環(huán)境脅迫對魚類免疫機制影響的研究進展

王艷玲　趙金良　趙巖

摘要：為深入了解環(huán)境脅迫對魚類免疫反應機制的影響針對目前魚類免疫系統(tǒng)研究現(xiàn)狀以及各環(huán)境脅迫因子下魚類免疫指標變化的一般規(guī)律進行綜述并為今后的研究提供一些方向。

關鍵詞：環(huán)境脅迫;免疫機制;影響

近年來隨著工業(yè)的發(fā)展和城市的擴張水體環(huán)境明顯惡化。魚類長期置身于水環(huán)境中對水體的變化反應靈敏。環(huán)境脅迫導致的水產動物疾病甚至死亡事件頻發(fā)養(yǎng)殖經濟損失巨大這已經成為水產養(yǎng)殖行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此研究如何提高抗病害能力增強魚體免疫力減輕環(huán)境脅迫帶來的不利影響是現(xiàn)下發(fā)展綠色水產養(yǎng)殖亟待解決的重大課題。目前關于環(huán)境脅迫對魚類生理學方面的影響已有較多研究脅迫因子對魚類免疫基因及調控網(wǎng)絡的研究相對較少。本文就當今魚類免疫系統(tǒng)研究現(xiàn)狀以及環(huán)境脅迫下魚類免疫指標的變化規(guī)律進行綜述。

1魚類免疫系統(tǒng)概述

魚類免疫系統(tǒng)主要由免疫器官及組織、免疫細胞和體液免疫因子三大類所構成。同哺乳動物一樣魚類主要通過固有免疫和適應性免疫行使免疫防御、免疫自穩(wěn)、免疫監(jiān)督的功能以抵御外界病原微生物的侵害保持魚體內環(huán)境的相對穩(wěn)定狀態(tài)維持機體正常的生命活動和生存發(fā)展[1]。

1.1魚類的免疫器官及組織

魚類的免疫器官及組織較為簡單主要由胸腺、頭腎、脾臟以及黏膜相關淋巴組織（MALT）等構成。以往研究普遍認為胸腺是魚類的中樞免疫器官。魚類的胸腺由淋巴細胞、原漿細胞以及其它游離間充質細胞組成[2]在魚類免疫應答中主要負責淋巴細胞的成熟分化進而發(fā)揮細胞免疫的功能。盧全章[2]研究發(fā)現(xiàn)對正常1齡草魚實行饑餓脅迫后其胸腺重量減少胸腺明顯萎縮退化影響魚體免疫功能。頭腎被認為是魚類初級的外周免疫器官主要由淋巴組織構成如鯉（Cyprinus carpio）[3]、四指馬鲅（Eleutheronema tetradactylum）[4]、羅非魚（Tilapia）[5]等它是免疫細胞發(fā)生、分化和增殖的重要場所也是捕獲抗原和產生抗體的主要器官在免疫應答過程中發(fā)揮協(xié)同作用。脾臟作為魚體的次級外周免疫器官在清除大分子物質、促進抗體生成中起著重要作用。魚類脾臟是紅細胞、粒細胞等免疫細胞的產生、貯存和成熟的主要場所[6]。黏膜相關淋巴組織（MALT）指魚體中不具備完整淋巴結構的較為分散的淋巴生發(fā)中心主要指皮膚、腸和鰓淋巴組織[7]。

1.2魚類免疫細胞

免疫細胞是指直接或間接參與免疫應答的細胞主要分布在免疫器官、組織液、血液和淋巴液中。魚類免疫細胞主要包括淋巴細胞和吞噬細胞兩大類。

淋巴細胞（Lymphocyte）是魚類數(shù)量較多的一類白細胞參與機體特異性免疫反應在機體免疫應答中起核心作用。淋巴細胞對魚類自身生理狀態(tài)變化和外界環(huán)境因子刺激十分敏感其細胞活性的高低可以在一定程度上反映機體的免疫水平。已經證實魚類的淋巴細胞包括T細胞和B細胞兩大類[8]。在硬骨魚類淋巴細胞中能產生免疫球蛋白的為B淋巴細胞不能產生免疫球蛋白的為T淋巴細胞。B淋巴細胞是體液免疫應答的主要效應細胞在頭腎中發(fā)育形成;T淋巴細胞是細胞免疫的主要效應細胞在胸腺內分化、增生、成熟。

