中華倒刺鲃不同生理性能對降溫的響應(yīng)速率

覃英蓮,柏 楊,付康康,付世建

重慶師范大學(xué), 進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 重慶市動物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400047

中華倒刺鲃不同生理性能對降溫的響應(yīng)速率

覃英蓮,柏 楊,付康康,付世建*

重慶師范大學(xué), 進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 重慶市動物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400047

為了考查長期高溫馴化的中華倒刺鲃(Spinibarbussinensis)幼魚快速降溫后不同生理功能對低溫環(huán)境的響應(yīng)速率,將實(shí)驗(yàn)魚分為2組分別在15℃和25℃條件下長期馴養(yǎng)(8周),隨后25℃組快速降溫至15℃(降溫組),同時(shí)15℃組(恒低溫對照組)溫度保持不變；在降溫后的第1、2、4和8周分別測定和比較降溫組和恒溫對照組實(shí)驗(yàn)魚的溫度耐受能力、游泳能力、自發(fā)活動水平、攝食代謝和生長性能等相關(guān)生理指標(biāo)。結(jié)果顯示：降溫后,低溫耐受能力(CTmin)1周時(shí)就達(dá)到穩(wěn)定與對照組不再有差異,而高溫耐受能力(CTmax)2周時(shí)才達(dá)到穩(wěn)定；與對照組相比,降溫處理導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)魚自發(fā)活動水平(運(yùn)動時(shí)間百分比,PTM和運(yùn)動總距離,TDM)顯著上升,且此差異持續(xù)整個(gè)馴化周期(P< 0.05)；降溫組的臨界游泳速度(Critical swimming speedUcrit)在降溫的1—2周均顯著小于對照組(P< 0.05),直到4周才達(dá)到穩(wěn)定；降溫組實(shí)驗(yàn)魚特殊動力作用(Specific dynamic action SDA)持續(xù)時(shí)間和攝食后代謝峰值(Peak metabolic rate PMR)與對照組在降溫1—4周均沒有顯著差異；盡管降溫組有更高的攝食率,其食物轉(zhuǎn)化效率和增重率均顯著低于對照組(P< 0.05)。研究表明：中華倒刺鲃在水體溫度下降后,不同生理功能的穩(wěn)定速率存在差異,這可能與不同生理功能的生態(tài)關(guān)聯(lián)及內(nèi)在機(jī)制的不同有關(guān)；降溫處理導(dǎo)致機(jī)體生長受阻,其主要原因可能是由于應(yīng)對環(huán)境溫度變動的逆境脅迫、生理功能調(diào)整以及自發(fā)活動增加所導(dǎo)致的能量消耗上升所致。

溫度馴化；熱耐受；可塑性；運(yùn)動；生長性能

溫度是自然界最重要的生態(tài)因子之一,一方面直接作用于機(jī)體生化反應(yīng)速率,進(jìn)而對個(gè)體運(yùn)動能力和生長性能產(chǎn)生重要影響；另一方面,溫度通過影響環(huán)境食物豐度和水體理化性質(zhì),間接支配著生物的生理功能狀態(tài)[1- 3]。研究顯示,魚類的溫度耐受能力與其環(huán)境溫度密切相關(guān),且對魚類的地理分布具有重要影響[4]。在相關(guān)研究中,通常采用臨界溫度作為溫度耐受能力的指標(biāo)。游泳運(yùn)動是魚類獲取食物和逃避敵害等生命活動的重要實(shí)現(xiàn)方式[5],臨界游泳速度(Ucrit)是評價(jià)其能力的重要指標(biāo)[6],與機(jī)體最大代謝率(MMR)密切相關(guān)。自發(fā)運(yùn)動是指不依賴外部刺激,僅由動物內(nèi)部的狀態(tài)所引起的活動,同樣與魚類的覓食、遷移和逃避敵害等行為密切相關(guān)[7],研究者主要采用運(yùn)動時(shí)間(PTM)和移動距離(TDM)等作為自發(fā)運(yùn)動水平的衡量指標(biāo)[8-9]。研究發(fā)現(xiàn),溫度對魚類的游泳能力和自發(fā)運(yùn)動水平均有顯著影響[10]。生長是機(jī)體與適合度關(guān)聯(lián)的重要特征參數(shù),溫度的改變通常會影響到個(gè)體的攝食、消化和同化能力(通常以魚類攝食后的代謝變化衡量),進(jìn)而影響其生長性能[11-12]。魚類的熱耐受能力、游泳活動(包括運(yùn)動能力和自發(fā)運(yùn)動水平)、攝食代謝和生長性能對個(gè)體生存能力和種群的繁衍均具有重要的意義。由于上述不同生理功能的生態(tài)學(xué)關(guān)聯(lián)各異,涉及的內(nèi)在機(jī)制也截然不同,理論上不同生理功能對溫度變化的響應(yīng)速率可能存在較大差異,相關(guān)研究對于揭示魚類對環(huán)境溫度變動的適應(yīng)能力具有重要的意義。

