溫度對福壽螺生物學(xué)特性的影響及高低溫適應(yīng)機制研究進展

楊倩倩 李迦南 趙星星 蒲佳佳 喬東東 俞曉平

(1. 中國計量大學(xué), 浙江省生物計量及檢驗檢疫技術(shù)重點實驗室, 杭州 310018; 2. 中國濕地博物館, 杭州 310013)

福壽螺隸屬于軟體動物門Mollusca腹足綱Gastropoda新進腹足目Caenogastropoda瓶螺科Ampullariidae福壽螺屬Pomacea, 是原產(chǎn)于南美洲亞馬孫流域的一類大型淡水螺[1]。福壽螺最早于20世紀(jì)80年代作為食用螺經(jīng)我國臺灣引入亞洲各地養(yǎng)殖[2],但隨著商業(yè)價值的降低, 被大量棄養(yǎng)或逃逸到田間[3]。由于取食范圍廣、生長速度快、繁殖能力強, 并且具有極強的環(huán)境耐受力, 福壽螺能夠在新生境成功定殖并快速擴散[4], 當(dāng)前已入侵亞洲、北美、歐洲及大洋洲的許多國家和地區(qū), 嚴重威脅入侵地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物多樣性及人民身體健康。作為我國首批公布的外來入侵物種之一, 福壽螺在過去40余年已在我國南方稻區(qū)廣泛擴散。

環(huán)境溫度影響生物的生存、生長、發(fā)育和繁殖, 是決定福壽螺地理分布范圍的重要生態(tài)因子。溫度相關(guān)的氣候參數(shù)是用于預(yù)測福壽螺潛在擴散范圍的主要參數(shù)之一[5,6]。Lei等[5]基于物種分布模型(SDMs)分析表明最冷月份的最低溫度是限制福壽螺在全球擴散的最關(guān)鍵氣候變量, 預(yù)計在未來50年福壽螺的全球適生區(qū)將增加3.30%—10.30%,包括在亞洲和北美洲向北部延伸, 在歐洲向東部延伸等。在原產(chǎn)地, 季節(jié)溫度與海拔、土壤有機碳、降水量是決定福壽螺分布范圍的環(huán)境變量[6]; 在亞洲入侵地, 冬季低溫是限制福壽螺持續(xù)向北擴散的關(guān)鍵因子[7]。受全球氣候變化影響，福壽螺在全球的擴散趨勢加劇。全球氣候變暖將為福壽螺向我國北方地區(qū)進一步入侵提供有利條件[5]。

當(dāng)前至少有5種福壽螺從原產(chǎn)地引入到我國,包括小管福壽螺Pomacea canaliculata(Lamarck,1822)、斑點福壽螺Pomacea maculata(Perry, 1810)、隱秘福壽螺Pomacea occulta(Yang & Yu, 2019)、神秘福壽螺Pomacea diffusa(Reeve, 1856)和梯狀福壽螺Pomacea scalaris(d’Orbigny, 1832)[8]。小管福壽螺在我國的入侵范圍最廣, 在已報道的入侵地均有該物種分布[9]; 斑點福壽螺集中分布在四川盆地、浙江及香港[9,10]; 隱秘福壽螺為近年來命名的新種, 已擴散至南方12省/市/區(qū), 并在入侵地與小管福壽螺共同分布[11,12]。神秘福壽螺是水族貿(mào)易中的常見寵物螺, 僅在斯里蘭卡發(fā)現(xiàn)該物種的自然種群, 在我國尚無野外分布[9]。梯狀福壽螺僅分布在臺灣南部, 被認為具有較小的生態(tài)危害[2]。當(dāng)前, 國內(nèi)外對福壽螺入侵機制的研究主要以小管福壽螺為對象開展, 少量涉及斑點福壽螺[13]。

