碳酸鹽堿度脅迫對烏蘇里白鮭幼魚生長、抗氧化能力和生長基因表達的影響

劉雪峰，黃天晴，劉恩慧，徐革鋒，史秀蘭，董福霖，李文文，紀凱，谷偉，潘玉財，王炳謙

（1.哈爾濱師范大學生命科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025；2.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，農業農村部淡水水產生物技術與遺傳育種重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150070）

中國約有3.067×107hm2的鹽堿水域，主要分布在東北、華北、西北等地區。在這些水域中，堿度一直是影響魚類生長性能的重要因素[1]。高碳酸鹽堿度會干擾魚體滲透調節和生理穩態，僅有少部分種類的魚可以正常生存，生物多樣性顯著降低[2,3]。同時，全球氣候變暖等因素，內陸區域很多湖泊的水質鹽堿化不斷加重，可利用的淡水資源在不斷減少，這給水產養殖和漁業發展帶來了巨大的沖擊[4]。為了提高對鹽堿水的利用效率，采用“以漁改堿”的方法，嘗試在中低濃度的堿水中養殖鯉（Cyprinus carpio）、鰱（Hypophthalmichthys molitrix）等一些抗逆性較強的魚類，但僅限于在堿度小于10 mmol/L的水域[5]。為了能在中高堿度水域養殖魚類，近幾年，探究了魚體在適應堿脅迫過程中產生的生理生化反應、以及耐堿基因的表達等方面，并努力收集種質資源，積極培育耐高堿度的魚類優良品種，以充分利用堿性水域資源，提高物種多樣性[6-9]。

生長性能是魚類水產養殖過程中的關鍵性狀，其中胰島素樣生長因子-I（Insulin-like growth factor-1,IGF-1）和生長激素（Growth hormone，GH）為調控生長作用的關鍵基因[10]。IGF-1 主要在肝臟中表達，具有加速細胞生長、促進細胞分裂分化以及減緩細胞衰亡等多種作用[11]；GH 主要在腦垂體前葉中表達。其表達水平還可以影響大麻哈魚（Oncorhynchus keta）在海水中的滲透壓調節[12]。IGF-1的合成依賴于垂體GH 的分泌狀況[11]。沈立等[13,14]在堿度脅迫異育銀鯽（Carassius auratus gibelio）的過程中發現，IGF-1 和GH 表達量均升高；Shepherd等的實驗也得到相同的結論。這表明IGF-1/GH 生長因子的表達水平，會影響魚體在壓力環境中的生長性能。除此以外，王卓等[15]的研究表明，長期的堿度壓力環境還會引發過量活性氧的氧化損傷。柳飛等發現，魚體可通過超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）、過氧化氫酶（catalase,CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase,GSH）等來清除過量的活性氧。丙二醛（malondialdehyde,MDA）水平能體現脂質過氧化程度，同時也可反映魚體損傷情況[16,17]。因此，在對魚類慢性脅迫實驗中加入對IGF-1/GH 表達和抗氧化酶活性的探究，可能是探究該魚種抗逆性能較為合適的方法。

烏蘇里白鮭（Coregonus ussuriensis Berg）是一種具有較高營養價值和經濟價值的冷水性魚類，主要分布于中國黑龍江流域及俄羅斯西伯利亞、薩哈林等水域[18]。近幾十年來，由于過度捕撈、生存環境惡化以及水利水電工程建設，烏蘇里白鮭的生存空間受到持續擠壓，其資源量呈顯著下降，目前已被列入《中國瀕危動物紅皮書魚類》名錄[19]。本研究通過分析烏蘇里白鮭慢性堿脅迫的生長性能和抗氧化酶活性變化，及生長相關基因表達量的變化，以期為探究烏蘇里白鮭在中低鹽堿環境中的適應能力奠定基礎，也為烏蘇里白鮭生境的擴大、保護增產以及提高堿水域中物種多樣性等提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用烏蘇里白鮭來自黑龍江水產研究所渤海冷水性魚類試驗站。正式實驗前在循環控溫玻璃水族箱中淡水暫養兩周。水溫18 ℃，水中溶氧量8.0 mg/L，氨氮含量小于0.2 mg/L，pH 為7.5±0.2，亞硝酸鹽含量＜0.001 mg/L。選擇150 尾初始平均體質量（60.43±2.45）g，平均體長（17.19±1.50）cm的健康烏蘇里白鮭進行實驗。實驗時除了碳酸鹽堿度不同外，溫度、溶氧量和pH 等水質條件均保持不變。

