膳食Omega-3长链多不饱和脂肪酸对幼年褐鳟生态相关认知性状的增强作用

《Ecology and Evolution》：Dietary Omega-3 Long-Chain Polyunsaturated Fatty Acids Can Enhance Ecologically Relevant Cognitive Traits in Juvenile Brown Trout

　　本研究通过实验室行为测试与半自然水槽中生态系统实验相结合，揭示了膳食中高水平的Omega-3长链多不饱和脂肪酸（n-3 LC-PUFA）能显著提升幼年褐鳟（Salmo trutta）的认知表现（如抑制控制能力），并影响其行为类型（如降低冒险倾向），最终使其在模拟自然环境中能捕获更大的猎物。该研究首次在生态相关尺度上证实了n-3 LC-PUFA对鱼类认知和觅食效率的积极影响，为理解营养生态学与行为认知的关联提供了重要证据。

　　

膳食Omega-3长链多不饱和脂肪酸对幼年褐鳟生态相关认知性状的增强作用

引言

动物种群和个体在一系列行为特质上存在持续差异，例如大胆性（即个体表达冒险行为的倾向）、活动性和攻击性。它们也在认知灵活性上存在差异，这与行为特质遵循速度-准确性的权衡有关，即大胆、活跃和具攻击性的个体可能更快地探索环境但效率较低，且认知灵活性较低。这些行为特质与野生环境中的资源获取相关，从而调节了行为与适应性（即生存和繁殖）之间的关系。理论预测，摄入富含Omega-3长链多不饱和脂肪酸（n-3 LC-PUFA）食物的消费者将具有更高的认知灵活性，表现出更小胆（即更不易卷入危险情境）、更不活跃和更不具攻击性的行为类型，并且能够更有效地探索环境。然而，这些预测基于实验室发现，这些营养物质对于在自然环境中发展具有生态重要性的行为特质的作用仍知之甚少。

Omega-3 LC-PUFA是一组重要的膳食生物分子，有益于体细胞和生殖组织的发育以及脊椎动物的神经元功能。例如，在河岸食虫鸟类中，n-3 LC-PUFA（即DHA - 二十二碳六烯酸和EPA - 二十碳五烯酸）提高了繁殖成功率；而在鱼类中，通过母体供给获得的n-3 LC-PUFA决定了后代的抗捕食表现。这些生物分子在食物网中的可用性取决于初级生产者合成能力的差异。水生食物网具有较高的n-3 LC-PUFA可用性，并且不同水生食物网之间也存在差异。湖泊系统比河流系统更富含这些分子，因为河流系统依赖于水生自生资源和陆生外来输入。n-3 LC-PUFA在食物网中的不均匀分布可能导致同一物种的个体和种群在从分子前体（例如ALA - α-亚麻酸）内部合成n-3 LC-PUFA的能力上产生适应性种内差异。

褐鳟（Salmo trutta）在行为、资源获取和栖息地利用方面表现出广泛的变异。湖泊洄游种群的褐鳟以鱼类为食，从中获取大部分n-3 LC-PUFA；而溪流定居种群是食虫性的，其n-3 LC-PUFA的含量由饮食和内部合成共同决定。这两种生态型可能对膳食n-3 LC-PUFA摄入的敏感性不同，这可能导致大脑发育的差异，进而可能影响行为、认知特质和生态表现。然而，膳食n-3 LC-PUFA对像褐鳟这样的可塑性物种的不同生态型或种群的具有生态重要性的行为的影响从未被测试过。

材料与方法

本研究通过一项同园饲养实验，探讨了膳食n-3 LC-PUFA在褐鳟行为特质、认知和生态表现发展中的作用。研究人员测试了来自五个种群的褐鳟个体在摄入高或低n-3 LC-PUFA饲料后的活动性、大胆性、攻击性和抑制控制绕道测试（ICDT）中的表现。此外，还使用了水槽中生态系统来评估膳食处理在接近自然条件的栖息地和猎物可用性下对觅食行为的影响。

