饑餓對鯉幼魚內臟器官指數和力竭運動后代謝特征的影響

李秀明 付世建 張耀光

(1.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;2.西南大學淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室, 重慶 400715)

由于食物資源分布的時空異質性, 野生動物經常面臨食物匱乏甚至饑餓的脅迫。作為水生態系統的重要組成部分, 魚類通常表現出對長期饑餓環境的顯著適應能力[1]。一些魚類能夠忍受連續數月甚至一年的饑餓狀態[1—3]。長期的食物缺乏會導致魚類組織器官形態結構、生理功能及行為模式產生適應性變化。大量研究發現, 饑餓通常會導致魚類體重顯著下降, 同時其消化器官結構會出現萎縮,導致其消化功能的下調[1,3,4]。但是由于魚類生活習性的差異, 饑餓對魚體各個組織器官的影響也不盡相同[1,5,6]。

魚類在逃避捕食者和穿越激流等生命活動的過程中經常會達到力竭狀態, 通常將力竭運動后恢復期間超過運動前耗氧水平的耗氧量稱為力竭運動后過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption, EPOC)[7,8]。EPOC的相關參數包括力竭運動代謝峰值、峰值時間、代謝率增量和過量耗氧等[9—11]。力竭運動代謝峰值(Peak post-exercise metabolic rate)可以作為魚類最大有氧代謝能力的評價指標,而代謝率增量(Increment of metabolic rate)代表著魚類最大的有氧代謝空間, 過量耗氧(EPOC magnitude)則能夠反映魚類的無氧代謝能力[12—14]。由于EPOC參數與魚類的運動能力密切相關, 對其生存具有重要的生態學意義, 因此一直受到研究者的廣泛關注[7,8,15,16]。魚類EPOC特征不僅與其生活習性相關, 還受到流速、溫度和營養狀態等因素的顯著影響[10,13,15—17]。目前有關饑餓影響魚類力竭運動后代謝特征的研究資料還相對較少[9,18]。

鯉(Cyprinus carpio)屬于鯉形目, 鯉科, 是我國重要的淡水經濟魚類之一。有關饑餓對商品規格鯉消化道器官指數的影響已有報道[19], 有關鯉幼魚在饑餓過程中魚體內臟器官指數和EPOC特征變化尚未有研究涉及。以鯉幼魚為實驗對象, 研究不同饑餓時間對其魚體內臟器官指數和EPOC特征的影響, 以期豐富其饑餓生理學資料, 并為其生產實踐提供必要的基礎數據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

鯉幼魚購于重慶市北碚區歇馬魚種場。在室內循環水系統(2000 L)中馴養4周。馴養期間用顆粒飼料(四川通威集團, 成都)于每天09:00和17:00各飽足喂養1次, 飼料主要組成為(41.2±0.9)%粗蛋白質、(8.5±0.5)%粗脂肪、(25.7±1.2)%碳水化合物和(12.3±0.4)%灰分。養殖用水每天更換10%左右, 水溫和溶氧分別控制在(25±0.5)℃和接近飽和(8 mg/L左右), 光周期制度設置為12L∶12D。

1.2 實驗方案

在馴養期結束后, 挑選大小均勻且健康的鯉幼魚35尾[體重(21.34±0.42) g, 體長(9.39±0.08) cm],隨機平均分成5組, 即: 對照組(S0)、1周饑餓組(S1)、2周饑餓組(S2)、4周饑餓組(S4)和8周饑餓組(S8) (每組7尾實驗魚), 每尾實驗魚分別放置于單獨的單元格內饑餓處理0、1、2、4和8周。在饑餓處理期間, 各處理組所有實驗魚均存活。實驗期間水體溫度、溶氧和光照周期等條件與馴養期間一致。

在相應的饑餓處理結束后, 將實驗魚單獨放入魚類流水式呼吸代謝儀的呼吸室(0.2 L)內馴化1d。用溶氧測定儀(HQ30d, Hach Company, Loveland, CO, USA)測定其耗氧率作為其運動前代謝率(測定方法見后)。隨后參考相關文獻[14]測定實驗魚的EPOC反應, 方法簡述如下: 首先將實驗魚單獨放入一個環形水道(體積約120 L, 流速約65 cm/s)中用手進行追趕2—3min, 當魚體失去平衡或者觸碰魚體時不再有明顯地應激反應時判定其達到力竭狀態, 隨后立即將實驗魚放回流水式呼吸代謝儀的呼吸室中并計時, 在達到力竭狀態后的前10min內每分鐘分別測定一次耗氧率, 在10—60min內每5min分別測定一次耗氧率, 最后測定計算各處理組鯉幼魚內臟指數。所有指標測定樣本數均為7尾。

