Fakulteten för samhälls- och livsvetenskaper Avdelningen för biologi Julia Ferm Effekt av parasitinfektion på öringens furagering The effect of parasite infection on foraging by brown trout Biologi C-uppsats Datum: 2011-11-14 Handledare: John Piccolo, Martin Österling Examinator: Larry Greenberg Löpnummer: 11:49 Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Information@kau.se www.kau.se
Abstract Parasites can impact their hosts in many different ways. The larval glochida of freshwater pearl mussels (Margaritifera Margaritifera L.) infect the gills of brown trout (Salmo trutta L.), where they spend several months before becoming free-living. Using stream aquarium experiments, this study investigated the hypotheses that infected trout would capture fewer prey, and would swim less distance to capture prey, than would uninfected trout. The results showed that infected brown trout caught significantly fewer prey/minute both at the beginning and at the end of a foraging period during which individuals were fed two hundred potential prey. This suggests that infected brown trout have a lower foraging rate than uninfected brown trout. However, no significant difference between infected and uninfected fish was found in terms of the number of prey taken in relation to distance to the prey. The lower foraging rate for infected brown trout suggests that infection of the freshwater pearl mussel s glochidia may have negative effects on their growth rate, and consequently survival. This may be due to factors such as reduced activity, increased ventilation and changes in behavior, which are effects from the parasite infection. Keywords: Brown trout, Freshwater pearl mussel, drift-feeding, glochidia, parasite
Sammanfattning Parasiter kan påverka sina värdar på många olika sätt. Flodpärlmusslans (Margaritifera margaritifera L.) glochidielarver lever inkapslade som parasiter på gälarna hos öring (Salmo trutta L.) i flera månader innan de blir frilevande. Genom experiment i ett strömakvarium har denna studie undersökt hypoteserna att öring med inkapslade gälparasiter tar färre byten, och simmar kortare avstånd när de födosöker än öring utan gälparasiter. Resultaten visade att infekterad öring tog signifikant färre byten/minut än oinfekterad öring både i början och i slutet av en födosöksperiod under vilken individerna konfronterades med tvåhundra poteniella byten. Vilket visar att infekterad öring har en lägre furageringshastighet är oinfekterad öring. Däremot påvisades ingen skillnad mellan öring med och utan parasiter med avseende på antal byten tagna i förhållande till avstånd från bytet. Den lägre furageringshastigheten som påvisades hos de infekterade öringarna tyder på att infektion av flodpärlmusslans larver kan ha negativa effekter på fiskarnas tillväxt, och därmed överlevnad. Detta kan bero på faktorer som minskad aktivitet, ökad ventilation och förändringar i beteende hos de infekterade fiskarna, som är en effekt av parasitinfektionen. Nyckelord: Öring, Flodpärlmussla, drift-feeding, glochidie, parasit