近年來由于氣候變化、水利工程的建設(shè)和其他人類活動的干擾,水體溫度狀況發(fā)生了顯著的變化。目前人們更多的是關(guān)注全球氣候變暖的問題,然而由于水體密度的物理學(xué)特性,水體溫度下降的速率和幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度上升,在自然界和人工養(yǎng)殖的水體中降溫對魚類生理產(chǎn)生的脅迫比升溫顯得更為嚴(yán)峻。更為重要的是,有關(guān)魚類熱生物學(xué)的相關(guān)工作主要關(guān)注長期溫度馴化(4—8周)對相關(guān)生理指標(biāo)的影響。然而,魚類生理功能對快速溫度變化(特別是降溫)的響應(yīng)能力,即短期快速適應(yīng)能力可能決定其能否在變溫后的水體正常生存繁衍,而相關(guān)研究卻鮮有報(bào)導(dǎo)。因此,本研究選取了我國特有的暖水性魚類中華倒刺鲃(Spinibarbussinensis)為研究對象,其棲息地生境溫度在夏季和秋季可能出現(xiàn)高達(dá)10℃的快速降溫過程[13]。本研究通過對長期高溫馴化(25℃)后快速降溫組和恒定低溫條件下(15℃)中華倒刺鲃幼魚溫度耐受、游泳能力、自發(fā)運(yùn)動、攝食代謝和生長性能的比較,探討在快速溫度變化條件下該種魚不同生理功能在新的溫度條件下穩(wěn)定速率,即對快速溫度變化的響應(yīng)速率。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)魚的來源及馴養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)魚(4—6 g,N=500)購于四川水產(chǎn)校,隨機(jī)平均分為兩組分別置于15(±1)℃和25(±1)℃水溫條件下在實(shí)驗(yàn)室自制的自凈化循環(huán)控溫水槽中馴養(yǎng)兩個(gè)月。馴養(yǎng)期間實(shí)驗(yàn)用水為曝氣后的自來水,保證水體溶氧≥ 90%飽和溶氧,光制為12L∶12D,每天定時(shí)以維持日糧水平的商業(yè)餌料投喂一次。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

馴養(yǎng)兩個(gè)月后,將25℃水槽馴養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)魚分配到3個(gè)實(shí)驗(yàn)水槽馴化(即3個(gè)重復(fù)),隨后水槽溫度以每天2℃的速率降至15℃,即降溫組；15℃水槽馴養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)魚同樣分配至3個(gè)水槽,但水溫保持不變,即恒(低)溫對照組。兩組實(shí)驗(yàn)魚在15℃下馴化8周,分別在馴化的1、2、4和8周時(shí)選取大小相近的實(shí)驗(yàn)魚進(jìn)行魚體大小、熱耐受、游泳能力、自發(fā)運(yùn)動、攝食代謝和生長性能等相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測定(所有實(shí)驗(yàn)魚均不重復(fù)使用,相關(guān)測定方法見后)。為消除體重對實(shí)驗(yàn)參數(shù)測定的影響,除生長實(shí)驗(yàn)(飽足投喂)外均采用維持日糧水平投喂1次。實(shí)驗(yàn)測定前所有實(shí)驗(yàn)魚均禁食24 h以消除消化活動的影響[14]。除溫度耐受實(shí)驗(yàn)外,所有實(shí)驗(yàn)均在15(±1)℃水溫下進(jìn)行。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作方法

1.3.1 熱耐受的測定

采用臨界溫度法(Critical thermal methodology)[15]對實(shí)驗(yàn)魚的熱耐受能力進(jìn)行測定。將每組實(shí)驗(yàn)魚(N=10,3個(gè)重復(fù)水槽分別選取3、3和4尾實(shí)驗(yàn)魚)轉(zhuǎn)移到與馴化水溫相同(15℃)的熱耐受測試系統(tǒng)中。待實(shí)驗(yàn)魚適應(yīng)1 h后,用加熱棒或冷水機(jī)控制水溫使其以0.3℃/min[3]的速率升溫(或降溫),采用數(shù)字溫度計(jì)持續(xù)監(jiān)測水溫。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保證水體溶氧飽和度≥90%飽和溶氧。以實(shí)驗(yàn)魚失去平衡時(shí)的溫度作為臨界溫度(臨界高溫CTmax或臨界低溫CTmin)[4]。CTmax和CTmin是通過對失去平衡的實(shí)驗(yàn)魚的百分比與溫度進(jìn)行線性回歸,再由“內(nèi)插法”得到50%個(gè)體失去平衡所對應(yīng)的溫度值求得[16]。