1.3 指標測量與參數計算

采用耗氧率作為實驗魚代謝率指標, 參考相關文獻[20]用自主研制的魚類呼吸代謝儀測定完成。實驗魚代謝率[mg O2/(kg.h)]計算公式如下:

式中,Rm(mg O2/h)表示實驗魚的代謝率, ΔO2(mg O2/L)表示裝有實驗魚呼吸室和對照呼吸室(沒有實驗魚)之間的溶氧差值。f(L/h)表示呼吸室中的水流速度。為了消除各組實驗魚體質量差異較大造成的影響, 用0.75作為體質量系數將實驗魚代謝率標準化為1 kg體質量[14,20]。校正后代謝率計算公式如下:

式中,Rs[mg O2/(kg.h)]表示標準體重代謝率,w表示實驗魚體重(kg)。

力竭運動前后實驗魚代謝率計算參數包括:(1)運動前代謝率[mg O2/(kg·h)]: 實驗魚力竭運動前的代謝率; (2)運動代謝峰值[mg O2/(kg·h)]: 實驗魚在力竭運動后恢復過程中觀察到的最大代謝率;(3)峰值時間(min): 運動代謝峰值出現的時間; (4)代謝率增量[mg O2/(kg·h)]: 力竭運動前代謝率和力竭運動后代謝峰值之間的差值; (5)峰值比率: 力竭運動前代謝率和力竭運動后代謝峰值之間的比值;(6)過量氧耗(mg O2/kg): 實驗魚在力竭運動后恢復過程中各個時間點高于運動前代謝率的差值在時間上的積分。其具體計算方法參見相關參考文獻[13, 14]。

鯉幼魚內臟器官指數的計算, 將EPOC測定結束后的單尾實驗魚放入麻醉劑(MS-222, 200 mg/L)溶液中麻醉致死。稱魚體質量后解剖分別將其心臟、鰓、內臟團、肝臟和消化道分別完整取出, 用微量天平稱量(精確至0.0001 g)。各個內臟器官指數計算公式如下[21]:

式中,CM(Carcass mass)表示魚體空殼濕重(g),BM(Body mass)表示魚體濕重(g),HM(Heart mass)表示心臟濕重(g),GM(Gill mass)表示鰓濕重(g),VM(Visceral mass)表示內臟團濕重(g),LM(Liver mass)表示肝臟濕重(g),DM(Digestive tract mass)表示消化道濕重(g)。CI(Carcass index)表示空殼指數(%),VI(Viscus index)表示內臟團指數(%),LI(Liver index)表示肝臟指數(%),DI(Digestive tract index)表示消化道指數(%),HI(Heart index)表示心臟指數(‰),GI(Gill index)表示鰓指數(‰)。

1.4 數據處理和統計分析

實驗數據采用EXCELL(2007)進行常規計算,用平均值±標準誤(Mean±SE)表達, 采用SPSS17.0軟件進行統計分析。饑餓對所有參數的影響采用單因素方差分析, 若差異顯著則進行多重比較(LSD法), 顯著性水平為P＜0.05。

2 結果

2.1 內臟器官指數

從表1可知, S2、S4和S8饑餓組的幼魚BM顯著小于S0組和S1饑餓組(P=0.020), 實驗魚的BL在各個實驗組之間差異不顯著(P＞0.05)。S4和S8饑餓組的幼魚CM顯著小于S0組(P=0.039), S2、S4和S8饑餓組的幼魚CI顯著大于S0組和S1饑餓組(P＜0.001)。S1饑餓組的幼魚VM顯著小于對照組, 但卻顯著大于S2、S4和S8饑餓組, S2、S4和S8饑餓組的幼魚VI顯著小于S0組和S1饑餓組(P＜0.001)。S2饑餓組的幼魚LM顯著小于S0組和S1饑餓組, 但卻顯著大于S4和S8饑餓組, S2、S4和S8饑餓組的幼魚LI顯著小于S0組和S1饑餓組(P＜0.001)。S1饑餓組的幼魚DM和DI顯著小于S0組, 但卻顯著大于S2、S4和S8饑餓組 (P＜0.001)。S2、S4和S8饑餓組的幼魚HM顯著小于S0組(P=0.006), 但HI在所有實驗組之間差異不顯著(P＞0.05)。S8饑餓組的幼魚GM顯著小于S0組和S1饑餓組(P=0.038), 但GI在所有實驗組之間差異不顯著(P＞0.05)。

