秦嶺細鱗鮭代謝及低氧耐受能力對溫度馴化的響應

夏繼剛 陳 梅 肖 靜 付世建

(重慶師范大學進化生理與行為學實驗室, 重慶市動物生物學重點實驗室, 重慶 401331)

秦嶺細鱗鮭代謝及低氧耐受能力對溫度馴化的響應

夏繼剛 陳 梅 肖 靜 付世建

(重慶師范大學進化生理與行為學實驗室, 重慶市動物生物學重點實驗室, 重慶 401331)

為考察秦嶺細鱗鮭(Brachymystax lenok tsinlingensis)代謝及低氧耐受能力對溫度馴化的響應, 將實驗魚于6℃、12℃和18℃下馴化4周后, 采用密閉式呼吸代謝測定儀對其靜止代謝率(Resting metabolic rate, RMR)和臨界氧壓(Critical oxygen press, Pcrit)等參數進行測定。結果發現, RMR隨馴化溫度升高而升高, 在6—12℃、12—18℃溫度內, RMR的Q10值分別為2.59和2.77, 表明該物種對溫度的敏感性較高; Pcrit值隨馴化溫度升高而升高且與RMR顯著正相關, 在馴化溫度范圍內(6—18℃), Pcrit提升了76.2%。研究結果提示: 秦嶺細鱗鮭應對低氧環境的生理可塑性較差, 在高溫下RMR增加可能是導致其低氧耐受能力降低的內在機制之一。

秦嶺細鱗鮭; 溫度馴化; 靜止代謝率; 低氧耐受; 溫度系數

溫度對動物生理功能和生態學過程的影響是動物生理生態學領域的核心問題[1,2]。在全球氣候變化、局域極端氣候頻繁發生的背景下, 物種的適合度與進化進程受到影響, 那些生境特殊、處于臨界分布狀態的物種對溫度的響應備受科學界關注[3—5]。

秦嶺細鱗鮭(Brachymystax lenok tsinlingensis),俗稱“梅花魚”, 是目前世界上分布最南端的幾種鮭科魚類之一[6,7], 為第四紀冰川時期自北方南移的殘留物種, 是典型的陸封型冷水性山麓魚類, 其地域分布范圍狹窄、生境特殊、主要分布于秦嶺山系海拔1200—2300 m的山澗溪流及深水潭中[8]。調查研究發現, 秦嶺細鱗鮭對生境水溫有嚴格要求,易受全球氣候變化和人為活動的影響, 近20年來,其種群數量減少, 且生存海拔已經提升了200—300 m[9,10]。鑒于該物種的特殊性及其生境的易損性, 我國政府已將其作為國家Ⅱ級重點保護水生野生動物, 列入《中國瀕危動物紅皮書》, 并于2009年成立了秦嶺細鱗鮭國家級自然保護區。然而, 對秦嶺細鱗鮭的研究工作相對滯后, 相關研究也僅限于形態、發育、基因組學等方面[7,10,11]。特別地,盡管水溫是決定該物種生存與分布的關鍵因子, 其熱生理學方面的研究卻鮮見報道。

一般來說, 溫度升高會導致魚類的靜止代謝率(Resting metabolic rate, RMR)提高, 致使魚體對溶解氧的需求加大; 然而水體的溶氧水平卻隨著溫度的升高而降低, 導致魚類攝氧難度加大, 對魚類的低氧耐受(Hypoxia tolerance)能力提出了嚴峻挑戰[12—14]。那么, 溫度變化將對魚類的低氧耐受能力造成何種影響呢?對此, 目前科學界尚無普適性的結論[15,16]。本文探究了秦嶺細鱗鮭幼魚代謝及低氧耐受能力對溫度馴化的響應, 旨在為該物種的保護生理學研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

經批準, 實驗用秦嶺細鱗鮭幼魚采自太白湑水河珍稀水生生物國家級自然保護區(33°744′N, 107° 460′E), 被帶回實驗室后, 于360 L自凈化循環控溫系統馴養適應3周。馴養條件如下: 實驗用水為充分曝氣脫氯并經過活性炭過濾的自來水, 水溫(13.5±0.5)℃ (與采樣點的溫度接近), 溶解氧＞9 mg/L, 氨氮濃度＜0.01 mg/L; 每天早晨投喂黃粉蟲(Tenebrio molitor)幼蟲至飽足。

