中華倒刺鲃能量代謝和熱耐受特征的體重效應(yīng)

龐 旭,付世建,劉小紅,蒲德永,張耀光,*

1 西南大學(xué)淡水魚類資源與生殖發(fā)育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,水產(chǎn)科學(xué)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn), 重慶 400715 2 西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,重慶三峽生態(tài)漁業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 重慶 400715 3 重慶師范大學(xué)進(jìn)化生理與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)室,動(dòng)物生物學(xué)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331

體型大小是有機(jī)體最明顯,亦是最重要的形態(tài)學(xué)特征;且具有豐富的生物學(xué)內(nèi)涵,對(duì)個(gè)體的生理功能及群體的生態(tài)效應(yīng)均存在深遠(yuǎn)影響[1-2]。能量代謝是維持一切生命體高度有序的前提條件和生理功能得以正常實(shí)現(xiàn)的根本保證[2]。靜止代謝率(Resting metabolic rate,RMR)指動(dòng)物在安靜、禁食狀態(tài)下的代謝能量消耗,在一定程度上反映其維持能量消耗和整體生理狀況[3-4];最大代謝率(Maximum metabolic rate,MMR)指動(dòng)物最大的代謝能量功率輸出,反映其有氧代謝能力[4];過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption,EPOC)指動(dòng)物運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期內(nèi)超過RMR的額外耗氧量,常作為研究脊椎動(dòng)物無氧代謝能力的生理學(xué)指標(biāo)并被廣泛關(guān)注[4- 6]。已有研究發(fā)現(xiàn),魚體重對(duì)這些能量代謝參數(shù)具有明顯影響且呈異速度增加的關(guān)系而變化,但增速(尺度指數(shù))大小的限制因素和生態(tài)內(nèi)涵尚存爭(zhēng)論[5- 8]。

溫度作為重要的生態(tài)因子之一,當(dāng)超過了環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)的閾值,生物將無法幸存。在魚類溫度耐受研究中常以臨界溫度(Critical temperature,CT)和致死溫度(Lethal temperature,LT)衡量其熱耐受能力[9]。其中臨界溫度上限(Critical thermal maximum,CTmax)和致死溫度上限(Lethal thermal maximum,LTmax)反映魚類的高溫耐受能力;而臨界溫度下限(Critical thermal minimum,CTmin)和致死溫度下限(Lethal thermal minimum,LTmin)反映魚類的低溫耐受能力。已有研究發(fā)現(xiàn),在魚類某些物種,體重對(duì)其熱耐受熱力參數(shù)有顯著影響;而另外一些物種,熱耐受特征的體重效應(yīng)并不明顯[10]。

中華倒刺鲃(Spinibarbussinensis)主要分布于我國長江上游及其支流,是營底棲生活,偏好流水生境,主要以水生高等植物為食的雜食性鯉科魚類[3]。魚類的代謝與熱耐受均存在身體與環(huán)境的能量交換,不同體重大小的魚在比表面積(表面積/體積)存在差異,進(jìn)而可能同步地影響其能量代謝和熱耐受特征[2,10]。本研究以不同大小(0.7—104.2 g)中華倒刺鲃為對(duì)象,測(cè)定能量代謝(RMR、MMR和EPOC)和熱耐受(CTmin、CTmax、LTmin和LTmax)特征參數(shù)并考察與其體重間的關(guān)系;旨在揭示不同體重的魚類在能量代謝和熱耐受方面的適應(yīng)機(jī)制,并為魚類生理生態(tài)學(xué)、功能生態(tài)學(xué)相關(guān)研究提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)魚的獲取與馴養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)用中華倒刺鲃?dòng)佐~(0.5—2.1 g,n=400)購于重慶合川水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng),購回后在自凈化循環(huán)控溫水槽中進(jìn)行馴養(yǎng),水溫為(25±0.5)℃。馴養(yǎng)期間每天以商業(yè)餌料在9:00飽足投喂1次,投喂1 h后用虹吸管清除殘餌和糞便;馴養(yǎng)用水為經(jīng)充分曝氣控溫的自來水,并用充氣泵向馴養(yǎng)水體持續(xù)泵入空氣以保證水體溶氧始終維持在7.0 mg/L以上,水體中氨氮濃度控制在0.025 mg/L以內(nèi)。日換水量約為水體總量的20%,晝夜光周期為自然光周期。同批次魚經(jīng)過為期2、6、12、30周的馴養(yǎng)處理后,獲得不同體重大小的實(shí)驗(yàn)魚(分為1、10、25、>50 g組,每組8尾)進(jìn)行能量代謝和熱耐受(每組高溫耐受和低溫耐受各4尾)參數(shù)測(cè)定。為了消除攝食消化對(duì)代謝和熱耐受的影響,實(shí)驗(yàn)魚在進(jìn)行參數(shù)測(cè)定前禁食24 h以上[11]。