2.2 力竭運動前代謝率

從表2可知, S1饑餓組的幼魚運動前代謝率顯著低于S0組, 但顯著高于S2、S4和S8饑餓組(P＜0.001); S2饑餓組的幼魚運動前代謝率顯著低于S0組和S1饑餓組, 但顯著高于S4和S8饑餓組(P＜0.001); S4和S8饑餓組的幼魚運動前代謝率差異不顯著(P＞0.05), 但顯著低于S0組、S1和S2饑餓組(P＜0.001)。

2.3 力竭運動后代謝率特征

從圖1可知, 所有組幼魚力竭運動后的代謝率都表現為迅速上升, 達到峰值后急劇下降并逐漸恢復到力竭運動前的代謝水平。從表2可知, S1饑餓組的幼魚運動代謝峰值和代謝率增量與S2饑餓組差異不顯著(P＞0.05), 但顯著高于S0組、S4和S8饑餓組(P＜0.001,P=0.003)。峰值時間在S0組和各個饑餓處理組之間差異不顯著(P＞0.05)。各個饑餓處理組的峰值比率都顯著高于S0組(P=0.002)。S1饑餓組的過量耗氧與S0組和S2饑餓組之間差異不顯著(P＞0.05), 但顯著高于S4和S8饑餓組(P=0.043)。

表1 不同饑餓時間對鯉幼魚內臟器官指數的影響(n=7, 平均值±標準誤)Tab.1 The effect of starvation on the index of visceral organs in juvenile Cyprinus carpio (n=7, Mean±SE)

3 討論

3.1 饑餓對鯉幼魚內臟器官指數的影響

本研究發現, 饑餓導致鯉幼魚體重和各個器官絕對重量的顯著下降。這與南方鲇(Silurus meridionalis)[3]、白鱘(Acipenser transmontanus)[5]、紅鯽(Carassius auratus)[22]和尼羅羅非魚 (Oreochromis niloticus)[23]等魚類的研究結果相似。本研究表明,鯉幼魚空殼指數隨著饑餓時間的延長顯著增加, 而內臟團指數卻顯著下降。這表明饑餓過程中鯉幼魚內臟組織器官重量的減少要快于骨骼和肌肉重量的降低。這種現象在白鱘[5]和虹鱒(Oncorhynchus mykiss)[24]中也被發現。作為內臟器官的重要組成部分, 魚類消化系統相關組織器官往往最先對饑餓脅迫做出響應[4]。處于饑餓狀態的魚類消化道重量大約會減少40%—60%, 最大降幅可以達到74%[3,4]。本研究發現, 鯉幼魚在8周的饑餓期間消化道濕重減少了48%, 這與大多數研究結果相似。作為伏擊捕食的大型肉食性魚類, 南方鲇饑餓8周后其消化道濕重顯著下降, 但消化道指數卻顯著增加, 研究者認為消化系統結構和功能的相對保持可能更有利于其在恢復攝食后快速消化食物促進生長[21]。本研究發現, 鯉幼魚的消化道濕重及其指數在饑餓過程中都顯著降低, 暗示其消化系統結構和功能的快速下調, 這可能與其較小的攝食量和頻繁的攝食習性相關。肝臟作為一個重要的消化器官,也往往會受到食物資源變動的影響。有關商品規格鯉[體重(316.39±15.73) g]的研究發現, 饑餓導致其肝臟指數呈現下降趨勢[19]。本研究也發現, 鯉幼魚[體重(21.34±0.42) g]肝臟指數隨著饑餓時間的延長而顯著降低, 這可能與肝臟中能源物質的消耗和肝臟細胞的萎縮有關。這與南方鲇[3]、白鱘[5]、虹鱒[25]、褐菖鲉(Sebastiscus marmoratus)[26]和鱸(Laterolibrax japonicas)[27]的研究結果相似。心臟和鰓是魚類循環和呼吸系統重要的組成部分, 其形態和功能受到各種內在和外在因素的顯著影響[28,29]。南方鲇在經過8周的饑餓處理后其心臟和鰓指數都顯著增加[21]。本研究發現, 長期饑餓處理卻并沒有對鯉幼魚心臟和鰓指數產生顯著影響, 其心臟和鰓相對大小及其功能的維持可能有利于其游泳等日?；顒拥膶崿F。這種現象在Petersen等[25]對虹鱒的研究中也被發現?？傮w而言, 在饑餓環境條件下魚類各個器官指數變化并不一致, 這可能與其種類和各個器官功能差異相關。