1.2 代謝水平及耐低氧能力測定

在溫度馴化結束后, 將實驗魚禁食48h, 采用密閉式呼吸代謝測定儀[17]對其代謝水平及耐低氧能力進行測定?？紤]到不同溫度馴化下實驗魚代謝水平的差異, 為了能在相近的時間內完成測定(避免暴露時間不同對實驗魚可能帶來的影響), 根據預實驗的研究結果, 本實驗對各溫度馴化組(6℃、12℃和18℃)的測定分別采用體積為360、600和900 mL的呼吸室。呼吸室外以黑色遮光材料貼附,避免外界干擾。實驗時, 將實驗魚輕移至呼吸室中,并使其在呼吸室中適應12h以消除轉移脅迫, 用紗網封閉端口, 防止實驗魚游出但同時又能實現呼吸室內外水體交換; 測定時, 將呼吸室端口加蓋密封并使用溶氧儀(HQ30, Hach Company, Loveland, CO, USA)連續監測呼吸室內溶氧水平的變化, 每2min記錄一次溶氧值, 直至水體溶氧值不再下降為止。適應期間和測定過程中, 呼吸室內的溫度均與測試魚前期的馴化溫度相同。各溫度馴化處理組的測試樣本量為n=8。

MO2實驗魚呼吸耗氧率(Oxygen consumption rate, )的計算公式如下:

MO2=(DOkˉDOk+1)V/(t×m0.75)

式中, DOk和DOk+1分別為測定時間點k及k+1時刻呼吸室內的溶氧水平(mg/L); V (L)為呼吸室體積與實驗魚體積的差值; t (h)為時間點k與k+1的時間間隔; m (kg)為實驗魚的體重。為消除體重對代謝率測定的影響, 將實驗魚體重標準化為1 kg, 0.75為體重校正指數[18,19]。

臨界氧壓(Critical oxygen press, Pcrit)為魚類能夠維持基本生理功能的最低環境氧壓, 該指標通常被用來評價魚類的低氧耐受能力。根據呼吸室內水體DO與實驗魚的關系, 采用“雙線法(Twosegmented straight lines)”求出[mg O2/(kg·h)]變化的Pcrit(mg/L)[20]。將Pcrit值出現以前, 所測得MO2的平均值作為實驗魚的RMR。

1.3 數據處理

應用軟件SPSS for Windows 16.0 (SPSS Inc., USA)對數據進行統計分析。首先對實驗數據進行正態性和方差齊性檢驗。采用單因素方差分析(ANOVA)和Tukey's HSD法檢驗差異顯著性, 用“雙線法”分析求出Pcrit, 用線性回歸分析檢測Pcrit與RMR的關系。各組數據均以平均值±標準誤表示,顯著性水平設在P＜0.05。

4)為了減少對一般敏感負荷和敏感負荷的影響，希望將短時停電控制為瞬間中斷的停電事件，所以重合閘時間不應超過3 s，建議整定為2.5 s較為合適。

2 結果

2.1 對馴化溫度和環境溶氧的響應

2

在6℃、12℃和18℃馴化下秦嶺細鱗鮭幼魚

對環境溶氧的響應模式見圖 1。從圖中可以看出秦嶺細鱗鮭幼魚為“氧調節型”魚類, 其代謝水平在一定的溶氧范圍內維持相對穩定的水平, 直到環境溶氧濃度下降到某一臨界值(圖中雙線的交叉點)時, 代謝水平才隨著環境溶氧的下降而下降。

圖 1 不同溫度馴化下秦嶺細鱗鮭幼魚代謝水平對環境溶氧的響應Fig. 1 The oxygen consumption rateof juvenile Brachymystax lenok tsinlingensis under different acclimation temperatures and dissolved oxygen levels