1.2 代謝率的測(cè)定

采用流水式呼吸儀[12]對(duì)實(shí)驗(yàn)魚的耗氧率進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定實(shí)驗(yàn)魚體重、體長后將實(shí)驗(yàn)魚轉(zhuǎn)移至呼吸管(容積為魚體積的8—20倍),待其在呼吸室內(nèi)適應(yīng)12 h后測(cè)定以1 h的時(shí)間間隔測(cè)定實(shí)驗(yàn)魚耗氧率6次,其平均值作為RMR。RMR測(cè)定完成后,將每尾實(shí)驗(yàn)魚單獨(dú)放入環(huán)形水道(內(nèi)徑56 cm,外徑104 cm,最大流速80 cm/s)并用手進(jìn)行不斷追趕,使其在10 min以內(nèi)使其力竭[13],然后立即將力竭狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)魚放回呼吸室進(jìn)行恢復(fù)耗氧率的測(cè)定。監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)魚耗氧率的時(shí)間點(diǎn)分別為力竭運(yùn)動(dòng)后的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、90、120 min。測(cè)定時(shí)水溫始終維持在(25±0.5)℃,溶氧值用溶氧儀(HQ20, Hach Company, Loveland, CO, USA)測(cè)定,實(shí)驗(yàn)魚單尾耗氧率(mg h-1尾-1)或單位體重耗氧率(mg h-1kg-1)分別由以下公式進(jìn)行計(jì)算：

MO2(mg h-1尾-1)= ΔO2×v

(1)

MO2(mg h-1kg-1)= ΔO2×v/m

(2)

式中,MO2(mg h-1尾-1)為單尾魚耗氧率,MO2(mg h-1kg-1)為單位體重耗氧率,ΔO2為實(shí)驗(yàn)呼吸室和對(duì)照呼吸室(沒有魚)溶氧的差值(mg/L),v為呼吸室的流量(L/h),通過測(cè)定出水口在1 min內(nèi)流出的水量,計(jì)算其水體流速,m為實(shí)驗(yàn)魚體重(kg)。RMR和運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)耗氧率測(cè)定時(shí)呼吸室水流量分別為呼吸室系統(tǒng)體積0.5—1和3—5倍/min,經(jīng)計(jì)算每分鐘呼吸室內(nèi)水體交換率大于95%,但部分個(gè)體交換率尚未到達(dá)99%,因此對(duì)恢復(fù)期的耗氧率進(jìn)行相應(yīng)的校正[14]。

1.3 熱耐受的測(cè)定

代謝率參數(shù)測(cè)定完成后,下一天進(jìn)行熱耐受參數(shù)測(cè)定。熱耐受測(cè)定采用臨界溫度法[9],其中每一體重組4尾實(shí)驗(yàn)魚進(jìn)行低溫耐受測(cè)定,另外4尾魚進(jìn)行高溫耐受測(cè)定。測(cè)試時(shí),首先將每尾實(shí)驗(yàn)魚單獨(dú)轉(zhuǎn)移到水溫相同(25℃)的熱耐受測(cè)試系統(tǒng)中(水體約30 L)進(jìn)行高溫(或低溫)耐受測(cè)試。實(shí)驗(yàn)魚在測(cè)試系統(tǒng)中適應(yīng)1 h后,以0.3℃/min[9]的速率降溫(或升溫),在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中用充氣泵不斷向測(cè)試水體泵入空氣以保證水體溶氧飽和度>80%,并且每隔1 min用精密水銀溫度計(jì)(有效讀數(shù)為0.01℃,紹興市舜光儀器設(shè)備有限公司)監(jiān)測(cè)水溫,保證系統(tǒng)水體每3 min的升溫誤差范圍為控制在± 0.1℃。以實(shí)驗(yàn)魚初始失去平衡和鰓蓋停止呼吸時(shí)的溫度分別作為臨界溫度(CTmin或CTmax)和致死溫度(LTmin或 LTmax)[9]。