Inledning I älvar och bäckar livnär sig ofta öring (Salmo trutta L.) genom att fånga byten som kommer med det strömmande vattnet, s.k. drift-feeding. Hur mycket energi fisken tjänar beror på hur mycket energi den gör av med vid fångsten av bytet mot hur många byten som kommer nedströms. Öringens focal-point, utgångspunktposition i strömmen där öringen uppehåller sig tills den gör utfall mot byten, avgörs utifrån hur effektivt nettoenergi-upptaget blir (Hughes & Dill, 1990). Födointaget hos öringar påverkas av olika abiotiska faktorer. Till exempel tar öringen färre byten vid lägre temperaturer, och en stor minskning i födointag sker vid temperaturer under 8ºC. Vid temperaturer mellan 8º och 14ºC finns inget samband mellan födointag och temperatur (Watz & Piccolo, 2010). Andra faktorer som påverkar födointaget är hur långt fisken måste simma (Fausch, 1984; Hughes & Dill, 1990), vattendjup och vattenhastighet (Piccolo m.fl., 2007, 2008). Ökad vattenhastighet minskar bytesfångsthastigheten och ökar kostnaderna för fisken vilket leder till minskat nettoenergi-upptag (Piccolo m.fl. 2008). Födointaget påverkas även av biotiska faktorer som predation och konkurrens från mer dominanta individer, som kan påverka öring att välja en annan plats än den som är bäst ur energisynpunkt (Fausch & White, 1981; Hughes, 1992). Parasiter är en annan biotisk faktor som kan påverka öringen negativt, då dessa tar energi från sin värd (Sadava m.fl., 2008). En biotisk faktor som inte undersökts är hur infektion av flodpärlmusslans glochidielarver påverkar öringens drift-feeding. Flodpärlmusslan(Margaritifera margaritifera L.) lever en period i sin livscykel som en parasit på gälarna hos öring eller lax (Salmo salar L.), (parasiter på lax har dock inte observerats i Sverige). Flodpärlmusslans larver fäster på gälarna hos fisken för att sedan kapslas in i värdens epitelceller (Österling, 2005). Parasitstadiet varar vanligen mellan 3 och 10 månader (Bauer, 1987), med den längsta uppmätta tiden 11 månader (Hastie & Young, 2001). Vattentemperaturen kan vara en faktor som påverkar längden på parasitstadiet (Hruska, 1992). Parasiter har vanligtvis en negativ påverkan på sin värds morfologi, fysiologi eller beteende (Begon m.fl., 2006), och därför kan det tänkas att infektion av glochidielarver har en effekt på öringens födointag. Parasiter på gälarna har tidigare påvisats ha en påverkan på fiskens hälsa genom energikostnader för immunförsvaret (Dodd m.fl. 2005). Vidare kan parasitinfektion på gälarna resultera i minskad aktivitet, större minskning i kroppsvikt än hos infekterade och sämre reaktion på predationsrisker (Crane, 2011). Infektion kan även leda till ökad ventilationshastighet, en kompensation för reducerad yta för gasutbyte på gälarna (Kaiser 2005; Crane, 2010). Det har till och med påvisats att infektion av glochidielarver kan leda till värdfiskens död i extrema fall (Howerth & Keller 2006). En hypotes är att de infekterade fiskarna kan få svårare att ta byten som en följd av att hälsan försämrats och de kanske tar färre byten än de oinfekterade fiskarna. Infekterade fiskar kan få svårare att röra sig och bli tröttare och på grund av det inte kunna, och orka ta lika många byten som oinfekterade fiskar eftersom deras energi även måste gå till att underhålla parasiterna (Sadava m.fl. 2008). Dessutom kanske infekterade fiskar inte orkar ta byten lika långt bort från sin focal-point som oinfekterade fiskar. En annan, motstående förklaring kan vara att infekterade individer måste ta fler byten än oinfekterade individer eftersom parasiterna tar energi och gör att fiskens egna energiupptag påverkas och blir mindre. Syftet med studien var att undersöka hur öringens drift-feeding påverkas av infektion av flodpärlmusslans glochidielarver. Den första hypotesen är att öring utan infektion av flodpärlmusslans larver tar fler byten än infekterade eftersom infekterade fiskar tros påverkas negativt av parasiterna. Den andra hypotesen är att öringar utan infektion av flodpärlmusslans larver tar fler byten längre bort än infekterade öringar.