溫度馴化對實驗魚RMR影響顯著(F=43.2, P＜0.001)。RMR隨馴化溫度的增加而升高(圖 2)。與6℃馴化組相比, 18℃馴化導致實驗魚的RMR提升了226.6%。

圖 2 溫度馴化對秦嶺細鱗鮭幼魚靜止代謝率(RMR)的影響Fig. 2 Effects of temperature acclimation on the resting metabolic rate (RMR) in juvenile Brachymystax lenok tsinlingensis上標字母不同表示數值間差異顯著(P＜0.05); 數值以平均值±標準誤表示(n=8); 下同Values with different superscript letters denote statistically significant differences (P＜0.05) among groups; Values are presented as mean±SEM (n=8); the same applies below

2.2 Pcrit對馴化溫度的響應及其與RMR的關系

溫度馴化對實驗魚Pcrit影響顯著(F=10.0, P= 0.001)。Pcrit隨馴化溫度的增加而升高(圖 3)。與6℃馴化組相比, 18℃馴化導致實驗魚的Pcrit提升了76.2%。線性回歸分析檢測結果表明, 在各馴化溫度下, Pcrit與RMR均顯著正相關(P＜0.05) (圖 4)。

圖 3 溫度馴化對秦嶺細鱗鮭幼魚臨界氧壓(Pcrit)的影響Fig. 3 Effects of temperature acclimation on the critical oxygen press (Pcrit) in juvenile Brachymystax lenok tsinlingensis

圖 4 秦嶺細鱗鮭幼魚臨界氧壓(Pcrit)與靜止代謝率(RMR)的關系Fig. 4 The relationships between critical oxygen press (Pcrit) and resting metabolic rate (RMR) in juvenile Brachymystax lenok tsinlingensis

2.3 溫度系數Q10

馴化溫度從6℃增加到12℃, RMR和Pcrit的Q10值分別為2.59和1.68; 馴化溫度從12℃增加到18℃, RMR和Pcrit的Q10值分別為2.77和1.53(表 1)。

表 1 秦嶺細鱗鮭幼魚臨界氧壓(Pcrit)與靜止代謝率(RMR)的Q10值Tab. 1 The Q10of critical oxygen press (Pcrit) and resting metabolic rate (RMR) in juvenile Brachymystax lenok tsinlingensis

3 討論

全球升溫給鮭科魚類的生存帶來了巨大挑戰[12,21,22]。秦嶺細鱗鮭作為世界上分布最南端的鮭科魚類之一, 故而可能更易受到溫度變化的影響。本研究結果表明, 溫度馴化對秦嶺細鱗鮭幼魚代謝水平及其低氧耐受能力均影響顯著。

溫度通過影響魚體內多種代謝酶的活性進而影響其代謝水平[23]。RMR是魚體在空腹、靜止狀態下的代謝水平, 反映了機體運行基本生理功能的維持能量消耗。魚類RMR隨溫度升高而升高的現象已在很多研究中被證實[22,24]; 然而, 由于各個物種溫度敏感性的不同, 其RMR對溫度響應的程度往往存在差異性。例如, 鯽(Carassius carassius)、鳊(Parabramis pekinensis)等廣溫性鯉科魚類RMR的Q10值往往較小(一般小于2)[16,25], 而冷水性鮭科魚類RMR的Q10值往往較大(一般大于2)[22,24]。本研究發現, 在6—12℃、12—18℃溫度范圍內, 秦嶺細鱗鮭幼魚RMR的Q10值分別為2.59和2.77(表 1), 表明該物種對溫度的敏感性較高, 研究結果分別與Eliason等[24]對紅大馬哈魚(Oncorhynchus nerka)、Remen等[26]對大西洋鮭(Salmo salar)以及Kelly等[22]對湖紅點鮭(Salvelinus namaycush)的研究結果相近。