实验鱼采集自奥地利淡水系统中的四个孵化场（德拉河、坎普河、阿特湖和魏森湖）和一个野生种群（奥伊斯河）。所有鱼在实验开始时均为10个月大。实验鱼被饲养在流通式饲养缸中，水温自然波动。在初始适应期后，将鱼分配到10个饲养缸中，每个种群被分成两组，一组接受涂有低n-3 LC-PUFA含量（菜籽油）的颗粒饲料，另一组接受涂有高n-3 LC-PUFA含量（鱼油）的颗粒饲料。实验饲料是等氮和等热量的，仅在n-3 LC-PUFA组成上不同。

行为学和认知评分在实验室条件下进行，以评估个体行为和时间一致性。每条鱼接受了六轮评分试验，侧重于其行为类型（即大胆性、活动性和攻击性）和认知技能。三轮试验在春季进行，三轮在夏季进行。测试在16个矩形塑料评分槽中进行，通过自动视频跟踪分析从视频记录中提取行为指标。行为试验包括用于评估大胆性的出现测试、用于评估活动性的旷场测试、用于评估攻击性的镜像测试以及用于评估认知技能的透明屏障绕道测试（ICDT）。在夏季，ICDT试验在行为特质试验后立即进行，不将鱼移出评分槽。

半自然水槽中生态系统实验在伦茨的HyTEC设施中进行，用于评估膳食处理对鱼类生态表现（即资源获取）的作用。水槽模拟了亚高山溪流的条件，包括自然水流条件、底质和猎物。在实验前，水槽接种了从塞巴赫河采集的大型无脊椎动物。实验持续10天，在此期间操纵水位以模拟自然溪流中的水位波动。在实验结束时，对鱼进行安乐死，测量其体长和体重，并通过胃冲洗法收集胃内容物。分析胃内容物的干生物量、猎物数量、平均猎物大小以及底栖猎物与漂流猎物的比例。

统计分析了n-3 LC-PUFA膳食处理对实验室行为特质、认知测量值以及从HyTEC水槽收集的胃内容物测量值的影响。使用线性混合模型（LMM）和广义线性混合模型（GLMM）来分析数据，并评估了个体在行为特质试验和ICDT中表现的可重复性。

结果

抑制控制绕道测试（ICDT）表现：n-3 LC-PUFA膳食处理对鱼解决ICDT所需的时间（通过屏障前的潜伏期衡量）有显著影响。接受高n-3 LC-PUFA膳食处理的鱼通过屏障所需的时间（88.7 ± 8.56秒）少于低n-3 LC-PUFA处理组（121.4 ± 11.00秒），因此解决ICDT的速度大约快27%。种群起源也有影响，来自奥伊斯河的鱼比来自德拉河和魏森湖的鱼表现更好。此外，季节（春季或夏季）与ICDT表现相关，鱼在春季的表现优于夏季。ICDT表现的可重复性非常低，为0.0899。

大胆性：出现测试（离开庇护所的时间）在春季未受任何考虑变量的影响，但在夏季，所有变量（膳食处理、种群和试验顺序）均显示出差异。在夏季，接受高n-3 LC-PUFA膳食摄入的鱼比摄入低n-3 LC-PUFA饲料的鱼具有更高的出现潜伏期。魏森湖的鱼比坎普河的鱼离开庇护所的时间更短。出现测试中离开庇护所概率的成功率在春季受种群起源的显著影响，但在夏季，膳食处理和种群对出现概率没有影响。个体在出现测试中离开庇护所概率的可重复性在春季为中等（0.323），在夏季较高（0.617）。

活动性：在春季，鱼在旷场测试中的活动性受种群和试验顺序的显著影响，而两个膳食处理组之间没有差异。鱼在第一次试验中的活动性低于第二次和第三次试验。来自德拉河的河流鱼与来自阿特湖和魏森湖的湖泊鱼表现出相似的活动水平，而来自坎普河和奥伊斯河的鱼比其他种群的活动性更低。种群对鱼活动性的影响在夏季模型中也很显著，而膳食处理和试验顺序没有影响。活动性的可重复性很高，春季为0.606，夏季为0.615。

攻击性：膳食处理不影响鱼在镜前花费的时间。鱼在镜前花费的时间在春季和夏季均受种群影响。特别是，来自阿特湖的鱼比其他种群花费更多时间面对其镜像。攻击性的个体可重复性在春季为中等（0.289），在夏季为0.500。