1 溫度對福壽螺生物學(xué)特性的影響

1.1 溫度對福壽螺存活的影響

小管福壽螺的適生溫度為25—30℃, 25℃時存活率最高, 達95.80%; 當(dāng)溫度為10—35℃時具有活動能力, 低于10℃或高于35℃時, 活動明顯減少[14];當(dāng)溫度持續(xù)低于10℃或高于35℃時, 小管福壽螺漸入冬眠或夏眠[15,16]。溫度低于0℃或高于40℃時,福壽螺被凍死或灼死[17]; Matsukura等[18]和Deaton等[19]發(fā)現(xiàn)日本和美國地區(qū)的小管福壽螺和斑點福壽螺0℃時存活時間均不超過5d; 潘穎瑛等[20]發(fā)現(xiàn)浙江的小管福壽螺42℃時最長能存活6d; 劉艷斌等[21]發(fā)現(xiàn)廣西的小管福壽螺45℃時可存活1d, 為最高存活溫度記錄。

Gamarra-Luques等[22]對采自阿根廷的小管福壽螺研究表明, 當(dāng)殼高25 mm時雌雄螺的生殖器解剖學(xué)和組織學(xué)特征均與成螺相同, 可交配受精。Wada等[3]發(fā)現(xiàn)野外越冬的小管福壽螺以殼高<25 mm的個體為主, 表明幼螺的耐低溫水平高于成螺。隨冬季溫度逐漸降低, 福壽螺可通過低溫適應(yīng)增強耐寒能力[23]。Matsukura等[18]針對小管福壽螺幼螺進行低溫適應(yīng)處理, 以每5d降低5℃的方式從25℃降至10℃并維持4周, 發(fā)現(xiàn)0℃下5d時未經(jīng)低溫適應(yīng)的螺存活率為0, 而經(jīng)低溫適應(yīng)的29只螺0℃下11d時仍有11只存活; 當(dāng)溫度降低至體內(nèi)結(jié)冰的臨界溫度(約–7℃)時, 體內(nèi)結(jié)冰的螺全部死亡, 而不結(jié)冰的存活率為41.70%, 表明福壽螺不耐冰凍。

不同地理種群和生境的福壽螺耐低溫水平具有顯著差異。對廣州、鷹潭、寧波、雅安和黃岡地區(qū)的小管福壽螺低溫處理表明, 我國已形成對低溫耐受性不同的地理種群[24]。Yoshida等[25]比較了阿根廷北部和中部地區(qū)的小管福壽螺和斑點福壽螺對低溫和干旱的耐受性, 發(fā)現(xiàn)兩者經(jīng)低溫適應(yīng)后均提升了耐低溫水平; 斑點福壽螺池塘種群比湖泊種群表現(xiàn)出更高的耐低溫和耐干旱水平。

1.2 溫度對福壽螺生長發(fā)育的影響

不利溫度對福壽螺生長發(fā)育的影響, 主要表現(xiàn)在降低攝食量和生長速度上。Seuffert等[14]檢測了水溫對小管福壽螺最南部分布區(qū)(阿根廷南潘帕斯)種群的影響, 發(fā)現(xiàn)13—15℃時50%的個體不活動, 10—30℃時活動及取食時長隨溫度升高而增加,高于30℃時活動率下降。劉艷斌等[21]對廣西種群的小管福壽螺開展5—45℃時的攝食率研究, 發(fā)現(xiàn)幼螺和成螺攝食率分別在30℃和35℃時達最高, 幼螺最大攝食率是成螺的7倍; 低于15℃時攝食量明顯減少, 低于12℃或高于43℃時停止攝食。

溫度過低或過高均會降低福壽螺的生長速度。15—30℃時, 小管福壽螺的生長速率隨著溫度的升高而上升[26]; 低于15℃或高于30℃時, 生長速率顯著降低[15]。潘穎瑛等[20]統(tǒng)計了溫度處理下小管福壽螺幼螺的生長速率, 發(fā)現(xiàn)30—42℃時生長緩慢且隨溫度升高生長速率下降, 低溫15℃時可見緩慢生長, 但6—12℃時生長基本停止。Seuffert等[26]研究了溫度與小管福壽螺幼螺的生長速率和存活率的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)25℃和30℃時生長速率較快, 但存活率隨溫度升高而降低; 15℃和20℃時存活率為100%, 但生長速率較慢。