Material och metoder Undersökningarna utfördes i ett 58 cm brett akvarium med ett vattendjup på 16 cm och en konstgjord ström med medelhastigheten 0,159 meter/sekund. Botten täcktes med stenar med en diameter på ca. 10 mm. Stenarna lades så de bildade en sluttning i slutet av strömmen för att efterlikna naturliga förhållanden och öringens preferenser och på så sätt ge möjlighet till en focalpoint. Temperaturen i vattnet var 14º celsius (Figur 1). Figur 1. Ritning på akvariet som användes i experimentet. Öringar blandades med 30 000 glochidielarver/ml. under 45 minuter 2010-09-13. Öringarnas gälar undersöktes visuellt för infektion 2010-11-06, och 10 öringar (5 oinfekterade och 5 infekterade med flodpärlmusslans glochidielarver) inom viktspannet 1,62-4,10 gram med medelvikten 2,39 gram valdes slumpmässigt för försöket. De infekterade öringarna hade en medelinfektion av 25,1±5,7 (±SE) glochidielarver/g. Fiskarna svältes i 24 timmar och placerades sedan en åt gången i akvariet där de filmades när de födosökte, efter att de vant sig vid den nya miljön och börjat äta. (Försöken filmades med minidv för senare analys.) Som byten användes tinade, tidigare frysta, mygglarver (<10 mm. långa). Tvåhundra byten (ca. 24 byten/minut) släpptes ned en i taget i akvariet, och för att skapa variation i var fisken skulle möta bytet släpptes bytena i tur och ordning i tre rör placerade på rad tvärs över kanten i början av akvariet. På så sätt undveks att fiskarna lärde sig var i strömmen bytena skulle komma. Försöken analyserades genom att räkna hur många byten varje fisk tog under 3 minuter i början av försöket och under den sista minuten av försöket. Antal byten fisken tog nära och fjärran (längre bort än 3 fisklängder) med utgångspunkt från fisken och fiskens focal-point räknades under de 3 minuterna i början och under sista minuten. För att undersöka om det var någon signifikant skillnad mellan hur många byten infekterade och oinfekterade fiskar tog i början av försöken, hädanefter kallat första minuten, och om det var någon signifikant skillnad mellan hur många byten infekterade och oinfekterade fiskar tog sista minuten gjordes ett parat t-test för varje tillfälle med signifikansnivån 0,05. Antal byten tagna nära och fjärran under den första och sista minuten för infekterade och oinfekterade öringar analyserades på samma sätt. Slutligen sammanställdes resultaten för att se om det fanns någon skillnad i antal byten och avstånd till tagna byten mellan oinfekterade och infekterade öringar under deras drift-feeding.
Resultat Resultaten av försöken visade att de oinfekterade fiskarna tog fler byten än de infekterade under den första minuten (Figur 2; t-test, n = 10, t = 2,38, p = 0,04). Resultaten visade vidare att de oinfekterade fiskarna hade högre födohastighet än de infekterade fiskarna även under den sista minuten (Figur 3; t-test, n = 10, t = 2,41, p = 0,04). De oinfekterade fiskarna hade större framgång än de infekterade i sin bytesfångst både under första och sista minuten och ökade sitt medel med 1 byte från första till sista minuten och ökade sin fångstframgång från 22 procent under första minuten till 30 procent under sista minuten. Även de infekterade ökade sin framgång i bytesfångst under sista minuten då de tog 19 procent av de tillgängliga bytena jämfört med 16 procent under första minuten (Tabell 1.). Figur 2. Byten/minut/fisk ± standard error under den första minuten hos oinfekterade (mörkgrå) och infekterade (ljsugrå) fiskar.
Figur 3. Byten/minut/fisk ± standarderror under sista minuten för oinfekterade (mörkgrå) och infekterade (ljusgrå) fiskar. Tabell 1. Medelvärden för antal byten/fisk, antal isläppta byten och öringens fångstframgång under första och sista minuten. Medelvärden Byten/minut Isläppta Fångstframgång (%) Första minuten Sista minuten Byten/minut Första minuten Sista minuten Oinfekterade 5 7 24 22 30 Infekterade 4 4 23 16 19 De oinfekterade tog 65 procent av sina byten nära medan de infekterade tog 75 procent av sina byten nära den första minuten. Det var dock inte någon signifikant statistisk skillnad i antal byten de oinfekterade och infekterade fiskarna tog nära (Figur 4; t-test, n = 10, t = 0,34, p = 0,38), eller fjärran (Figur 4; t-test, n = 10, t = 1,76, p = 0,08) under den första minuten. Under sista minuten tog de oinfekterade 77 procent av sina byten nära medan de infekterade tog 82 procent av sina byten nära. Det var inte någon signifikant statistisk skillnad i antal byten de oinfekterade och infekterade fiskarna tog nära (Figur 5; t-test, n = 10, t = 1,23, p = 0,14), eller fjärran (Figur 5; t- test, n = 10, t = 0,64, p = 0,28) under sista minuten. Figur 4. Antal byten/fisk ± standard error nära och fjärran för oinfekterade (mörkgrå) och infekterade (ljusgrå) fiskar under den första minuten.