1.3.2Ucrit的測定

采用本實(shí)驗(yàn)室自行研制的游泳代謝測定儀測定[17],為消除轉(zhuǎn)移過程對實(shí)驗(yàn)魚脅迫的影響,實(shí)驗(yàn)前將單尾實(shí)驗(yàn)魚移入游泳代謝儀的游泳管中適應(yīng)1 h,適應(yīng)期間游泳管內(nèi)的水流速度為6 cm/s(≈1倍體長)。Ucrit的測定采用逐步提高法,初始速度為6 cm/s,之后以每檔6 cm/s的流速增量(Δv)逐步增加水流速度直至實(shí)驗(yàn)魚力竭。每檔速度的游泳歷時(shí)為(ΔT)20 min。力竭標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)驗(yàn)魚不能抵抗水流而后退且在游泳代謝儀尾端篩板處停留20s以上[18]。Ucrit的計(jì)算公式[18]如下:

Ucrit=U+(t/T)ΔU

(1)

式中，Ucrit為臨界游泳速度(cm/s),U為實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)魚順利完成設(shè)定時(shí)間(20min)的最大游泳速度(cm/s),ΔU為流速增量(6 cm/s),T為各速度梯度下設(shè)定的時(shí)間(20min),t為實(shí)驗(yàn)魚在力竭速度檔的游泳時(shí)間。在測定Ucrit的過程中用溶氧儀同步測定各游泳速度下的耗氧率(MO2),保證水體溶氧水平不低于80%。每2 min計(jì)算一次MO2,具體計(jì)算公式如下：

MO2=(St-Sb)×60×Vol/m

(2)

St為實(shí)驗(yàn)魚游泳時(shí)溶氧值隨時(shí)間變化斜率的絕對值；Sb為無實(shí)驗(yàn)魚存在的溶氧值隨時(shí)間變化斜率的絕對值(細(xì)菌耗氧量),60為時(shí)間常數(shù)(min)；Vol為扣除實(shí)驗(yàn)魚體積后的儀器水體系統(tǒng)總體積(L)；m為實(shí)驗(yàn)魚體重(kg)。Ucrit測定過程中MO2最大值定義為MMR。

1.3.3 自發(fā)運(yùn)動的測定

將每組實(shí)驗(yàn)魚(N=8,3個(gè)水槽分別選取3、3和2尾)分別移入單個(gè)自發(fā)運(yùn)動測定裝置(直徑30 cm,水深10 cm)中,在恒溫、≥90%飽和溶氧條件下適應(yīng)12 h過夜,于第2天的9：00、15：00和21：00時(shí)用攝像頭對實(shí)驗(yàn)魚的活動進(jìn)行持續(xù)15 min的拍攝。拍攝結(jié)束后對視頻進(jìn)行分析,計(jì)算實(shí)驗(yàn)魚在拍攝期間的TPM(%)和TDM(cm)。

1.3.4 攝食代謝的測定

攝食代謝即食物特殊動力作用(SDA)采用本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的流水式呼吸代謝測定儀進(jìn)行測定[19]。測定前將禁食24 h后的實(shí)驗(yàn)魚從各實(shí)驗(yàn)處理組轉(zhuǎn)移至測定儀的呼吸室中。轉(zhuǎn)移后的實(shí)驗(yàn)魚在呼吸室中適應(yīng)24 h后開始測定MO2,共測定3次,每次測定的時(shí)間間隔為1 h,將3次的平均值作為實(shí)驗(yàn)魚的標(biāo)準(zhǔn)代謝率(Standard metabolic rate, SMR)。由于實(shí)驗(yàn)魚在呼吸室內(nèi)不會自主攝食,故在測定SMR后立即將實(shí)驗(yàn)魚轉(zhuǎn)移到養(yǎng)殖單元,飽足投喂商業(yè)餌料(投喂時(shí)間為0.5 h),隨后將實(shí)驗(yàn)魚重新移入呼吸室中。立即測定實(shí)驗(yàn)魚攝食后的MO2,連續(xù)測定12 h,時(shí)間間隔為1 h。每尾實(shí)驗(yàn)魚攝食后的MO2計(jì)算公式如下：

MO2=ΔO2×v/m

(3)