1.4 參數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析

MMR指在實(shí)驗(yàn)魚恢復(fù)過程中的最大耗氧率;代謝空間(MS)指MMR與RMR之間的差值;代謝恢復(fù)率(Metabolic recovery rate,MRR)指實(shí)驗(yàn)魚在恢復(fù)過程中單位時(shí)間代謝率恢復(fù)比率[15];EPOC指實(shí)驗(yàn)魚在恢復(fù)過程中超過RMR的額外耗氧量。

用Excel 2003對(duì)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作常規(guī)計(jì)算,再用STATISTICS 6.0軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析。體重對(duì)代謝和熱耐受參數(shù)的影響,用單因素方差分析;方差分析通過后,各體重組間進(jìn)行“多重比較(Duncan′s test)”。代謝參數(shù)與體重間的關(guān)系經(jīng)取雙對(duì)數(shù)后,將冪函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系,進(jìn)行線性回歸分析;熱耐受參數(shù)與體重間的關(guān)系進(jìn)行二次曲線回歸分析。所有數(shù)據(jù)結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean ± SE)表示,顯著水平定為P<0.05。

2 結(jié)果

2.1 代謝特征

結(jié)果顯示,各體重組實(shí)驗(yàn)魚運(yùn)動(dòng)后單尾和單位體重代謝率均立即增加到最大值,然后緩慢恢復(fù)到運(yùn)動(dòng)前水平(圖1)。隨體重的增加,實(shí)驗(yàn)魚單尾RMR、MMR、MS顯著增加,各體重組間差異均顯著(表1,P<0.05);單尾MRR顯著降低,>50 g體重組顯著低于其他體重組(表1,P<0.05);單尾EPOC顯著增加,10 g體重組與1 g和25 g體重組間差異不顯著,其余實(shí)驗(yàn)組間差異顯著(表1,P<0.05)。

單尾實(shí)驗(yàn)魚代謝率特征參數(shù)(RMR、MMR、MS、EPOC)和體重經(jīng)取雙對(duì)數(shù)后,ln(RMR)、ln(MMR)、ln(MS)、ln(EPOC)與ln(體重)間均呈顯著正相關(guān)(圖2,P< 0.001),代謝尺度因子,即方程斜率(括號(hào)內(nèi)為在95%置信區(qū)間的數(shù)值范圍)分別為0.796(0.757—0.836)、0.834(0.794—0.872)、0.849(0.795—0.904)、1.137(1. 033—1.241)。

隨體重的增加,單位體重RMR、MMR、MS顯著降低(表1,P<0.05);1 g體重組單位體重RMR顯著高于其余實(shí)驗(yàn)組(表1,P<0.05);單位體重MMR和MS在10 g體重組與25 g體重組間差異(分別)均不顯著,其余實(shí)驗(yàn)組間差異(分別)均顯著(表1,P<0.05);隨體重的增加,單位體重EPOC顯著增加,僅1g與>50 g體重組間差異顯著(表1,P<0.05)。

表1 體重對(duì)中華倒刺鲃力竭運(yùn)動(dòng)后過量耗氧的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,樣本數(shù)=8)

圖1 不同體重中華倒刺鲃力竭運(yùn)動(dòng)后代謝率恢復(fù)曲線 (平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,樣本數(shù)=8)Fig.1 The post-exercise metabolic rate curve of Qingbo with different body mass (Mean±SE, n=8)

圖2 中華倒刺鲃代謝特征與體重的關(guān)系Fig.2 The relationships between metabolic traits and body mass in Qingbo

2.2 熱耐受特征

結(jié)果顯示,體重對(duì)CTmin、LTmin均有顯著影響,25 g體重實(shí)驗(yàn)組的CTmin顯著低于1 g和>50 g體重實(shí)驗(yàn)組的CTmin,10 g體重實(shí)驗(yàn)組的CTmin顯著低于>50 g體重實(shí)驗(yàn)組的CTmin(表2,P< 0.05),其余實(shí)驗(yàn)組間差異不顯著;25 g體重實(shí)驗(yàn)組的LTmin顯著低于1 g和10 g體重實(shí)驗(yàn)組的LTmin,>50 g體重實(shí)驗(yàn)組的LTmin顯著低于1 g體重實(shí)驗(yàn)組的LTmin(表2,P<0.05), 其余實(shí)驗(yàn)組間差異不顯著。體重對(duì)CTmax、LTmax均有顯著影響,10 g體重實(shí)驗(yàn)組的CTmax顯著高于>50g體重實(shí)驗(yàn)組的CTmax,25 g體重實(shí)驗(yàn)組的CTmax顯著高于1 g和>50 g體重實(shí)驗(yàn)組的CTmax(表2,P< 0.05),其余實(shí)驗(yàn)組間差異不顯著;25 g體重實(shí)驗(yàn)組的LTmax顯著高于>50 g體重實(shí)驗(yàn)組的LTmax(表2,P< 0.05), 其余實(shí)驗(yàn)組間差異不顯著。