1.3 溫度對福壽螺繁殖的影響

溫度對福壽螺繁殖的影響主要包括交配和產(chǎn)卵行為以及卵孵化率。當(dāng)溫度低于15℃或高于35℃時, 小管福壽螺的交配活動明顯減少, 雌螺停止產(chǎn)卵[16]。Seuffert等[26]發(fā)現(xiàn)25℃是小管福壽螺卵發(fā)育及孵化的最適溫度, 15—35℃時卵均能夠正常發(fā)育和孵化,當(dāng)溫度低于15℃或高于35℃時, 卵不能正常孵化。

1.4 福壽螺的過冷卻點

變溫動物在外界溫度降低過程中, 體液溫度降低到冰點以下而不結(jié)冰以降低結(jié)冰造成的損傷, 這一現(xiàn)象稱為過冷卻現(xiàn)象[27]。過冷卻點是動物的體液開始結(jié)冰時的溫度, 是測定變溫動物耐寒性的重要指標(biāo)之一[18,27]。過冷卻點測定在福壽螺抗寒性機制研究中具有重要作用[18,28]。

不同體型和性別的福壽螺的過冷卻點具有差異。趙本良等[28]采用萬用電表聯(lián)接熱敏電阻法檢測殼高5—45 mm的小管福壽螺的過冷卻點, 表明過冷卻點為–7.32— –6.21℃, 呈隨螺高的增大而升高的趨勢。郭靖等[29]針對中大螺測定表明, 雌雄性福壽螺的過冷卻點分別為–7.50— –6.50℃和–7.00—–5.50℃, 均值分別為–6.83℃和–6.26℃; 雌螺的過冷卻點顯著低于雄螺, 表明雌螺較耐低溫。這與越冬種群中, 雌螺比雄螺存活率高的結(jié)論相一致[30]。

2 福壽螺溫度適應(yīng)的生理生化機制

福壽螺耐低溫能力的增強與體內(nèi)糖、脂代謝產(chǎn)物的積累和含水量的調(diào)節(jié)有關(guān), 并可通過調(diào)節(jié)抗氧化酶及相關(guān)代謝酶的活性提升耐溫水平。

2.1 小分子化合物

低溫能夠引起福壽螺體內(nèi)的小分子化合物, 如自由水、結(jié)合水、甘油、葡萄糖和糖原等的含量變化[30,31]。Matsukura等[31]發(fā)現(xiàn)在冬季前隨著外界溫度降低, 野外種群小管福壽螺體內(nèi)的葡萄糖和糖原含量減少, 甘油含量增多; 實驗室種群經(jīng)低溫適應(yīng)后, 外套膜和腎臟的葡萄糖含量、腹足和肝胰腺的甘油含量明顯升高, 腹足和腎臟的糖原含量降低,小分子化合物的含量變化可能與糖脂代謝途徑的改變有關(guān), 并在耐低溫中發(fā)揮重要作用。Guo等[30]研究了低溫-干旱處理下雌雄性小管福壽螺體內(nèi)小分子化合物的含量變化, 結(jié)果表明在低溫-干旱適應(yīng)過程中, 雌螺的結(jié)合水和甘油含量高于雄螺, 而自由水含量低于雄螺, 表明雌螺比雄螺更能適應(yīng)耐低溫-干旱環(huán)境, 使得雌螺比雄螺更容易越冬。

2.2 蛋白酶

抗氧化酶低溫和高溫能夠誘導(dǎo)生物體內(nèi)產(chǎn)生過量的活性氧自由基(ROS), 破壞機體的分子結(jié)構(gòu)和功能, 導(dǎo)致代謝紊亂[32]?？寡趸改軌蛳^量的ROS, 達到保護細胞的作用。因此, 抗氧化酶的活性變化能夠反映出機體ROS的代謝及組織氧化損傷情況, 對判斷免疫防御能力及健康狀況具有重要參考價值[33]。

