饑餓對(duì)鯉幼魚內(nèi)臟器官指數(shù)和力竭運(yùn)動(dòng)后代謝特征的影響

李秀明 付世建 張耀光

(1.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(dòng)物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331;2.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, 重慶 400715)

由于食物資源分布的時(shí)空異質(zhì)性, 野生動(dòng)物經(jīng)常面臨食物匱乏甚至饑餓的脅迫。作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 魚類通常表現(xiàn)出對(duì)長(zhǎng)期饑餓環(huán)境的顯著適應(yīng)能力[1]。一些魚類能夠忍受連續(xù)數(shù)月甚至一年的饑餓狀態(tài)[1—3]。長(zhǎng)期的食物缺乏會(huì)導(dǎo)致魚類組織器官形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能及行為模式產(chǎn)生適應(yīng)性變化。大量研究發(fā)現(xiàn), 饑餓通常會(huì)導(dǎo)致魚類體重顯著下降, 同時(shí)其消化器官結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)萎縮,導(dǎo)致其消化功能的下調(diào)[1,3,4]。但是由于魚類生活習(xí)性的差異, 饑餓對(duì)魚體各個(gè)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(dòng)的過程中經(jīng)常會(huì)達(dá)到力竭狀態(tài), 通常將力竭運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期間超過運(yùn)動(dòng)前耗氧水平的耗氧量稱為力竭運(yùn)動(dòng)后過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption, EPOC)[7,8]。EPOC的相關(guān)參數(shù)包括力竭運(yùn)動(dòng)代謝峰值、峰值時(shí)間、代謝率增量和過量耗氧等[9—11]。力竭運(yùn)動(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo),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(shù)與魚類的運(yùn)動(dòng)能力密切相關(guān), 對(duì)其生存具有重要的生態(tài)學(xué)意義, 因此一直受到研究者的廣泛關(guān)注[7,8,15,16]。魚類EPOC特征不僅與其生活習(xí)性相關(guān), 還受到流速、溫度和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等因素的顯著影響[10,13,15—17]。目前有關(guān)饑餓影響魚類力竭運(yùn)動(dòng)后代謝特征的研究資料還相對(duì)較少[9,18]。

鯉(Cyprinus carpio)屬于鯉形目, 鯉科, 是我國(guó)重要的淡水經(jīng)濟(jì)魚類之一。有關(guān)饑餓對(duì)商品規(guī)格鯉消化道器官指數(shù)的影響已有報(bào)道[19], 有關(guān)鯉幼魚在饑餓過程中魚體內(nèi)臟器官指數(shù)和EPOC特征變化尚未有研究涉及。以鯉幼魚為實(shí)驗(yàn)對(duì)象, 研究不同饑餓時(shí)間對(duì)其魚體內(nèi)臟器官指數(shù)和EPOC特征的影響, 以期豐富其饑餓生理學(xué)資料, 并為其生產(chǎn)實(shí)踐提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鯉幼魚購(gòu)于重慶市北碚區(qū)歇馬魚種場(chǎng)。在室內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)(2000 L)中馴養(yǎng)4周。馴養(yǎng)期間用顆粒飼料(四川通威集團(tuán), 成都)于每天09:00和17:00各飽足喂養(yǎng)1次, 飼料主要組成為(41.2±0.9)%粗蛋白質(zhì)、(8.5±0.5)%粗脂肪、(25.7±1.2)%碳水化合物和(12.3±0.4)%灰分。養(yǎng)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(shè)置為12L∶12D。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在馴養(yǎng)期結(jié)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(zhǎng)(9.39±0.08) cm],隨機(jī)平均分成5組, 即: 對(duì)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(shí)驗(yàn)魚), 每尾實(shí)驗(yàn)魚分別放置于單獨(dú)的單元格內(nèi)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(shí)驗(yàn)魚均存活。實(shí)驗(yàn)期間水體溫度、溶氧和光照周期等條件與馴養(yǎng)期間一致。