CTmin和LTmin與體重間的關(guān)系經(jīng)二次方程擬合均為“下凹”型曲線,其非線性成分(即二次相系數(shù))顯著性分別為：Pquadric<0.001和Pquadric=0.005(圖3)。CTmax和LTmax與體重間的關(guān)系經(jīng)二次方程擬合均為“上凸”型曲線,其非線性成分顯著性分別為：Pquadric=0.083和Pquadric=0.041(圖3)。

表2 體重對(duì)中華倒刺鲃熱耐受的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,樣本數(shù)=4)

圖3 中華倒刺鲃熱耐受特征與體重的關(guān)系Fig.3 The relationships between thermal tolerance traits and body mass in QingboCTmax：臨界溫度上限 Critical thermal maximum;CTmin：臨界溫度下限 Critical thermal minimum;LTmax：致死溫度上限 Lethal thermal maximum;LTmin：致死溫度下限 Lethal thermal minimum

3 討論

3.1 代謝特征的體重效應(yīng)

體重是影響動(dòng)物代謝率的重要因素之一,兩者之間存在一定的定量關(guān)系。代謝率與其體重的依賴一般為異速增長的冪函數(shù)關(guān)系(y=axb,y和x分別為代謝率和體重,a為常數(shù),b為尺度因子)[2]。動(dòng)物代謝率異速增長關(guān)系的核心問題在于尺度因子(b)的大小,早期的研究認(rèn)為動(dòng)物的RMR的尺度因子為2/3或3/4[2,16-17]。前者解釋為動(dòng)物與環(huán)境的能量交換近似正比于比表面積(表面積/體積);后者基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所提出的1/4冪分形理論[18]。機(jī)體的能量物質(zhì)和氧通過體內(nèi)分形、分級(jí)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(如：血管)運(yùn)輸?shù)饺砀魈?在進(jìn)化過程中效率最大化,并認(rèn)為代謝尺度因子為3/4普適于動(dòng)物代謝率的種內(nèi)和種間異速增長,據(jù)此提出“生態(tài)代謝理論(Metabolic theory of Ecology)”[19]。研究發(fā)現(xiàn),中華倒刺鲃RMR的尺度因子為0.796,與鯽(Carassiusauratus)[6]、鯉(Cyprinuscarpio)[5]、青魚(Mylopharyngodenpiceus)[7]RMR的尺度因子(分別為0.776、0.814、0.833)相似;大于圓口銅魚(Coreiusguichenoti)[5]RMR的尺度因子(0.728);而鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(Aristichthysnobilis)等魚類RMR的尺度因子(分別為0.868、0.860)大于中華倒刺鲃的尺度因子[5]。然而,這些魚類RMR的尺度因子均大于2/3,表明魚類的靜止代謝的異速增長關(guān)系的代謝尺度因子并不支持2/3比表面積理論。此外,“動(dòng)態(tài)能量預(yù)算(Dynamic energy budget)”理論認(rèn)為小個(gè)體具有相對(duì)更強(qiáng)的同化能力,而具有相對(duì)更強(qiáng)的單位體重代謝率[20];“活性器官(Organ size)”理論認(rèn)為小個(gè)體具有更高的活性器官比例[21];“細(xì)胞代謝(Cell metabolism)”理論認(rèn)為細(xì)胞大小和數(shù)量共同作用于RMR的尺度因子[5]。這些理論在一定程度上均能解釋動(dòng)物RMR對(duì)體重依賴性的異速增長,因此中華倒刺鲃RMR異速增長的內(nèi)在生理機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