Figur 5. Antal byten/fisk ± standard error nära och fjärran för oinfekterade (mörkgrå) och infekterade (ljusgrå) fiskar under den sista minuten. Diskussion Detta är, så vitt jag vet, den första studien som visar effekterna av gälinfektion på juvenila öringars födointag. Studien visade att de öringar som inte var infekterade av flodpärlmusslans larver hade en fördel i sin drift-feeding jämfört med de infekterade öringarna, eftersom de oinfekterade öringarna fångade fler byten både under den första och den sista minuten av experimentet. Baserat på resultaten antas hypotesen att oinfekterade öringar tar fler byten än infekterade öringar vara sann, vilket visar att infektion av flodpärlmusslans larver påverkar öringens drift-feeding negativt. Den lägre bytesfångsten hos infekterade öringar skulle kunna härledas till faktorer som beror på parasitinfektionen, till exempel minskad energi hos fisken på grund av ökade energikostnader för immunförsvaret (Dodd m.fl., 2005) och/eller en ökad ventilationshastighet (Kaiser, 2005; Crane m.fl., 2011). Möjligheten att ta potentiella byten skulle även kunna vara mindre för infekterade fiskar som en följd av att parasitinfektion leder till minskad aktivitet (Crane m.fl, 2011). De infekterade öringarna får troligtvis genom sin lägre furageringshastighet mindre energi än de oinfekterade och därav borde de infekterade få en sämre tillväxt. Eftersom tillväxthastigheten under den juvenila perioden i öringens livscykel ofta bestämmer överlevnaden hos fisken (Elliot, 1994) är det möjligt att parasitinfektionen kan leda till ökad risk för dödlighet hos juvenila öringar. Det verkar som att fiskarnas energistatus påverkas av larvinfektionen, men andra effekter som fysiska försämringar och påverkan på beteende som påverkar bytesupptäckten eller förmågan att fånga byten kan inte bortses ifrån (Maksimowich & Mathis, 2000; Finley & Forrester, 2003). Studien visar i vilket fall att juvenila öringar med infektion av flodpärlmusslans larver har lägre maxhastighet på sitt födointag, vilket kan resultera i reducerat energiförvärv och reducerad tillväxt. Det skulle även kunna tänkas att de infekterade öringarna tar färre byten än de oinfekterade för att spara på den energi de redan har, eftersom de har en högre energiåtgång på grund av
parasitinfektionen (Hart, 1988). En annan förklaringsmodell till att infekterade fiskar visade sämre resultat i sin drift-feeding skulle kunna vara att de infekterade öringarna var svagare individer och hade sämre hälsa från början, vilket parasitinfektionen är en indikation på, eftersom de var mottagliga för infektion och parasiterna lyckades övervinna värdens immunförsvar (Sadava m.fl. 2008). Nettoenergi-upptaget hos juvenila öringar anses vara en trade-off mellan kostnaderna för att simma och fånga byten och fördelarna av att fånga fler byten i vatten med högre hastighet (Fausch, 1984; Hughes & Dill, 1990). Denna trade-off har visats påverkas av