3.2 饑餓對鯉幼魚力竭運動前后代謝特征的影響

運動前代謝率也可稱為靜止代謝率, 作為魚類的一個基本生理參數, 它代表著魚類進行氣體交換、體液循環、蛋白質合成、離子梯度維持和滲透作用等基本生命活動的日常能量消耗[30,31]。大量研究發現, 魚類會下調各種生理功能, 降低日常的維持代謝耗能以應對饑餓環境脅迫[21,32,33]。一些魚類在面臨饑餓環境時其靜止代謝率表現出階段性下降的特征。比如南方鲇靜止代謝率在饑餓前期顯著降低, 但在饑餓15—32d期間基本維持不變[3]。鱗南乳魚(Lepidogalaxias salamandroides) 下降的靜止代謝率在饑餓20—40d期間也沒有顯著變化[34]。鲇(Silurus asotus)在饑餓1、2、4、8周后靜止代謝率分別顯著降低 26%、26%、35%和55%。在饑餓后1—4周內靜止代謝率無顯著差異, 出現一個相對穩定的“平臺期”[18], 饑餓前期日常代謝耗能的維持可能更加有利于恢復攝食后各項生理功能的快速啟動。本研究發現, 鯉幼魚在饑餓1、2、4、8周后靜止代謝率分別顯著降低12%、29%、40%和50%, 靜止代謝率相對穩定的“平臺期”出現在4—8周。饑餓前期日常代謝耗能顯著下降可能有利于快速地減少日常能量消耗, 這可能是鯉幼魚應對饑餓脅迫環境的生理策略之一。不同生活習性魚類在饑餓條件下的靜止代謝率下降模式各不相同, 這也反映出魚類克服食物匱乏逆境的各種適應性策略的差異。

表2 不同饑餓時間對鯉幼魚力竭運動后代謝參數的影響(n=7, 平均值±標準誤)Tab.2 Excess post-exercise oxygen consumption (EPOC) response in juvenile Cyprinus carpio after starvation (n=7, Mean±SE)

魚類在力竭運動后代謝峰值和代謝率增量是其有氧代謝能力的重要評價指標[13,14]。有研究發現, 一些魚類運動代謝峰值和代謝率增量在饑餓期間往往呈現逐步降低的變化趨勢, 暗示其最大有氧代謝能力的下降和有氧代謝空間的壓縮, 進而限制其游泳運動等生理功能的執行, 比如尼羅羅非魚和南方鲇[9,33]。本研究表明, 隨著饑餓時間的延長, 鯉幼魚運動代謝峰值和代謝率增量都呈現先升高后下降的變化趨勢。運動代謝峰值在饑餓1和2周后分別增加了17%和8%, 饑餓4和8周后則分別下降了14%和20%。代謝率增量在饑餓1和2周后分別增加了26%和19%, 饑餓4和8周后則分別下降了7%和11%。由此表明, 短期饑餓促進了鯉幼魚最大有氧代謝能力的改善和有氧代謝空間的擴大, 這可能有利于其覓食和運動等生理功能的進行。這與鲇的饑餓研究結果相似[18]。

圖1 不同饑餓時間對鯉幼魚力竭運動后代謝的影響(n=7, 平均值±標準誤)Fig.1 Excess post-exercise oxygen consumption (EPOC) in juvenile Cyprinus carpio after starvation (n=7, Mean±SE)

魚類無氧運動能力與其穿越激流、伏擊捕食及逃避敵害等生命活動密切相關。作為評價魚類無氧運動能力的重要指標, EPOC也受到多種生態因素的顯著影響[9—11,15]。迄今為止, 饑餓對魚類EPOC的影響并沒有得出一致的結論。尼羅羅非魚EPOC在6周饑餓期間逐步降低[9]。南方鲇EPOC在饑餓5d后出現顯著提高[10]。關于鲇的研究發現, 饑餓1、2、4周后其EPOC顯著增加了145%、122%和126%, 研究者認為這可能是一種饑餓的補償效應,其持續時間約為 3周[18]。本研究發現, 饑餓雖然沒有對鯉幼魚的EPOC產生顯著性影響, 但總體上也呈現出先增加后降低的趨勢。EPOC在饑餓1和2周后分別增加了39%和14%, 在饑餓4和8周后則分別下降了10%和30%。由此表明, 短期饑餓可能導致鯉幼魚無氧代謝能力的提升, 進而提高其無氧運動能力, 這可能是其對食物短缺環境的適應策略之一。

致謝:

感謝西南大學生命科學學院蒲德永老師和2010級本科生舒小娟同學對實驗的幫助。