tǒng)中，狼被狩獵，狩獵率每年平均為13.3%（范圍：0.0%-27.6%）（Ausband，2019）。Ausband等人（2017）表明，在這個(gè)種群中，繁殖位置是相當(dāng)動(dòng)態(tài)的，即使在沒有人為狩獵的情況下，也有頻繁的更換。當(dāng)密度低和合適的棲息地豐富時(shí)，雌性與雄性狼可能會(huì)選擇擴(kuò)散并確保自己的繁殖位置和領(lǐng)地，而不是在其母群中等待時(shí)機(jī)。當(dāng)棲息地變得飽和時(shí)，例如在我研究的種群中，偏向于雄性的擴(kuò)散似乎是狼為確保繁殖機(jī)會(huì)而出現(xiàn)的策略。然而，擴(kuò)散和壟斷繁殖位置并不是增加健康狀況的唯一途徑。雄性狼在等待其他地方的繁殖空缺時(shí)，也可以從繁殖對(duì)外的父子關(guān)系中獲得健康效益（Li & Kokko, 2018）。在我研究的種群中，這種繁殖對(duì)外的父子關(guān)系并不罕見（Ausband, 2018）。

雄性狼似乎是狼群中遺傳多樣性的載體，因?yàn)樗鼈兺ǔ?huì)擴(kuò)散到其他地方尋找繁殖機(jī)會(huì)，而不是在它們的母群中等待繁殖位的空缺。這一發(fā)現(xiàn)具有保護(hù)的意義。例如，美國(guó)的許多州最近都實(shí)施了灰狼的狩獵和誘捕季節(jié)。這些狩獵季節(jié)通常與狼群擴(kuò)散的高峰期重疊（Jimenez等人，2017）。如果擴(kuò)散的公狼被過度捕殺，種群的遺傳連接性和多樣性可能會(huì)受到影響。如果遺傳多樣性是一個(gè)問題，實(shí)施狼群狩獵季節(jié)的管理者可以考慮制定一個(gè)監(jiān)測(cè)計(jì)劃或強(qiáng)制狩獵登記，使他們能夠確定成年雄狼在人為狩獵中的比例。