fiskens bytesfångstförmåga som i sin tur påverkas av fysiska faktorer som till exempel vattenhastighet (Hill & Grossman, 1993; Piccolo m.fl., 2008), vattendjup (Piccolo m.fl., 2007) och temperatur (Watz & Piccolo, 2010). De oinfekterade fiskarna i den här studien, med sin begränsade provstorlek, visade en icke-signifikant tendens (p = 0,08) mot att ta en större andel byten fjärran jämfört med de infekterade. Eftersom det påvisats att öringen tar färre byten vid högre vattenhastigheter (Piccolo m.fl. 2008) kan det tänkas att en individ med parasiter som på grund av sin infektion har svårare att ta byten, tar ännu färre byten vid högre vattenhastigheter och då även får svårare att överleva. Samtidigt bör inte mussellarverna påverka sina värdar så mycket negativt att de dör eftersom det skulle leda till att även larverna dör om de inte hunnit utvecklas tillräckligt för att leva frilevande (Smith Trail, 1980). Värd-parasit interaktioner och co-evolution är komplext och involverar flera temporala och spatiala skalor, och ofta en tredje mellanliggande värd. I fallet med flodpärlmusslans parasitism på öring infekteras både juvenila och äldre fiskar, men hos de äldre fiskarna släpper larverna efter ett par månader (Bauer, 1987; Hastie & Young, 2001). Detta kan bero på att fiskarna utvecklar ett immunförsvar mot parasitinfektion av flodpärlmusslans larver med stigande ålder (Bauer, 1994). Juvenila öringar har troligtvis ännu inte ett utvecklat immunförsvar mot parasiterna (Österling, 2005). Därför är de juvenila öringar som användes i denna studie den åldersklass som är mest trolig att drabbas av infektion och därav negativt påverkas av en parasitinfektion. Resultaten demonstrerar några möjliga effekter av musselinfektion på individnivå på öring. Utifrån en evolutionär ståndpunkt skulle dessa effekter kunna anses viktiga eftersom vissa öringpopulationer, eller släkten inom dessa populationer, verkar ha evolverat en viss resistans mot musselinfektion. Utifrån parasitens perspektiv, bör deras effekter dock inte bli så stora att dödligheten hos öringen ökar till en grad där populationen minskar. Fortsatta studier skulle kunna vara att undersöka hur oinfekterade och infekterade öringars driftfeeding påverkas när de födosöker i grupp, eller att undersöka deras drift-feeding i en naturlig miljö i en ström i naturen. På så sätt kan vi få mer kunskap om interaktioner mellan flodpärlmusslans larver och öringens drift-feeding i deras naturliga miljö. Referenser Bauer, G. (1987). Reproductive strategy of the freshwater pearl mussel Margaritifera margaritifera. Journal of Animal Ecology. Vol 56, 691-704. Bauer, G. (1994). The adaptive value of offspring size aming freshwater pearl mussels (Bivalvia: Unionoidea). Journal of Animal Ecology. Vol. 63. 933-944. Begon, M. Townsend, C.R. & Harper, J.L. (2006). Parasitism and disease. Ecology, from individuals to ecosystems. 4 th edn. (Blackwell Publishing Ltd.) 347-380.