在相應(yīng)的饑餓處理結(jié)束后, 將實(shí)驗(yàn)魚單獨(dú)放入魚類流水式呼吸代謝儀的呼吸室(0.2 L)內(nèi)馴化1d。用溶氧測(cè)定儀(HQ30d, Hach Company, Loveland, CO, USA)測(cè)定其耗氧率作為其運(yùn)動(dòng)前代謝率(測(cè)定方法見后)。隨后參考相關(guān)文獻(xiàn)[14]測(cè)定實(shí)驗(yàn)魚的EPOC反應(yīng), 方法簡(jiǎn)述如下: 首先將實(shí)驗(yàn)魚單獨(dú)放入一個(gè)環(huán)形水道(體積約120 L, 流速約65 cm/s)中用手進(jìn)行追趕2—3min, 當(dāng)魚體失去平衡或者觸碰魚體時(shí)不再有明顯地應(yīng)激反應(yīng)時(shí)判定其達(dá)到力竭狀態(tài), 隨后立即將實(shí)驗(yàn)魚放回流水式呼吸代謝儀的呼吸室中并計(jì)時(shí), 在達(dá)到力竭狀態(tài)后的前10min內(nèi)每分鐘分別測(cè)定一次耗氧率, 在10—60min內(nèi)每5min分別測(cè)定一次耗氧率, 最后測(cè)定計(jì)算各處理組鯉幼魚內(nèi)臟指數(shù)。所有指標(biāo)測(cè)定樣本數(shù)均為7尾。

1.3 指標(biāo)測(cè)量與參數(shù)計(jì)算

采用耗氧率作為實(shí)驗(yàn)魚代謝率指標(biāo), 參考相關(guān)文獻(xiàn)[20]用自主研制的魚類呼吸代謝儀測(cè)定完成。實(shí)驗(yàn)魚代謝率[mg O2/(kg.h)]計(jì)算公式如下:

式中,Rm(mg O2/h)表示實(shí)驗(yàn)魚的代謝率, ΔO2(mg O2/L)表示裝有實(shí)驗(yàn)魚呼吸室和對(duì)照呼吸室(沒有實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)魚體質(zhì)量差異較大造成的影響, 用0.75作為體質(zhì)量系數(shù)將實(shí)驗(yàn)魚代謝率標(biāo)準(zhǔn)化為1 kg體質(zhì)量[14,20]。校正后代謝率計(jì)算公式如下:

式中,Rs[mg O2/(kg.h)]表示標(biāo)準(zhǔn)體重代謝率,w表示實(shí)驗(yàn)魚體重(kg)。

力竭運(yùn)動(dòng)前后實(shí)驗(yàn)魚代謝率計(jì)算參數(shù)包括:(1)運(yùn)動(dòng)前代謝率[mg O2/(kg·h)]: 實(shí)驗(yàn)魚力竭運(yùn)動(dòng)前的代謝率; (2)運(yùn)動(dòng)代謝峰值[mg O2/(kg·h)]: 實(shí)驗(yàn)魚在力竭運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)過程中觀察到的最大代謝率;(3)峰值時(shí)間(min): 運(yùn)動(dòng)代謝峰值出現(xiàn)的時(shí)間; (4)代謝率增量[mg O2/(kg·h)]: 力竭運(yùn)動(dòng)前代謝率和力竭運(yùn)動(dòng)后代謝峰值之間的差值; (5)峰值比率: 力竭運(yùn)動(dòng)前代謝率和力竭運(yùn)動(dòng)后代謝峰值之間的比值;(6)過量氧耗(mg O2/kg): 實(shí)驗(yàn)魚在力竭運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)過程中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)高于運(yùn)動(dòng)前代謝率的差值在時(shí)間上的積分。其具體計(jì)算方法參見相關(guān)參考文獻(xiàn)[13, 14]。