式中，ΔO2表示實(shí)驗(yàn)魚所在呼吸室與空白對照的溶氧差值,v表示實(shí)驗(yàn)魚所在呼吸室的水體流量(L/s),m表示實(shí)驗(yàn)魚的體重(kg)。通過溶氧儀測定呼吸室出口處水體獲取溶氧值,通過收集單位時(shí)間呼吸室末端的水體得到流量數(shù)據(jù)。

衡量攝食代謝的相關(guān)指標(biāo)有：①SDA持續(xù)時(shí)間(Duration,h),即實(shí)驗(yàn)魚從攝食到MO2恢復(fù)到SMR的時(shí)間；②攝食代謝峰值(Peak metabolic rate,PMR；mgO2/(kg.h)),即SDA過程中最大的耗氧率值；③SDA系數(shù)(SDA coefficient,%),SDA總耗能占攝食總能量的比例。

1.3.5 生長性能的測定

生長實(shí)驗(yàn)與其他測定同期進(jìn)行,即馴養(yǎng)結(jié)束后從各溫度組選取24尾大小相似的實(shí)驗(yàn)魚喂養(yǎng)于3個(gè)養(yǎng)殖單元中(每單元8尾)。每天按時(shí)(09:00)飽足投喂1次,并記錄實(shí)驗(yàn)魚的攝食情況,在每個(gè)馴化周期結(jié)束后稱量實(shí)驗(yàn)魚的體重、體長。計(jì)算增重率(Weight gain,%/d)、攝食率(Feed rate,%/d)和食物轉(zhuǎn)化效率(Feed efficiency)。

攝食率(FR,%d-1)=100×Fc/[(Wt+W0)/2]/t

(4)

增重率(WG,%d-1)=100×(Wt-W0)/t

(5)

食物轉(zhuǎn)化效率(FE)=(Wt-W0)/Fc

(6)

式中,W0為初始體重(g),Wt為終末體重(g),t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間(d),Fc為總的攝食量(g)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以Excel(2003)進(jìn)行常規(guī)計(jì)算,隨后用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以身體大小(體長或體重)為協(xié)變量,數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)分布和方差同質(zhì)性檢驗(yàn)后,采用雙因素協(xié)方差分析檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)處理(降溫組對恒低溫對照組)和時(shí)間對實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響,顯著性水平為P<0.05。如有顯著差異采用Duncan多重比較或t檢驗(yàn)分析馴化時(shí)間或?qū)嶒?yàn)處理的統(tǒng)計(jì)差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 中華倒刺鲃熱耐受對降溫的響應(yīng)速率

CTmax：實(shí)驗(yàn)處理對CTmax有顯著影響,且此影響隨馴化時(shí)間延長而消除(交互作用：P< 0.05)(圖1,表1)。降溫組和恒低溫對照組的CTmax僅在1周馴化后差異顯著(P<0.05),而在馴化2—8周后均無顯著差異。馴化時(shí)間對CTmax有顯著影響,恒低溫對照組CTmax馴化1周時(shí)顯著低于其他時(shí)間,而降溫組馴化1周的CTmax顯著高于其他馴化時(shí)間(P<0.05)。

CTmin：兩實(shí)驗(yàn)處理組的CTmin沒有顯著差異(圖1,表1)。馴化時(shí)間對CTmin有顯著影響,且隨著馴化周期的延長實(shí)驗(yàn)魚的CTmin逐漸下降(P<0.05)。其中,恒低溫對照組馴化4周和8周顯著小于馴化1周(P<0.05)；而降溫組馴化2周和4周顯著小于1周,而馴化8周顯著小于其他所有馴化時(shí)間(P<0.05)。

2.2 中華倒刺鲃游泳能力對降溫的響應(yīng)速率

隨著游泳速度的上升,不同實(shí)驗(yàn)組的MO2均顯著上升(P< 0.05)(圖2),且總體上同一游泳速度下恒低溫對照組高于降溫組(圖2,P<0.05)。相對于馴化1周和2周,馴化4周和8周后其差距逐漸縮小。

Ucrit：溫度處理和馴化時(shí)間對Ucrit均有顯著影響且存在交互作用(P<0.05)(圖3,表1)。馴化初期,恒低溫對照組的Ucrit顯著大于降溫組(P<0.05)。隨著時(shí)間延長,對照組Ucrit顯著下降,而降溫組Ucrit沒有顯著變化,因此馴化4周和8周時(shí),降溫組與恒低溫對照組的Ucrit不再有顯著差異甚至大于恒低溫對照組。