Pcrit值反映了魚類在環境溶氧水平下降時獲取氧氣維持其基本生理功能的能力, Pcrit值越低的魚類低氧耐受能力越強[27]。那么, 魚類低氧耐受能力對溫度的響應模式如何呢?研究發現, 虹鱒(Salmogairdneri)的Pcrit值隨溫度升高而升高[15], 鯽的Pcrit值不受溫度影響[16], 鳊的Pcrit值隨溫度升高而降低[25]。事實上, 由于不同種類應對低氧環境策略及其可塑性的不同[28], 魚類低氧耐受能力對溫度的響應模式往往呈現出差異性。一般認為, 由于溫度增加會引起魚體代謝水平升高, 導致機體的需氧量增加, 進而導致機體的低氧耐受能力降低[14]; 然而, 在一定程度的升溫范圍內, 某些魚類也可能通過一系列的生理生化調節途徑來改善生理機能(例如, 血液循環加快、血紅蛋白氧親和力提高、代謝酶活性改變、鰓呼吸面積增大、心跳和呼吸頻率增加等),提高機體的攝氧能力[27,29], 故而使機體有可能維持甚至增加其低氧耐受能力。本研究發現, 在高溫馴化下秦嶺細鱗鮭幼魚的低氧耐受能力顯著降低(Pcrit值顯著升高), 在馴化溫度范圍內(6—18℃), 實驗魚的Pcrit提升了76.2%; 此外, 通過對RMR和Pcrit的回歸分析, 發現各個溫度馴化處理下的實驗魚Pcrit與RMR均顯著正相關(圖 4)?；谝陨戏治? 我們推測: 秦嶺細鱗鮭幼魚應對低氧環境的生理可塑性較差, 高溫下RMR增加是導致該物種低氧耐受能力降低的內在機制之一。

致謝:

感謝陜西師范大學生命科學學院梁剛副教授在野外采樣過程中給予的大力支持和幫助!

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THE METABOLISM AND HYPOXIA TOLERANCE OF BRACHYMYSTAX LENOK TSINLINGENSIS IN RELATION TO TEMPERATURE ACCLIMATION

XIA Ji-Gang, CHEN Mei, XIAO Jing and FU Shi-Jian
(Laboratory of Evolutionary Physiology and Behavior, Chongqing Key Laboratory of Animal Biology, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China)

Brachymystax lenok tsinlingensis, a second-class state-protected wild animal in the China Red Data Book of Endangered Animals, is generally regarded as one of the southernmost-distributed Salmonidae fish. Although temperature is critical for the survival and distribution of this species, information on its thermal physiology is extremely limited. In order to investigate the metabolism and hypoxia tolerance of B. lenok tsinlingensis in relation to temperature acclimation, fish were acclimated to the experimental temperature (6℃, 12℃, and 18℃) for 4 weeks, and sealed respirometers were used to determine the physiological parameters [e.g., resting metabolic rate (RMR) and critical oxygen press (Pcrit)]. Our results showed that the RMR increased with an increase in the acclimation temperature. The Q10of RMR at 6—12℃ and 12—18℃ were 2.59 and 2.77, respectively, suggesting that B. lenok tsinlingensis was of high sensitivity to temperature changes. The Pcritincreased with an increase in the acclimation temperature, and the values of Pcritincreased by 76.2% over the acclimation temperature range (6—18℃). Furthermore, significantly positive correlations were found between the Pcritand the RMR. Our findings indicate that B. lenok tsinlingensis evolves poor physiological plasticity in response to hypoxic environment, and that increasing RMR at high temperatures may have contributed to the decreased hypoxia tolerance in B. lenok tsinlingensis.

Brachymystax lenok tsinlingensis; Temperature acclimation; Resting metabolic rate (RMR); Hypoxia tolerance; Temperature coefficient (Q10)

Q175

A

1000-3207(2017)01-0201-05

10.7541/2017.25

2016-01-12;

2016-06-17

國家自然科學基金(31300340); 重慶師范大學青年拔尖人才培育計劃(14CSBJ08)資助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China (31300340); Youth Top-notch Talent Cultivation Program of Chongqing Normal University (14CSB J08)]

夏繼剛(1980—), 男, 河南固始人; 博士, 副教授, 碩士生導師; 主要從事魚類環境生理與保護生態學研究。E-mail: jigang xia@163.com

付世建, E-mail: shijianfu9@hotmail.com