1.2 方法

實驗在180 cm×60 cm×47 cm 的循環控溫水族箱中進行，水中碳酸氫鈉堿度分別為0 mmol/L（對照組）、5 mmol/L、10 mmol/L、20 mmol/L 和30 mmol/L（堿度組），每個缸分成三個平行組（每個平行n=10），每個堿度組30 尾魚，逐步升堿，最后一天各組均達到預計堿度后投喂。pH 控制在8.5 左右[2]，生長實驗42 d。每日上午9：00 和下午4：00 飽時投喂兩次，投喂量為體質量的2%～4%。撈出殘餌曬干稱重，每日記錄攝食量，根據攝入量調整日投喂量。每3 d 換水1/3，換水前后測定堿度，保持堿度不變。

每7 d 測量魚體長和體質量，精確至小數點后兩位，直至實驗結束。最后一次采樣前魚禁食24 h，每個平行組取3 尾，每個堿度組取9 尾，用MS-222（200 mg/L）麻醉、測量魚體長和體質量，解剖取腦和肝臟樣品迅速放在液氮中，-80 ℃儲存。

用下列公式計算不同碳酸鹽堿度下脅迫6 周的烏蘇里白鮭的生長性能：平均日增重（ADG）、增重率（WGR）、飼料系數（FCR），及特定生長率（SGR）。

其中，W1和W2分別為每組魚的平均初始體質量和最終體質量（g）；T 為實驗時間（d）；Wf為實驗期間的平均每尾魚的食物攝入量（g）。

酶活力測定：每組隨機取3 尾魚的肝組織用冰冷生理鹽水沖洗后稱量0.1 g，加入9 倍體積的冷生理鹽水（7.5 g/kg 氯化鈉，pH=7.0），高通量研磨儀制成勻漿。在4 ℃、3 000 r/min 下離心10 min，取上清測定抗氧化酶GSH、CAT 和SOD 活性及MDA 濃度，最終取三次重復測定值的平均值，具體步驟參照試南京建成生物科技有限公司劑盒說明書進行。

總RNA 提取、cDNA 合成、熒光定量PCR：每個堿度組取三尾魚的腦和肝臟組織各0.4 g。根據說明書使用RNA 試劑盒（美國康寧，AP-MN-MS-RNA-250）提取，再用分光光度計檢測吸光度（比率260/280 和260/230）確定RNA 的質量；用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA 完整性。按說明書將合格的RNA通過TaKaRa 公司的PrimeScript RT 試劑盒進行反轉錄，加入500 ng 的Total RNA 和2 μL 5×Prime-Script RT Master Mix 混勻后進行反轉錄：37 ℃，15 min；85 ℃，5 s；4 ℃，1 min。用Prime Premier5.0 設計引物，IGF-1、GH 引物序列如表1 所示。用β-actin作為內參，RT-qPCR 反應體系為2×S6 Universal SYBR qPCR mix 5 μL，上下游引物各0.2 μL，cDNA 1 μL，ddH2O 3.6 μL。PCR 反應條件如下：95 ℃，30 s，40 個循環（95 ℃，5 s；60 ℃，34 s），最后95 ℃，15 s；60 ℃，60 s；95 ℃，15 s。熒光定量PCR 反應結果使用2-ΔΔCT方法進行數據分析。

表1 qRT-PCR 所用的引物及序列Tab.1 Primers and sequences for quantitative RT-PCR

1.3 統計分析

圖中所有數據均表示為平均值±標準偏差（SD）。采用SPSS 19.0 軟件進行方差同質性檢驗實驗數據，然后進行單向方差分析；使用鄧肯檢驗的多重比較來確定組間顯著差異，P＜0.05 時表示差異顯著；使用GraphPad Prism 8.0 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 碳酸氫鈉堿度脅迫對烏蘇里白鮭存活和生長的影響

5 mmol/L和10 mmol/L碳酸氫鈉堿度下，烏蘇里白鮭的終末體質量分別比對照組高5.4%（P＜0.05）和10.3%（P＜0.05），而20 mmol/L、30 mmol/L兩組僅為對照組的91.5%（P＜0.05）和88.9%（P＜0.05）（圖1）。各堿度組體質量增長速度由高到低依次為：10 mmol/L、5 mmol/L、20 mmol/L、30 mmol/L。各組烏蘇里白鮭的生長性能見表2。5 mmol/L、10 mmol/L堿度組烏蘇里白鮭攝食總量顯著高于對照組（P＜0.05），20 mmol/L、30 mmol/L組中攝食總量與對照組無顯著差異（P＞0.05）。淡水對照組幼魚的增長速度介于5 mmol/L和20 mmol/L組之間，10 mmol/L堿度組中ADG、SGR 和WGR 最高（P＜0.05）。當堿度大于20 mmol/L時，生長性能開始降低，30 mmol/L組最低（P＜0.05），而飼料系數最高，是對照組的1.23 倍，20 mmol/L組的飼轉率與對照組無顯著差異（P＞0.05）。