资源获取：发现膳食n-3 LC-PUFA处理对鱼在水槽中生态系统中选择的猎物大小有影响。接受高膳食n-3 LC-PUFA处理的鱼比接受低膳食n-3 LC-PUFA处理的同种鱼捕食更大的猎物。还发现种群起源与膳食n-3 LC-PUFA处理之间相互作用的趋势。这种趋势揭示了不同膳食处理下鱼群在猎物大小能力上的一些变异。来自湖泊种群（阿特湖和魏森湖）和德拉河的鱼在低n-3 LC-PUFA饲料条件下比在高n-3 LC-PUFA膳食处理下捕食更大的猎物。未发现任何变量对总猎物生物量有影响。不同种群的鱼在消耗的底栖和漂流猎物的比例上存在差异。膳食处理、性别和体长对底栖猎物的比例没有影响。

讨论

本研究的结果表明，n-3 LC-PUFA膳食摄入提高了鱼在ICDT中的认知表现。五个种群之间在这种表现上的差异表明，它们可能在认知能力和对实验室环境的反应上存在差异。然而，鱼的认知表现及其对膳食处理的反应并不受鱼来自湖泊还是河流的影响。膳食处理对攻击性和活动性没有影响，但影响了两项大胆性测量中的一项（即潜伏期），高n-3 LC-PUFA膳食组离开庇护所需要更多时间。此外，研究发现，当暴露于自然猎物时，喂食高n-3 LC-PUFA饲料的鱼比喂食低n-3 LC-PUFA饲料的个体捕获了更大的猎物。最后，发现n-3 LC-PUFA膳食处理对获取更多底栖猎物与漂流猎物相比没有影响。

抑制控制是一种具有生态相关性的认知过程，可提高鸟类的觅食技能并保证哺乳动物的生存。鱼类的ICDT表现与鸟类和哺乳动物相当。然而，其对该类群的生态相关性从未经过实证检验。褐鳟的抑制控制可能有利于更好地评估环境和选择更高质量的猎物。在本研究中，具有更好抑制控制表现的鱼表现出更高的觅食效率（即高n-3 LC-PUFA膳食处理组捕食更大的猎物）。这表明实验室ICDT对于评估鱼类认知具有生态相关性。虽然总体上高n-3 LC-PUFA饲料组捕食更大的猎物，但n-3 LC-PUFA对猎物大小的影响往往因种群而异。来自湖泊种群（魏森湖和阿特湖）的鱼在喂食高n-3 LC-PUFA饲料时捕食较小的猎物，而来自溪流（坎普河、德拉河和奥伊斯河）的鱼群在相同的膳食处理条件下（即高n-3 LC-PUFA饲料）捕食较大的猎物。在大西洋蓝鳍金枪鱼幼鱼中，DHA（最重要的n-3 LC-PUFA）促进了视蛋白的合成，并改善了对轮虫猎物的捕获。在视网膜中，细胞膜磷脂中的DHA改变了光敏色素的构象，使其能够与G蛋白结合，从而改善视觉刺激的处理。根据这些机制，我们提出膳食n-3 LC-PUFA（即DHA）的富集可能对湖泊生态型鳟鱼的视觉敏锐度产生积极影响，改善其视力，使其能够更好地探测和捕获较小的猎物。我们的分析显示，n-3 LC-PUFA膳食处理不影响鳟鱼饮食中底栖猎物与漂流猎物的比例。然而，在解释这些结果时必须考虑几个因素。HyTEC水槽设施是一个开放系统，受到环境变量的影响，这些变量可能影响猎物种群组成和可用性。鳟鱼饮食中底栖猎物的贡献随着时间增加。可能，漂流猎物（包括具有空中成虫阶段的猎物）的可用性在实验早期几周较高，随着昆虫羽化主要时期的结束而减少。ICDT表现的可重复性非常低。我们认为该值可能表明高度的认知灵活性，而不是测量的一致性或可靠性低，因为随着同一测试的重复试验，一些鱼可能学会了如何更快地解决任务，从而增加了认知表现测量的变异。

在春季进行的出现测试（离开庇护所的潜伏期）中，大胆性在春季未因任何变量而显示出差