圖1 溫度變化對中華倒刺鲃熱耐受的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N=10)Fig.1 The effect of thermal treatment on thermal tolerance in qingbo (Mean±S.E, N=10)*表示同一馴化時(shí)期不同溫度處理組間有顯著差異(P<0.05),a, b, c表示同一溫度處理組不同馴化時(shí)期有顯著差異(P<0.05)

圖2 不同游泳速度下實(shí)驗(yàn)魚的代謝率(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N=12)Fig.2 The metabolic rate of experimental fish swum under different swimming speed (Mean±S.E, N=12)*表示同一游泳速度下不同處理組有顯著差異

圖3 溫度變化對中華倒刺鲃游泳能力的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N=12)Fig.3 The effect of thermal treatment on swimming performance in qingbo (Mean±S.E, N=12) *表示同一馴化時(shí)期不同處理組有顯著差異,a, b, c表示同一處理組不同馴化時(shí)期有顯著差異

MMR：溫度處理和馴化時(shí)間對MMR均有顯著影響且存在交互作用(P<0.05)(圖3,表1)。馴化初期,恒低溫對照組的MMR顯著大于降溫組(P<0.05)。恒低溫對照組MMR在馴化1—4周沒有顯著變化,而馴化8周時(shí)顯著下降(P<0.05)；降溫組在馴化2和4周比馴化1周相比顯著上升,然后在馴化8周時(shí)顯著下降(P<0.05)。因此恒低溫對照組和降溫組的MMR在馴化1周時(shí)差異最為顯著,馴化2—8周其差異顯著縮小。

表1 溫度馴化和馴化周期對實(shí)驗(yàn)魚測量變量的雙因素協(xié)方差分析

2.3 中華倒刺鲃自發(fā)運(yùn)動對降溫的響應(yīng)速率

溫度處理對PTM和TDM均有顯著影響(P< 0.05)(圖4,表1)。降溫組的PTM和TDM均顯著大于恒低溫對照組,但PTM的差異隨馴化時(shí)間的延長有所增加(交互作用，P=0.013)。

圖4 溫度變化對中華倒刺鲃自發(fā)運(yùn)動的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,N=8) Fig.4 The effect of thermal treatment on spontaneous activities in qingbo (Mean±S.E, N=8)*表示同一馴化時(shí)期不同溫度處理組差異顯著(P<0.05)a,b表示同一溫度處理組不同馴化時(shí)期差異顯著(P<0.05)

2.4 中華倒刺鲃SDA對降溫的響應(yīng)速率

經(jīng)攝食后,各實(shí)驗(yàn)組代謝均呈現(xiàn)先上升后逐漸回落的過程(圖5)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明：溫度處理和馴化周期對SMR和SDA持續(xù)時(shí)間均無顯著影響(表2)；馴化周期對恒低溫對照組的PMR沒有顯著影響,卻導(dǎo)致降溫組的PMR呈現(xiàn)下降趨勢,且經(jīng)8周馴化后降溫組的PMR顯著低于同期恒低溫對照組(P<0.05)；溫度處理對SDA系數(shù)有顯著影響,除2周馴化外降溫組的SDA系數(shù)均顯著小于恒低溫對照組(P<0.05)。

2.5 降溫對中華倒刺鲃生長性能的影響

溫度處理和馴化周期對增重率均有顯著影響(P<0.05),其中恒低溫對照組增重率隨馴化周期延長而上升,且在8周時(shí)顯著大于降溫組(P<0.05)；馴化第一周未進(jìn)行攝食量的統(tǒng)計(jì),馴化2和4周時(shí)恒低溫對照組的攝食率顯著低于變溫組(P<0.05),隨馴化時(shí)間的延長恒低溫對照組攝食率顯著上升而降溫組無顯著變化(交互作用，P<0.05),導(dǎo)致8周時(shí)二者無顯著差異；溫度處理對攝食效率有顯著影響,其中,恒低溫對照組的攝食效率顯著高于降溫組(表3,P<0.05)。

圖5 中華倒刺鲃的攝食后代謝反應(yīng)Fig.5 The postprandial metabolic response of qingbo0h為攝食時(shí)間,平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,重復(fù)數(shù)見表2