吞噬細胞（Phagocyte）是魚類非特異性防御系統(tǒng)的重要組成成分包括單核細胞、巨噬細胞、粒細胞等執(zhí)行吞噬代謝的功能。一般來說魚類通過激活巨噬細胞和粒細胞的表達來增強機體免疫反應。單核細胞是一類普遍存在于所有硬骨魚血液的細胞具粘附吞噬功能[9]。環(huán)境脅迫通常會導致單核細胞增多。魚類的巨噬細胞種類繁多機體受到外源刺激時巨噬細胞可通過識別并傳遞抗原、調節(jié)淋巴細胞活性及控制自身的增殖與分化等途徑來對機體免疫系統(tǒng)進行調控以保護機體不受損傷[10]。粒細胞在硬骨魚中分布較廣泛根據(jù)來源、形態(tài)以及細胞內顆粒的染色特征可分為嗜酸性、嗜中性、嗜堿性三大類。張永安等認為大部分硬骨魚僅有嗜酸性粒細胞極少數(shù)有嗜堿性粒細胞[10];周玉等認為嗜中性粒細胞是硬骨魚類最主要的粒細胞而嗜酸性粒細胞和嗜堿性粒細胞的存在因魚的種類而異[11]。

目前大多數(shù)研究都是通過觀察免疫器官或組織內免疫細胞的形態(tài)和數(shù)量來判斷其免疫機能強弱。Pickering等[12]發(fā)現(xiàn)虹鱒遭受擁擠脅迫3周后淋巴細胞數(shù)目明顯減少。斑點叉尾鮰在運輸18 h后血液中T淋巴細胞和B淋巴細胞數(shù)目均出現(xiàn)一定幅度的下降。孫紅梅等[13]研究發(fā)現(xiàn)黃顙魚在長期饑餓影響下吞噬細胞數(shù)量減少魚體免疫機能嚴重下降。

1.3魚類體液免疫因子

涉及生物免疫的基因眾多如7次跨膜超蛋白家族成員4（TM7SF4）、L-Threonine dehydrogenase（TDG）、干擾素γ誘導蛋白（IFI30）等。TM7SF4有助于免疫功能調節(jié)和骨髓分化等生理過程[14];TDG催化蘇氨酸（免疫球蛋白生成的主要限制性氨基酸）分解間接影響機體免疫反應;IFI30控制組織相容性復合體MHC-Ⅰ 和MHC-Ⅱ限制性抗原加工交叉遞呈進而調節(jié)適應性免疫[15]。張新尚[16]利用嗜水氣單胞菌（A.hydrophila）侵染斑馬魚發(fā)現(xiàn)btr20基因有助于調節(jié)魚體固有性免疫信號通路其編碼的蛋白質以E3泛素連接酶的形式調節(jié)機體免疫;陳松林[17]研究發(fā)現(xiàn)真鯛、牙鲆以及大菱鲆的抗菌肽hepcidin基因、天然抗性相關巨嗜蛋白（NRAMP）基因等與機體抵抗病原體感染有關。與高等哺乳動物相比魚類主要依賴非特異性免疫抵御外界不良環(huán)境和病原侵害而非特異性免疫因子是魚類非特異性免疫的主要承擔者。魚類非特異性免疫因子主要包括組織相容性復合體、溶菌酶、補體、干擾素等這些免疫因子已經在魚類中有著廣泛而較為深入的研究。

魚類主要組織相容性復合體（major histocompatibility complexMHC）參與調節(jié)機體免疫激發(fā)機體特異性免疫反應在免疫學上具有極為重要的意義[18]。Rodrigues等[19]在鯉魚的胸腺、外周血液、后腸中均檢測到MHCⅡβ基因的表達該結果一定條件下也適用于虹鱒[9]。Koppang等[20]應用RT-PCR技術分析免疫與非免疫大西洋鮭MHCⅡβ基因表達水平發(fā)現(xiàn)有較強的組織特異性。

溶菌酶（lysozyme）活力的高低是衡量水生動物機體免疫功能的指標之一魚體中溶菌酶的活力和水平直接影響到魚類的免疫能力及健康狀況。有研究表明梭鱸（Lucioperca lucioperca）的溶菌酶活力顯著高于河鱸（Perch fluviatilis L.）其抗病力更強[21]。一般認為魚體在急性脅迫狀態(tài)下常表現(xiàn)為血液溶菌酶水平的升高。王文博等[22]研究發(fā)現(xiàn)擁擠脅迫組呈現(xiàn)“U”形趨勢即脅迫初期草魚處于應激狀態(tài)溶菌酶水平升高隨時間延長魚體產生一定的耐受性溶菌酶水平趨于降低。王晶等[23]指出免疫和未免疫的尼羅羅非魚的溶菌酶活性在禁食脅迫7 d后顯著下降免疫反應受到抑制。