鯉幼魚內(nèi)臟器官指數(shù)的計(jì)算, 將EPOC測(cè)定結(jié)束后的單尾實(shí)驗(yàn)魚放入麻醉劑(MS-222, 200 mg/L)溶液中麻醉致死。稱魚體質(zhì)量后解剖分別將其心臟、鰓、內(nèi)臟團(tuán)、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(gè)內(nèi)臟器官指數(shù)計(jì)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(nèi)臟團(tuán)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(shù)(%),VI(Viscus index)表示內(nèi)臟團(tuán)指數(shù)(%),LI(Liver index)表示肝臟指數(shù)(%),DI(Digestive tract index)表示消化道指數(shù)(%),HI(Heart index)表示心臟指數(shù)(‰),GI(Gill index)表示鰓指數(shù)(‰)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCELL(2007)進(jìn)行常規(guī)計(jì)算,用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Mean±SE)表達(dá), 采用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。饑餓對(duì)所有參數(shù)的影響采用單因素方差分析, 若差異顯著則進(jìn)行多重比較(LSD法), 顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 內(nèi)臟器官指數(shù)

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(shí)驗(yàn)魚的BL在各個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組之間差異不顯著(P＞0.05)。

2.2 力竭運(yùn)動(dòng)前代謝率

從表2可知, S1饑餓組的幼魚運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)后代謝率特征

從圖1可知, 所有組幼魚力竭運(yùn)動(dòng)后的代謝率都表現(xiàn)為迅速上升, 達(dá)到峰值后急劇下降并逐漸恢復(fù)到力竭運(yùn)動(dòng)前的代謝水平。從表2可知, S1饑餓組的幼魚運(yùn)動(dòng)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(shí)間在S0組和各個(gè)饑餓處理組之間差異不顯著(P＞0.05)。各個(gè)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(shí)間對(duì)鯉幼魚內(nèi)臟器官指數(shù)的影響(n=7, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)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(duì)鯉幼魚內(nèi)臟器官指數(shù)的影響

本研究發(fā)現(xiàn), 饑餓導(dǎo)致鯉幼魚體重和各個(gè)器官絕對(duì)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(jié)果相似。本研究表明,鯉幼魚空殼指數(shù)隨著饑餓時(shí)間的延長(zhǎng)顯著增加, 而內(nèi)臟團(tuán)指數(shù)卻顯著下降。這表明饑餓過程中鯉幼魚內(nèi)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(xiàn)象在白鱘[5]和虹鱒(Oncorhynchus mykiss)[24]中也被發(fā)現(xiàn)。作為內(nèi)臟器官的重要組成部分, 魚類消化系統(tǒng)相關(guān)組織器官往往最先對(duì)饑餓脅迫做出響應(yīng)[4]。處于饑餓狀態(tài)的魚類消化道重量大約會(huì)減少40%—60%, 最大降幅可以達(dá)到74%[3,4]。本研究發(fā)現(xiàn), 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(shù)研究結(jié)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(shù)卻顯著增加, 研究者認(rèn)為消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的相對(duì)保持可能更有利于其在恢復(fù)攝食后快速消化食物促進(jìn)生長(zhǎng)[21]。本研究發(fā)現(xiàn), 鯉幼魚的消化道濕重及其指數(shù)在饑餓過程中都顯著降低, 暗示其消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的快速下調(diào), 這可能與其較小的攝食量和頻繁的攝食習(xí)性相關(guān)。肝臟作為一個(gè)重要的消化器官,也往往會(huì)受到食物資源變動(dòng)的影響。有關(guān)商品規(guī)格鯉[體重(316.39±15.73) g]的研究發(fā)現(xiàn), 饑餓導(dǎo)致其肝臟指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[19]。本研究也發(fā)現(xiàn), 鯉幼魚[體重(21.34±0.42) g]肝臟指數(shù)隨著饑餓時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著降低, 這可能與肝臟中能源物質(zhì)的消耗和肝臟細(xì)胞的萎縮有關(guān)。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(jié)果相似。心臟和鰓是魚類循環(huán)和呼吸系統(tǒng)重要的組成部分, 其形態(tài)和功能受到各種內(nèi)在和外在因素的顯著影響[28,29]。南方鲇在經(jīng)過8周的饑餓處理后其心臟和鰓指數(shù)都顯著增加[21]。本研究發(fā)現(xiàn), 長(zhǎng)期饑餓處理卻并沒有對(duì)鯉幼魚心臟和鰓指數(shù)產(chǎn)生顯著影響, 其心臟和鰓相對(duì)大小及其功能的維持可能有利于其游泳等日?；顒?dòng)的實(shí)現(xiàn)。這種現(xiàn)象在Petersen等[25]對(duì)虹鱒的研究中也被發(fā)現(xiàn)。總體而言, 在饑餓環(huán)境條件下魚類各個(gè)器官指數(shù)變化并不一致, 這可能與其種類和各個(gè)器官功能差異相關(guān)。