變量Variables處理組Treatment馴化周期Acclimationperiod雙因素方差分析結(jié)果Resultsoftwo-wayANOVA1周2周4周8周協(xié)變量作用Covariateeffect組間作用Groupeffect馴化周期作用Periodeffect交互作用InteractioneffectN恒低溫組9888降溫組991010標(biāo)準(zhǔn)代謝率恒低溫組99．4±11．472．9±6．480．8±5．193．5±3．3F1，62=1．850F1，62=0．122F3，62=1．586F3，62=26．61SMR/(mgO2kg-1h-1)降溫組79．5±4．177．5±5．292．2±3．381．4±4．5P=0．179P=0．728P=0．202P=2．710攝食量恒低溫組0．16±0．00d0．22±0．01c0．40±0．01b0．93±0．02aF1，62=22．87F1，62=1937F3，62=218．3F3，62=64．40Mealsize(%體重)降溫組0．93±0．02b?1．43±0．03a?1．43±0．04a?1．49±0．04a?P<0．001P<0．001P<0．001P<0．001持續(xù)時(shí)間恒低溫組8．44±0．706．63±0．776．50±0．948．25±1．02F1，62=0．000F1，62=0．302F3，62=0．344F3，60=2．242Duration/h降溫組6．11±0．956．67±1．178．80±1．016．60±0．06P=0．990P=0．585P=0．794P=0．092攝食代謝峰值恒低溫組157．0±20．5164．0±10．6138．1±10．0177．2±7．2F1，62=0．187F1，62=0．309F3，62=1．932F3，62=4．451PMR/(mgO2kg-1h-1)降溫組209．7±21．1a156．3±11．8bc172．3±11．3ab129．1±6．5c?P=0．667P=0．581P=0．134P=0．007SDA系數(shù)恒低溫組11．35±3．818．24±3．754．96±1．43b3．91±0．56F1，62=0．317F1，62=12．823F3，62=1．849F3，62=0．616SDAcoefficient/%降溫組2．80±0．60a?2．27±0．41ab1．25±0．43bc?0．62±0．16c?P=0．576P<0．001P=0．149P=0．608

*表示同一馴化周期兩實(shí)驗(yàn)組間比較有顯著差異 a, b, c 表示同一實(shí)驗(yàn)組不同馴化周期間的比較有顯著差異; SMR:標(biāo)準(zhǔn)代謝率Standard metabolic rate;PMR: 攝食代謝峰值Peak metabolic rate;SDA: 特殊動力作用Specific dynamic action

表3 實(shí)驗(yàn)處理和馴化期對中華倒刺鲃生長性能的影響

*表明同一周期不同實(shí)驗(yàn)組間有顯著差異;a, b, c 表明同一實(shí)驗(yàn)組不同馴化周期有顯著差異

3 討論

水環(huán)境的溫度由于地理分布、氣候及人為等的原因存在著較大幅度的波動,而包括魚類在內(nèi)的水生生物在長期的進(jìn)化過程中形成了從生理生化到行為等一系列的適應(yīng)機(jī)制,以相應(yīng)的生態(tài)對策適應(yīng)特定的生存環(huán)境。水體溫度已經(jīng)被證實(shí)對魚類的機(jī)體性能和分布有著重要影響,這種影響主要是通過其熱耐受能力、代謝特征、運(yùn)動能力及生長性能等體現(xiàn)[20]。本實(shí)驗(yàn)室以往有關(guān)中華倒刺鲃的研究發(fā)現(xiàn),高溫(25℃)馴化的實(shí)驗(yàn)魚的主要生理功能均顯著高于低溫馴化的實(shí)驗(yàn)魚(15℃)[13]。而本研究的主要目的是檢驗(yàn)高溫馴化的實(shí)驗(yàn)魚經(jīng)降溫后,這種前期馴化的生理差異何時(shí)消除,以及這種消除速率在不同生理功能間有無差異。本研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過快速降溫后,中華倒刺鲃的低溫耐受和高溫耐受能力分別于降溫的1—2周達(dá)到穩(wěn)定,與恒低溫對照組無顯著差異；而游泳運(yùn)動能力在4周達(dá)到穩(wěn)定；消化功能可能在短期(1周內(nèi))得以調(diào)整穩(wěn)定。另外,降溫處理導(dǎo)致機(jī)體生長受阻,其主要原因可能是由于應(yīng)對環(huán)境變動的逆境脅迫、生理功能調(diào)整以及自發(fā)活動增加所導(dǎo)致的能量消耗上升所致,而與攝食率關(guān)系不大。