圖1 不同堿度的NaHCO3 對烏蘇里白鮭體質量增長的影響Fig.1 Effect of different NaHCO3 alkalinities on body weight of juvenile Usscuri whitefish C.ussuriensis

表2 不同堿度處理組烏蘇里白鮭生長性能及飼料系數Tab.2 Growth performance and feed utilization of Usscuri whitefish C.ussuriensis exposed to different alkalinity levels

2.2 碳酸氫鈉堿度脅迫對烏蘇里白鮭抗氧化酶與丙二醛活性的影響

5 mmol/L組烏蘇里白鮭肝臟中SOD、GSH 和CAT活性與MDA 活性與對照組無顯著差異（P＞0.05）；10 mmol/L 組中SOD 酶活性比對照組高16%（P＜0.05），CAT、GSH、MDA 三種酶與對照組無顯著差異（P＞0.05）；20 mmol/L組中SOD、CAT、MDA 的酶活性顯著升高（P＜0.05），30 mmol/L組中SOD、CAT酶活性和MDA 含量達峰值（P＜0.05）。GSH 活性最高的處理組為20 mmol/L，30 mmol/L次之（P＜0.05）（圖2）。

2.3 碳酸氫鈉堿度脅迫對烏蘇里白鮭IGF-1 和GH 基因表達的影響

5 mmol/L組烏蘇里白鮭肝組織中IGF-1 mRNA表達水平與對照組無顯著差異（P＞0.05），垂體中的GH 表達水平是對照組的2.26 倍（P＜0.05）；在10 mmol/L組中，IGF-1 和GH 的表達量達最大值（P＜0.05）。從20 mmol/L組起，表達量隨堿度增加而降低，20 mmol/L組中IGF-1 的表達量僅為對照組的41%（P＜0.05），GH基因表達量則降低至對照組的50%（P＜0.05）。30 mmol/L組兩種基因的表達量最低（P＜0.05，圖3）。

圖3 不同NaHCO3 堿度組烏蘇里白鮭肝臟中IGF-1 和垂體中GH 基因表達水平的變化Fig.3 Changes in IGF-1 expression in the liver and GH expression in the pituitary of Usscuri whitefish C.ussuriensis exposed to different levels of NaHCO3 alkalinity

3 討論

堿度顯著影響魚類的生長、生理過程和相關基因的表達[20,21]。本實驗發現，暴露于低NaHCO3堿度（5 mmol/L、10 mmol/L）中的烏蘇里白鮭生長性能（ADG、SGR、FCR、WGR）顯著高于對照組和高NaHCO3堿度（20 mmol/L、30 mmol/L）組。在30 d 的生長實驗中，卡拉白魚（Alburnus chalcoides）在7 mmol/L 中的增重率和增長率最高[22]；4 mmol/L的堿度可以提高異育銀鯽（Carassius auratus gibelio）的生長率[23]。根據前期池塘養殖經驗，烏蘇里白鮭在體質量達200 g 之前，生長速度受溫度影響較大，北方池塘中水溫變化幅度大，生長速率較低，6 周的生長速率僅為40.0%左右。本研究中，水溫為烏蘇里白鮭最適生長溫度18 ℃，各組魚的生長速率顯著高于池塘。20 mmol/L、30 mmol/L兩組攝食總量與對照組無顯著差異，生長性能較低的原因并非高堿度使烏蘇里白鮭食欲降低所致，可能是從飼料中吸收的能量轉化為體質量的部分減少。伍德等將生長性能下降歸因于滲透壓調節對能量的要求，整個生長階段需要大量能量來適應壓力條件[24,25]。為適應高滲環境，魚類需要進行大量生理活動，這會影響新陳代謝和生長活動，導致生長性能降低甚至死亡[26]?？傊?，堿度對烏蘇里白鮭的影響具有劑量效應，堿度過高會抑制其生長性能。