Liu等[34]通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析了不同溫度下小管福壽螺抗氧化酶基因的表達模式, 發(fā)現(xiàn)在10℃和37℃時不同組織的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和過氧化物氧化還原酶(PRX)基因的表達水平均升高。陳煉等[33]針對小管福壽螺在15℃和36℃溫度條件下分別處理72h, 發(fā)現(xiàn)高低溫處理過程中鰓與肝胰腺中的SOD、CAT和GSH-Px酶活性及丙二醛含量均先升高后降低, 并在72h時恢復(fù)正常水平, 抗氧化物酶活性在鰓中的變化快于在肝胰腺中的變化, 表明溫度引起的氧化應(yīng)激具有組織特異性。

小管福壽螺在冬眠-覺醒周期中, 肝胰腺中SOD活性沒有顯著變化而CAT活性在冬眠期顯著下降并在覺醒期恢復(fù); 腎臟中的SOD活性在覺醒30min時短暫下降而CAT活性在覺醒30min及24h時均顯著下降; 腹足中SOD和CAT變化均不顯著[35]。此外, 小管福壽螺在夏眠-覺醒周期中各組織中SOD和CAT活性均無明顯變化[36]。這表明福壽螺在冬眠及夏眠過程中可通過維持抗氧化酶的基礎(chǔ)水平抵御氧化應(yīng)激的影響。

代謝途徑相關(guān)酶經(jīng)低溫適應(yīng)后, 0℃處理可使小管福壽螺肝胰腺中的甘油激酶和甘油-3-磷酸脫氫酶基因的表達量顯著升高, Na+/K+-ATP酶基因的表達量顯著下降[37]。此外, 基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析我國廣東和湖南地區(qū)小管福壽螺的耐低溫差異,表明與能量代謝相關(guān)的糖原合成酶基因上調(diào)、6-磷酸葡萄糖脫氫酶和二酰基甘油激酶基因下調(diào), 與氨基酸代謝相關(guān)的丙酮酸脫氫酶激酶和谷氨酰胺合成酶基因下調(diào), 與細胞膜代謝相關(guān)的肌醇-3-磷脂合成酶基因下調(diào)等[38]。

3 福壽螺溫度適應(yīng)的分子機制

3.1 福壽螺HSPs的表達調(diào)控

福壽螺溫度適應(yīng)的分子機制主要集中于熱休克蛋白(Heat shock proteins, HSPs)基因的表達調(diào)控研究, 涉及HSP90、HSP70、HSP60和HSP40基因家族成員[39—42]。福壽螺不同HSP基因的表達量表現(xiàn)出明顯的組織特異性。例如, 小管福壽螺在正常條件下HSP90在腹足和腎臟中的表達水平較高,HSP70在肝胰腺中的表達水平顯著高于其他組織,HSP40的表達水平在肝胰腺中最高而在腎臟中最低[41,42]。

Zheng等[39]從小管福壽螺中克隆鑒定了第一個HSP基因HSC70(Heat shock cognate 70), 高溫下該基因在肝胰腺、鰓、腎臟和腹足中的表達量顯著升高, 而低溫下在肝胰腺、腎臟和腹足中的表達量無顯著變化, 表明HSC70可能在高溫下的生理過程中發(fā)揮重要作用。Xu等[41]克隆鑒定了小管福壽螺的HSP90、HSP70和HSP60基因, 其中HSP90和HSP70是響應(yīng)高溫的關(guān)鍵基因, 高溫下HSP90在腹足和鰓中的表達量及HSP70在鰓、腎臟和腹足中的表達量均顯著升高,HSP60在各組織中的表達量變化不顯著; 3個HSP基因在低溫下的表達量變化均不顯著。Song等[40]基于HSP70表達差異揭示了雌雄性小管福壽螺的耐溫差異, 高溫下雌螺和雄螺腹足中HSP70的表達量分別在48h和12h時最高, 且雌螺中的表達量是雄螺的1.60倍, 表明雄螺比雌螺更容易受到高溫的影響, 而在低溫下雌螺和雄螺的表達差異不顯著。Xu等[42]從小管福壽螺中克隆了首個小分子熱休克蛋白基因HSP40, 不同組織中的HSP40在低溫下顯著上調(diào)而在高溫下變化不顯著。