3.1 中華倒刺鲃熱耐受對降溫的響應(yīng)速率

研究發(fā)現(xiàn)由于地理分布和季節(jié)更替導(dǎo)致魚類生境水體溫度的時(shí)、空異質(zhì)性對機(jī)體的熱耐受特征有顯著的影響[4, 21]。實(shí)驗(yàn)室條件下,馴化溫度對熱耐受指標(biāo)如CTmax和CTmin的影響在包括中華倒刺鲃在內(nèi)的多數(shù)魚類得到證實(shí)[22]。與以往工作不同的是,本研究著重關(guān)注快速降溫導(dǎo)致包括熱耐受能力在內(nèi)的生理功能變化的穩(wěn)定速率(即何時(shí)與恒低溫對照組不再有差異)。先前的研究發(fā)現(xiàn)25℃條件下馴化的中華倒刺鲃幼魚的CTmax和CTmin均高于15℃[23]。本研究發(fā)現(xiàn),降溫后,CTmax和CTmin分別在2周和1周與對照組不再有顯著差異,表明前期馴化條件下的高溫和低溫耐受特征分別于2周和1周內(nèi)得以消除。另外,兩溫度組CTmin均隨馴化時(shí)間延長呈下降趨勢,可能因?yàn)殡S著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程實(shí)驗(yàn)魚體質(zhì)改善導(dǎo)致溫度耐受能力的提高。

3.2 中華倒刺鲃游泳能力對降溫的響應(yīng)速率

以往的研究發(fā)現(xiàn)25℃條件下馴化的中華倒刺鲃幼魚的Ucrit比15℃馴化條件下的高出約30%[24],而本研究發(fā)現(xiàn),在降溫后的1—2周,降溫組的Ucrit反而顯著低于恒低溫對照組。說明中華倒刺鲃進(jìn)入新的溫度環(huán)境后,不僅先前在游泳能力上的馴化優(yōu)勢完全消除,而且機(jī)體為應(yīng)對變溫脅迫對生物機(jī)能的影響導(dǎo)致其運(yùn)動能力下降。這與其MMR的變化趨勢一致,說明呼吸代謝能力的下降是運(yùn)動能力下降的重要原因之一。然而在降溫的4和8周后,降溫組的Ucrit不再低于恒低溫對照組,說明前期高溫馴化和變溫脅迫的影響在4周內(nèi)得以消除。另外,馴化4和8周降溫組的MMR依然低于恒低溫對照組,而Ucrit高于(4周)或沒有差異。這表明降溫組比恒低溫對照組具有更高的游泳效率(即相同游泳速度下代謝率更低),從圖2可以看出,這種游泳效率的差異隨著馴化時(shí)間延長而逐漸縮小。

值得一提的是對照組Ucrit在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期呈下降趨勢,而降溫組沒有變化,這可能因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室單調(diào)情況下惰性和囚禁效應(yīng)[25]導(dǎo)致機(jī)體運(yùn)動能力下降在恒低溫對照組的體現(xiàn)；而降溫組沒有變化是由于其在低溫馴化下游泳能力的逐漸恢復(fù)與惰性和囚禁效應(yīng)相抵消所致。

3.3 中華倒刺鲃自發(fā)運(yùn)動對降溫的響應(yīng)速率

自發(fā)運(yùn)動是動物不依賴外部刺激僅由內(nèi)部狀態(tài)引起的活動,是生理狀態(tài)和行為特征的直觀表現(xiàn)。低溫條件下由于機(jī)體生理功能的下調(diào)[3],加之食物資源通常也隨之減少[2],理論上自發(fā)運(yùn)動會低于高溫條件下,這在大西洋鮭魚(Salmosalar)等的研究中得到證實(shí)[23]。本研究降溫組有關(guān)自發(fā)運(yùn)動參數(shù)PTM和TDM均顯著大于恒低溫對照組。馴化前期降溫組較高的自發(fā)運(yùn)動可以解釋為由于先前高溫條件行為特征并未消除[23]或新的溫度環(huán)境的逆境所致[25]。然而馴化4到8周降溫組的相關(guān)指標(biāo)依然高于對照組。這可能提示,就自發(fā)運(yùn)動而言,8周的溫度馴化還不足以消除先前高溫經(jīng)歷的影響。相關(guān)機(jī)制值得進(jìn)一步研究。但降溫組較高的自發(fā)運(yùn)動可能是其生長性能較低的原因(攝食量高而食物轉(zhuǎn)化率低)。

3.4 中華倒刺鲃生長性能對降溫的響應(yīng)

本研究發(fā)現(xiàn),降溫組的生長速率顯著低于恒低溫對照組,而降溫組的攝食率與恒低溫對照組差別不大(第2周時(shí)甚至高于恒低溫對照組)。說明降溫組生長性能的下降主要是食物轉(zhuǎn)化效率下降所致。這極有可能是由于降溫組魚類對抗逆境脅迫、以及體內(nèi)生理生化調(diào)整等生理過程導(dǎo)致的額外的能量消耗所致[26]。另外,降溫組自發(fā)運(yùn)動水平的提高所導(dǎo)致的日常代謝增加也是食物轉(zhuǎn)化效率下降的重要原因之一。由于技術(shù)原因,沒有對第一周攝食數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),但從第2—8周的生長數(shù)據(jù)可以看出：由于適應(yīng)逆境條件增加生理功能和自發(fā)活動所導(dǎo)致的能量消耗隨著馴化時(shí)間的延長可能有所下降。