活性氧（ROS）是氧代謝的副產物，壓力條件會導致魚體活性氧急劇升高[26]。過量的ROS 能氧化損傷細胞和組織，生物激活抗氧化防御系統，以防止過量的活性氧對身體的氧化損傷[27,28]。GSH、SOD 和CAT 等抗氧化酶可以去除活性氧，增強機體防御能力[30]。在急性碳酸鹽堿度脅迫下，白蝦（Echinocereus bonkerae）的抗氧化酶系統可以被激活以適應外部環境[31]；在趙巖等的堿度脅迫研究中發現，當羅非魚（Oreochromis mossambicus）的抗氧化系統受損時，脅迫后組織細胞會產生氧化損傷[27]。在本研究中，20 mmol/L和30 mmol/L組烏蘇里白鮭肝組織三種抗氧化酶均顯著上升（P＜0.05），說明高堿性時機體的抗氧化酶系統會及時消除過量活性氧，保護機體不受氧化損傷。肝組織中三種抗氧化酶的活性變化趨近相似，這說明在烏蘇里白鮭體內抗氧化酶在應對堿度脅迫時相互協調共同作用，這與堿度脅迫下的中華絨螯蟹（Eriocheir sinensis）抗氧化酶活性研究結果相似[32]。而5 mmol/L、10 mmol/L兩組抗氧化酶活性與對照無差異，均維持在一個正常范圍內，說明烏蘇里白鮭能適應中低堿度的水中產生的少量活性氧，這與張琴星等的研究結論一致[33]。

活性氧的積累會導致脂質過氧化的產物MDA含量升高[34]。范澤等在碳酸鹽堿脅迫松浦鯉（Cyprinus carpio Songpu）的實驗中發現，高堿度組中鯉肝組織中MDA 含量顯著升高[34]。本研究中，30 mmol/L堿度組烏蘇里白鮭肝組織中MDA 含量達到峰值，說明在該堿度下，烏蘇里白鮭肝組織中抗氧化酶活力升高不足以緩解該魚體內的氧化損傷。5 mmol/L、10 mmol/L堿度組下，該魚肝臟中未見MDA活性升高，這表明低堿度不會引起魚體內脂質過氧化現象。

IGF-1/GH 生長軸基因在不同環境中表達量差異可能是生長相關的重要生物標志物[35]。從垂體釋放的GH 通過門靜脈血液循環并與肝臟GH 受體結合，刺激IGF-1 的合成和釋放，最后IGF-1 以負反饋作用于垂體[36]。盡管越來越多的研究支持IGF-1/GH系統在調節魚類生長中的作用，但對其在堿水環境中的表達水平研究十分有限。IGF-1/GH 系統在滲透壓變化過程中維持魚類生理平衡方面發揮關鍵作用[37]。畢保良等實驗發現，虹鱒（Oncorhynchus mykiss）在半咸水中GH 表達水平最高[38]；沈立等在6 d 的堿度脅迫實驗中發現，異育銀鯽IGF-1 和GH激素水平均顯著高于對照組[20]，這與本研究的結果相一致。在本研究中，5 mmol/L和10 mmol/L組中烏蘇里白鮭的IGF-1/GH 兩種基因均顯著上調（P＜0.05）。這表明IGF-1/GH 生長軸可以通過參與烏蘇里白鮭的滲透壓調節機制幫助其適應中低堿水環境而表現出更好的生長性能。

當魚類處于高滲環境中時，會影響GH 水平和食物攝入及生長[38]。在本研究中，相比于對照組，20 mmol/L和30 mmol/L組中，GH 的表達量和生長性能均顯著降低，可能是生長因子在較高堿度下的合成受到抑制，這與迪恩等[39]的研究結論相同。除了加速魚體生長之外，IGF-1 的表達量還可以影響鮭適應海水環境的能力[40]，在20 mmol/L、30 mmol/L兩組烏蘇里白鮭中觀察到IGF-1 表達量顯著下降（P＜0.05），這說明堿度過高，烏蘇里白鮭肝組織中IGF-1 表達受到抑制，持續維持在較低水平，影響魚生長。本研究結果表明，在較高的堿度中，烏蘇里白鮭IGF-1/GH 系統受到抑制，影響其生長，這為長期堿度生長實驗結論提供了參考。

綜上所述，較高的堿度環境使烏蘇里白鮭增加肝臟中GSH、SOD 和CAT 三種抗氧化酶活性來消除細胞中的活性氧，并通過抑制其垂體中GH 的表達以及肝臟中IGF-1 的表達而降低生長性能。烏蘇里白鮭在10 mmol/L的低堿度環境中生長較好，與對照組相比具有更高的增重率及更低的飼料系數。盡管在30 mmol/L堿度環境中MDA 含量顯著升高，不利于烏蘇里白鮭生長，但并不影響其生存。本研究為探究烏蘇里白鮭適應堿性環境的生理機制提供了基礎理論依據，有助于制定在堿度環境中養殖的策略，對這一物種資源量的恢復以及中低堿度水域開發利用具有參考價值。