Crane, A.L., Fritts, A.K., Mathis, A., Lisek, J.C. & Barnhart, M.C. Do gill parasites influence the foraging and antipredator behavior of rainbow darters, Etheostoma caeruleum? Animal behavior. Vol. 82. 817-823. Dill, M.L. & Hughes, F.N. (1990). Position choice by drift-feeding salmonids: model and test for arctic grayling (Thymallus arcticus) in Subarctic Mountain Streams, Interior Alaska. Can. J. Fish. Aquat. Sci.Vol 47, 2039-2048 Dodd, B.J., Barnhart, M.C., Rogers-Lowery, C.L., Fobian, T.B., & Dimock Jr, R.V. (2005). Cross-resistance of largemouth bass to glochidia of unionid mussels. Journal of parasitology. Vol. 95. 1064-1072. Elliot, J.M. (1994). Quantitative ecology and the brown trout. 1-288. Oxford. (Oxford University press). Fausch, K.D. & White, R.J. (1981). Competition between brook trout (Salvelinus fontinalis) and brown trout (Salmo trutta) for positions in a Michigan stream. Can. J. Fish. Aquat. Sci. Vol 38, 1220-1227. Fausch, K.D. (1984). Profitable stream positions for salmonids: relating specific growth rate to net energy gain. Can. J. Wool. Vol 62. 441-451. Finley, R.J. & Forrester, G.E. (2003). Impact of ectoparasites on the demography of a small reef fish. Marine Ecology Progress series. Vol. 248. 305-309. Hart, B.L. (1988). Biological basis of the behavior of sick animals. Neuroscience and Biobehavioral reviews. Vol. 12. 123-137. Hastie, L.C. & Young, M.R. (2001). Freshwater pearl mussel (Margaritifera margaritifera) glochidiosis in wild and farmed salmonid stocks in Scotland. Hydrobiologica. Vol 445, 109-119. Hruska, J. (1992). The freshwater pearl mussel in South Bohemia: Evaluation of the effect of temperature on reproduction, growth and age structure of the population. Arch. Hydrobiol. Vol. 126. 181-191. Hill J. & Grossman G.D. (1993). An energetic model for rainbow trout and rosyside dace. Ecology. 685-698. Hruska, J. (1992). The freshwater pearl mussel in South Bohemia: Evaluation of the effect of temperature on reproduction, growth and age structure of the population. Arch. Hydrobiol. Vol 126, 181-191. Hughes F.N. (1992). Ranking on feeding positions by drift-feeding grayling (Thymallus arcticus) in dominance hierachies. Can. J. Fish. Aquat. Sci. Vol. 49. 1994-1998. Howert, E.W. & Keller, A.E. (2006). Experimentally induced glochidiosis in smallmouth bass (Micropterus dolomieu). Veterinary Pathology. Vol. 43. 1004-1007. Kaiser, B.E. (2005). The effects of glochidiosis on fish respiration. M.S. thesis. (Missouri state university.).
Maksimovich, D.S. & Mathis, A. (2000). Parasitized salamanders are inferior competitors for territories and food resources. Ethology. Vol. 106. 319-329. Piccolo, J.J. Hughes, F.N. & Bryant, D.M. (2007). The effects of water depth on prey detection and capture by juvenile coho salmon and steelhead. Ecology of freshwater fish. Vol. 16. 432-441. Piccolo, J.J., Hughes, F.N. & Bryant, D.M. (2008). Development of net energy intake models for drift-feeding juvenile coho salmon and steelhead. Environ. Biol. Fish. Vol. 83. 259-267. Piccolo, J.J., Hughes, F.N. & Bryant, D.M. (2008). Water velocity influences prey detection and capture by drift-feeding juvenile coho salmon (Oncorhynchus kisutch) and steelhead (Oncorhynchus mykiss irideus). Can. J. Fish. Aquat. Sci. Vol. 65. 266-275. Piccolo, J.J. & Watz, J. (2010). The role of temperature in the prey capture probability of driftfeeding juvenile brown trout (Salmo trutta). Ecology of Freshwater Fish, 1-7. Sadava, D., Heller, C., Orians, G., Purves, B. & Hillis, D. (2008). Animal origins and the evolution of body plans. Life the Science of Biology. (Sinauer Associates Inc.). 679-681. Smith Trail, D.R. (1980). Behavioural interactions between parasites and hosts: host suicide and the evolution of complex life cycles. American naturalist. Vol. 116. 77-91. Österling, M. (2005). Begränsande faktorer för utbredning och överlevnad av flodpärlmusslan (Margaritifera margaritifera L.). 10. Karlstad. (Karlstads universitet).