補體（complement）是魚類抵抗外界不良生存環(huán)境的重要成分存在于血清中。補體系統(tǒng)主要依靠經典途徑、替代途徑和凝集素途徑被激活。對金頭鯛的研究表明[24]高密度的養(yǎng)殖環(huán)境顯著降低了實驗魚的替代途徑補體活力致使機體免疫力下降。另外Sahu等[25]指出補體C3參與補體系統(tǒng)激活補體C3本身不具備活性只有轉化為補體C3a或C3b時才能發(fā)揮作用研究發(fā)現(xiàn)鱒魚C3a對吞噬細胞活動有一定的促進作用[26]。C3a和C3b發(fā)揮生物學功能形成包含補體C9在內的膜攻擊復合物（MAC）胡欣欣等[27]指出補體C9與尼羅羅非魚的抗感染能力有極大的相關性。

干擾素（InterferonsIFNs）是一種高效的非特異性免疫因子主要由巨噬細胞分泌在魚體抵抗不良環(huán)境的過程中發(fā)揮重要作用。余嘉欣等[28]研究發(fā)現(xiàn)尼羅羅非魚γ-干擾素的mRNA在脾臟中表達水平最高其次是腸、鰓和腎。經無乳鏈球菌感染后利用實時熒光定量PCR技術檢測到尼羅羅非魚γ-干擾素在脾臟、鰓、腎中的表達上調了6～15倍說明在不利環(huán)境下魚類可通過干擾素基因的高表達來增強機體免疫力。

2環(huán)境脅迫對魚類免疫系統(tǒng)的影響

在一定的環(huán)境條件下由于外界環(huán)境因素的負面影響使動物無法維持正常的生理狀態(tài)稱為環(huán)境脅迫（environmental stress）也叫環(huán)境應激[29]。脅迫可打破個體與環(huán)境間的平衡狀態(tài)從而導致魚體生理機能紊亂使得魚類免疫機能下降甚至死亡。目前在水產養(yǎng)殖業(yè)中面臨的環(huán)境脅迫因素主要為水溫變化、溶氧、氨氮、鹽堿度等。

2.1溫度

魚作為變溫動物對養(yǎng)殖水體溫度變化十分敏感水溫變化和魚體免疫機能之間的關系已成為當前的熱點問題。魚類存在免疫臨界溫度且不同種類的魚擁有不同的免疫臨界溫度。一般來說溫水性魚類的免疫臨界溫度較高冷水性魚類則相對較低。研究表明草魚（Ctenopharyngodon idellus）的免疫臨界溫度為10 ℃當環(huán)境溫度低于10 ℃時魚體的免疫應答反應下降明顯[30];Hrubec等[31]發(fā)現(xiàn)魚類抗體水平在最適免疫臨界溫度下達到峰值在適宜溫度范圍內抗體滴度隨溫度升高而增大Sommer[32]的研究也證明了這一結論說明溫度會影響魚體的特異性免疫;彭婷等[33]對羅非魚（Oreochromis niloticus）進行低溫脅迫處理發(fā)現(xiàn)10 ℃與12 ℃下脾臟系數(shù)差異顯著即溫度影響了魚體免疫器官的發(fā)育;Pettersen等[34]發(fā)現(xiàn)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中高溫脅迫導致大西洋鮭（Salmo salar L.）外周血液中性粒細胞增加、免疫球蛋白減少;Le Morvan等[35]等發(fā)現(xiàn)鯉魚（Cyprinus capio）在（12±0.5）℃低溫條件下可增強對p8l5靶細胞的非特異性毒性細胞的活性而在（28±0.5）℃的高溫和（20±0.5）℃的最適溫度下其活性沒有顯著變化說明溫度會影響魚體的非特異性免疫。

2.2溶氧

溶氧作為外源的水質因子是水產動物生存發(fā)展的重要限制因素之一合適的溶氧是提高魚體產量的必要條件。Scapigliati等[36]認為養(yǎng)殖環(huán)境中的溶氧會影響舌齒鱸 （Dicentrarchus labrax）血清中的免疫球蛋白水平。沈凡等[37]認為慢性低氧脅迫會抑制黃顙魚（Pelteobagrus fulvidraco）免疫機能。Ortuo等[24]研究發(fā)現(xiàn)缺氧會顯著抑制金頭鯛頭腎中的白細胞呼吸爆發(fā)活性降低其免疫力。王文博等[22]研究發(fā)現(xiàn)在慢性擁擠脅迫導致的低氧脅迫下草魚的脾臟系數(shù)顯著降低推測高密度養(yǎng)殖環(huán)境可能引起養(yǎng)殖魚類脾臟萎縮或退行性改變對機體免疫造成消極影響。以上結果均表明魚體免疫機能與水體溶氧含量密切相關低氧會抑制免疫使魚類患病甚至死亡的比例上升。