研究發(fā)現(xiàn),中華倒刺鲃的MMR、MS均呈異速增長,尺度因子分別為0.834、0.849,這些代謝率尺度因子均大于2/3?！按x水平界限(Metabolic-level boundaries)”理論認(rèn)為動(dòng)物的比表面積和體積共同限定了尺度因子(前者限定值為2/3,后者限定值為1)[2]。而代謝水平?jīng)Q定了這兩個(gè)因子的相對(duì)重要性,動(dòng)物運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉能量的消耗決定MMR,而肌肉占魚體比例較大,導(dǎo)致在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)MMR、MS的尺度因子有所增加[2]。根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)原理,物體在流體中運(yùn)動(dòng)的功率與其表面積和速率的立方均呈正比,而表面積與其體積(體重)之間呈冪函數(shù)(冪為2/3)的關(guān)系。中華倒刺鲃EPOC尺度因子為1.137,也大于2/3,因此魚類功率輸出的尺度因子如果大于2/3,隨體重的增加,魚類的游泳速度也將隨之增加;這些結(jié)果表明,魚類個(gè)體變大能增強(qiáng)游泳能力,使其捕食、逃逸、繁殖等生理功能得以順利實(shí)現(xiàn)以提高其生存適合度[22]。

研究發(fā)現(xiàn),中華倒刺鲃單位體重MMR、MS(尺度因子小于1)隨體重增加而下降,單位體重EPOC(尺度因子大于1)則相反;表明中華倒刺鲃在早期生活史階段偏向于有氧代謝的功率輸出,而在成熟階段偏向于無氧代謝的功率輸出。此外,研究發(fā)現(xiàn)隨體重增加,中華倒刺鲃的MRR下降,表明隨體重增加盡管能增強(qiáng)無氧代謝能力,但同時(shí)也削弱其代謝恢復(fù)能力。因此,提示魚類的無氧代謝能力與其代謝恢復(fù)能力間可能存在權(quán)衡[23]。

3.2 體重對(duì)熱耐受特征的影響

對(duì)于變溫動(dòng)物魚類而言,在遭受溫度劇烈變化時(shí),熱耐受與代謝相比較是更為直接和劇烈的能量交換,同時(shí)也是被動(dòng)的能量交換。理論上分析,不同大小的魚類歸因于比表面的不同,影響能量效率和傳導(dǎo),因此大體重魚將會(huì)具有更強(qiáng)的熱耐受能力[9]。研究發(fā)現(xiàn),體重對(duì)中華倒刺鲃的熱耐受(CTmin、LTmin、CTmax、LTmax)具有顯著影響,但對(duì)這些參數(shù)在不同體重間變化相對(duì)較弱,CTmin組間變化范圍為1.12 ℃,其余組間變化范圍均未超過1.0 ℃。該結(jié)果與其他魚類物種研究結(jié)果相似,表明在種內(nèi),魚類對(duì)極端溫度承受能力變異較小,相對(duì)保守[9-10,24]。盡管如此,發(fā)現(xiàn)中華倒刺鲃的CTmin和LTmin與體重的關(guān)系呈非線性的“微笑型”曲線;而CTmax和LTmax與體重的關(guān)系呈非線性的“鐘型”曲線(圖3)。表明中等體重中華倒刺鲃具有更寬的熱耐受范圍(CTmax-CTmin和LTmax-LTmin),因此具有更強(qiáng)的熱耐受能力。中華倒刺鲃在早期生活史階段其生理調(diào)節(jié)功能發(fā)育尚未完善,因此可能具有更為敏感的熱耐受反應(yīng)。已有研究發(fā)現(xiàn),波動(dòng)性溫度馴化可以在一定程度上提高魚類的熱耐受能力[9],而長時(shí)間穩(wěn)定溫度馴化并未經(jīng)歷相應(yīng)的選擇與適應(yīng)[24],其熱耐受范圍相對(duì)較窄;本研究50g以上體重的中華倒刺鲃經(jīng)歷了更長時(shí)間的穩(wěn)定溫度馴化,應(yīng)對(duì)溫度聚變的生理調(diào)節(jié)功能可能遭到弱化,進(jìn)而引起熱耐受能力削弱。

綜上所述,中華倒刺鲃能量代謝和熱耐受特征與體重間存在復(fù)雜多變的關(guān)系,能量交換的比表面積效應(yīng)不是重要成因;內(nèi)在的生理機(jī)制和潛在的生態(tài)內(nèi)涵才是其關(guān)鍵。