由于實(shí)驗(yàn)魚攝食率低,不便進(jìn)行攝食水平的定量,本研究SDA實(shí)驗(yàn)采取飽足投喂方式。降溫組的攝食水平總體上高于恒低溫對照組。而攝食水平對SDA各參數(shù)均有顯著影響[4],干擾了溫度處理和馴化周期對消化功能影響的分析結(jié)果。然而研究發(fā)現(xiàn)溫度處理和周期對SDA持續(xù)時(shí)間均無顯著影響,降溫組和對照組的PMR在1—4周均沒有差異,而以往的研究發(fā)現(xiàn)馴化溫度對中華倒刺鲃的SDA各參數(shù)有顯著影響。這表明中華倒刺鲃的消化功能可能在溫度變化后的短期內(nèi)恢復(fù)。

本研究發(fā)現(xiàn)中華倒刺鲃在經(jīng)過長期的高溫馴化及短期降溫過渡到低溫后,其生理和行為特征相應(yīng)改變以適應(yīng)新的低溫條件。但不同功能間的穩(wěn)定速率存在差異,這可能與不同功能的生態(tài)學(xué)關(guān)聯(lián)及不同功能涉及的內(nèi)在機(jī)制差異相關(guān)?？傮w上消化功能和熱耐受能力調(diào)整穩(wěn)定的速率最快,而游泳能力穩(wěn)定速度較慢。另外,降溫處理導(dǎo)致機(jī)體生長受阻程度隨著馴化時(shí)間的延長而減小,但其影響持續(xù)存在于整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期。

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ThematebolizeresponseofdifferentphysiologicalperformancestodecreasedtemperatureinSpinibarbussinensis

QIN Yinglian, BAI Yang, FU Kangkang, FU ShiJian*

LaboratoryofEvolutionaryPhysiologyandBehavior,ChongqingKeyLaboratoryofAnimalBiology,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China

To investigate the matebolize response of different physiological performances to decreased temperature of long-term high-temperature-acclimated juvenile qingbo (Spinibarbussinensis), the experimental fish were reared at 15 or 25℃ for 8 weeks, respectively; then the temperature of the 25℃ group was decreased to 15℃ (treatment group), and the temperature of the 15℃ group remained the same (control group). The thermal tolerance capacity (critical maximum temperature,CTmaxand critical minimum temperature,CTmin), maximum sustainable swimming speed (critical swimming speed, Ucrit), spontaneous activities (percent time spent moving (PTM) and total distance moved (TDM)), specific dynamic action (peak postprandial metabolic rate (PMR)), and growth performance (feed rate, feed efficiency, and weight gain) of fish in both temperature groups were measured at 1, 2, 4, and 8 weeks after the temperature was decreased. There was no significant difference in cold tolerance capacity as suggested byCTminbetween the treatment and control groups, whereas the heat tolerance capacity, as suggested byCTmaxof the treatment group, was significantly higher than that of the control group one week after the temperature decrease, and thereafter there was no difference between the groups. The temperature decrease resulted in a significant improvement of spontaneous activities suggested by higher PTM and TDM than those of the control group (P< 0.05), and such differences persisted throughout the experimental period. The Ucritof the treatment group was significantly lower than that of the control group at 1 and 2 weeks after the temperature decrease, and the impaired swimming capacity disappeared after 4 weeks of temperature acclimation. The PMR and SDA duration did not show any differences between the treatment and control groups from 1 to 4 weeks after the temperature decrease. The food efficiency and weight gain of the treatment group were generally lower than those of the control group, although the treatment group unusually showed a higher food rate. This suggested that there were profound differences among response speeds of different physiological performances to decreased temperature, which were possibly related to differences in their ecological correlations and underlying mechanisms. The temperature decrease in the treatment group resulted in impaired growth performance, which was mainly due to the additional energy expenditure involved in thermal stress responses, regulation of physiological functions, and elevated spontaneous activities.

temperature acclimation; thermal tolerance; plasticity;locomotion; growth performance

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31172096)

2016- 04- 30; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201604300825

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shijianfu9@cqnu.edu.cn

覃英蓮,柏楊,付康康,付世建.中華倒刺鲃不同生理性能對降溫的響應(yīng)速率.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(15):5179- 5188.

Qin Y L, Bai Y, Fu K K, Fu S J.The matebolize response of different physiological performances to decreased temperature inSpinibarbussinensis.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5179- 5188.