2.3氨氮

氨氮脅迫是水環(huán)境脅迫的一種重要表現(xiàn)形式氨氮濃度偏高會影響魚類生長發(fā)育嚴重時導致魚類死亡。陳家長等[38]研究了短時間不同氨氮濃度對吉富羅非魚 （Oreochromis niloticus） 血清溶菌酶和補體C3活性等非特異性免疫指標的變化結果表明氨氮濃度過高會降低魚體免疫能力。肖煒等[39]在前者的實驗基礎上進一步研究了長時間低濃度氨氮脅迫對吉富羅非魚的免疫影響發(fā)現(xiàn)30 d后實驗組幼魚血液中白細胞數(shù)均顯著高于對照組表明慢性氨氮脅迫會抑制吉富羅非魚幼魚的非特異性免疫。此外韓春艷等[40]對奧尼羅非魚急性氨氮脅迫實驗發(fā)現(xiàn)隨著脅迫時間延長實驗組奧尼羅非魚血清溶菌酶活力顯著降低黎慶等[41]發(fā)現(xiàn)慢性氨氮脅迫組實驗魚肝臟中的溶菌酶活性、頭腎巨噬細胞吞噬指數(shù)和呼吸爆發(fā)顯著降低均說明高濃度氨氮脅迫會抑制魚體的的免疫應答。

2.4鹽、堿度

鹽度是水產養(yǎng)殖重要的環(huán)境因素之一鹽度變化主要造成水產動物的滲透脅迫進而引發(fā)應激鹽度升高或降低均能引起非特異性免疫因子C3、溶菌酶等變化彰顯了水產養(yǎng)殖中維持穩(wěn)定環(huán)境的重要性。有研究指出急性低鹽脅迫可引發(fā)軍曹魚 （Rachycentron canadum）稚魚[42]、許氏平鲉 （Sebastes schlegelii）[43]溶菌酶活性升高體液免疫增強。陳慶凱等[44]認為鹽度過低會對黃姑魚 （Nibea albiflora） 幼魚的血清免疫和抗氧化水平造成傷害。童燕等[45]得出高鹽脅迫抑制施氏鱘 （Acipenser schrenckii） 幼魚的非特異性免疫機能的結論。王曉杰等[43]在鹽度脅迫實驗中觀察到溶菌酶活力在脅迫24 h時達到峰值后逐漸下降。索晏彤等[46]研究發(fā)現(xiàn)尼羅羅非魚遭受鹽度刺激產生應激反應時魚體的脾臟體積顯著增大且脾臟中含有沉積顆粒的異常巨噬細胞和中性粒細胞增多。對大黃魚進行鹽度梯度實驗發(fā)現(xiàn)第2周時各鹽度處理組之間溶菌酶活力存在顯著差異[47]。

堿度是影響魚類正常生長發(fā)育的重要水質指標。李文祥等[48]研究發(fā)現(xiàn)高堿脅迫下異育銀鯽（Carassius auratus gibelio）白細胞吞噬活性、血漿溶菌酶活性顯著降低嚴重抑制其非特異性免疫功能。Zhao等[49]分析了堿脅迫下尼羅羅非魚 （Oreochromis niloticus） 轉錄組變化發(fā)現(xiàn)免疫相關基因差異表達顯著;郭雯翡等[50]提出了構建抑制消減cDNA文庫的方法通過篩選有效功能基因發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫下青海湖裸鯉 （Gymnocypris przewalskii） 免疫相關基因表達下調。

3總結和展望

目前大多數(shù)環(huán)境脅迫對魚類免疫機制影響的研究結果可概括為：環(huán)境脅迫會刺激魚體下丘腦-垂體-腎間組織軸導致血液皮質類固醇水平顯著上升;環(huán)境脅迫引發(fā)抗氧化水平發(fā)生變化;環(huán)境脅迫可使魚類免疫組織器官受損免疫細胞的組成發(fā)生改變補體、溶菌酶等體液免疫因子的活性受到影響。今后以下幾個問題還有待深入研究：（1）魚類適應不同環(huán)境脅迫的過程中參與應答的免疫相關基因有哪些相應的基因網(wǎng)絡調控機制是怎樣的;（2）實際養(yǎng)殖環(huán)境因素復雜不同環(huán)境脅迫因子共同作用具有疊加作用對魚類免疫機制的影響也更為復雜;（3）如何提高魚類的免疫力來適應環(huán)境脅迫。對于上述問題的研究有助于深入理解魚類應答和適應環(huán)境脅迫的機制也為推進水產綠色健康養(yǎng)殖提供科學依據(jù)。

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Abstract：In order to further understand the effect of environmental stress on fish immune response mechanism，this paper describes the current situation of fish immune system research and the general law of fish immune index changes under various environmental stress factors，and provides some directions for future research.

Key words：environmental stress;immunity mechanism; effect

（收稿日期：2020-05-09）