3.2 饑餓對(duì)鯉幼魚力竭運(yùn)動(dòng)前后代謝特征的影響

運(yùn)動(dòng)前代謝率也可稱為靜止代謝率, 作為魚類的一個(gè)基本生理參數(shù), 它代表著魚類進(jìn)行氣體交換、體液循環(huán)、蛋白質(zhì)合成、離子梯度維持和滲透作用等基本生命活動(dòng)的日常能量消耗[30,31]。大量研究發(fā)現(xiàn), 魚類會(huì)下調(diào)各種生理功能, 降低日常的維持代謝耗能以應(yīng)對(duì)饑餓環(huán)境脅迫[21,32,33]。一些魚類在面臨饑餓環(huán)境時(shí)其靜止代謝率表現(xiàn)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(nèi)靜止代謝率無顯著差異, 出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的“平臺(tái)期”[18], 饑餓前期日常代謝耗能的維持可能更加有利于恢復(fù)攝食后各項(xiàng)生理功能的快速啟動(dòng)。本研究發(fā)現(xiàn), 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(duì)穩(wěn)定的“平臺(tái)期”出現(xiàn)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(yīng)對(duì)饑餓脅迫環(huán)境的生理策略之一。不同生活習(xí)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(yīng)性策略的差異。

表2 不同饑餓時(shí)間對(duì)鯉幼魚力竭運(yùn)動(dòng)后代謝參數(shù)的影響(n=7, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)后代謝峰值和代謝率增量是其有氧代謝能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[13,14]。有研究發(fā)現(xiàn), 一些魚類運(yùn)動(dòng)代謝峰值和代謝率增量在饑餓期間往往呈現(xiàn)逐步降低的變化趨勢(shì), 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(jìn)而限制其游泳運(yùn)動(dòng)等生理功能的執(zhí)行, 比如尼羅羅非魚和南方鲇[9,33]。本研究表明, 隨著饑餓時(shí)間的延長(zhǎng), 鯉幼魚運(yùn)動(dòng)代謝峰值和代謝率增量都呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢(shì)。運(yùn)動(dòng)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(jìn)了鯉幼魚最大有氧代謝能力的改善和有氧代謝空間的擴(kuò)大, 這可能有利于其覓食和運(yùn)動(dòng)等生理功能的進(jìn)行。這與鲇的饑餓研究結(jié)果相似[18]。

圖1 不同饑餓時(shí)間對(duì)鯉幼魚力竭運(yùn)動(dòng)后代謝的影響(n=7, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Excess post-exercise oxygen consumption (EPOC) in juvenile Cyprinus carpio after starvation (n=7, Mean±SE)

魚類無氧運(yùn)動(dòng)能力與其穿越激流、伏擊捕食及逃避敵害等生命活動(dòng)密切相關(guān)。作為評(píng)價(jià)魚類無氧運(yùn)動(dòng)能力的重要指標(biāo), EPOC也受到多種生態(tài)因素的顯著影響[9—11,15]。迄今為止, 饑餓對(duì)魚類EPOC的影響并沒有得出一致的結(jié)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(xiàn)顯著提高[10]。關(guān)于鲇的研究發(fā)現(xiàn), 饑餓1、2、4周后其EPOC顯著增加了145%、122%和126%, 研究者認(rèn)為這可能是一種饑餓的補(bǔ)償效應(yīng),其持續(xù)時(shí)間約為 3周[18]。本研究發(fā)現(xiàn), 饑餓雖然沒有對(duì)鯉幼魚的EPOC產(chǎn)生顯著性影響, 但總體上也呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。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(dǎo)致鯉幼魚無氧代謝能力的提升, 進(jìn)而提高其無氧運(yùn)動(dòng)能力, 這可能是其對(duì)食物短缺環(huán)境的適應(yīng)策略之一。

致謝:

感謝西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蒲德永老師和2010級(jí)本科生舒小娟同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)的幫助。