3.2 溫度適應(yīng)的組學(xué)研究

近年來, 隨著高通量測序技術(shù)及分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展, 蛋白質(zhì)組、基因組和轉(zhuǎn)錄組等在福壽螺入侵機制研究中陸續(xù)開展。

Mu等[43]發(fā)現(xiàn)小管福壽螺比近緣的非入侵種神秘福壽螺具有更強的耐高溫能力, 通過比較蛋白質(zhì)組分析在急性高溫下(37℃, 3h)從小管福壽螺和神秘福壽螺中分別鑒定出27個和23個差異表達蛋白;在慢性高溫下(35℃, 3 weeks)從兩種螺中分別鑒定出58個和118個差異表達蛋白, 許多與受損分子的修復(fù)、泛素化功能失調(diào)及儲備能量的利用有關(guān); 在高溫處理下僅神秘福壽螺從糖代謝向脂代謝轉(zhuǎn)變。此外, Sun等[44]通過小管福壽螺夏眠周期中比較蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明, 短期夏眠(3d)中僅有9個差異表達蛋白, 其中2個免疫相關(guān)蛋白表達上調(diào); 長期夏眠(45d)相比短期夏眠, 有31個上調(diào)蛋白和16個下調(diào)蛋白, 其中糖代謝相關(guān)的淀粉酶和1, 4-葡聚糖酶、脂質(zhì)合成相關(guān)的磷脂酶下調(diào), 脂代謝相關(guān)的低密度脂蛋白受體蛋白、脂質(zhì)蛋白受體、抗氧化蛋白、鐵蛋白和嘌呤合成蛋白等上調(diào), 表明長期夏眠期間增加了脂質(zhì)消耗及抗氧化防御需求。

Liu等[34]針對我國深圳種群的小管福壽螺進行了全基因組測序, 并注釋了13個HSP70、6個HSP90、7個HSP40和11個熱休克轉(zhuǎn)錄因子(Heat shock factors,HSFs), 表明福壽螺HSP基因家族成員及熱休克轉(zhuǎn)錄因子均是多拷貝的; 通過對肝胰腺、鰓、腎臟、卵巢和睪丸等組織的轉(zhuǎn)錄組分析表明, 高低溫能夠顯著誘導(dǎo)HSP90和HSFs基因的表達。Sun等[45]測序了原產(chǎn)地阿根廷種群的小管福壽螺、斑點福壽螺、非洲螺Lanistes nyassanus(Dohrn, 1865)和大羊角螺Marisa cornuarietis(Linnaeus, 1758)4種瓶螺的全基因組, 比較基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)4種瓶螺共有28個基因家族發(fā)生明顯擴張, 包括具有化學(xué)感應(yīng)功能的G蛋白偶聯(lián)受體基因家族和纖維素酶基因家族等, 表明瓶螺科物種在進化過程中形成了對環(huán)境的高敏感度及對植物纖維素的強消化力。

4 展望

經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者20余年的努力, 有關(guān)溫度對福壽螺生物學(xué)特性的影響及適應(yīng)機制研究取得一定進展。福壽螺的溫度適應(yīng)及內(nèi)在機制研究成果, 對于福壽螺的田間監(jiān)測、風(fēng)險預(yù)警等提供了重要支撐。例如, 利用福壽螺在冬季低溫下不能越冬的特性, 韓國曾在水稻移栽7d后引入福壽螺幼螺用于防控稻田雜草, 但福壽螺的低溫適應(yīng)性及逐漸向北擴散的現(xiàn)象已引發(fā)韓國環(huán)境部的密切關(guān)注[46]。當(dāng)前,福壽螺高低溫適應(yīng)的機制研究主要集中在生理生化機制及分子機制兩方面。耐溫的生理生化機制研究主要針對代謝化合物及酶活性變化開展, 其中許多化合物與響應(yīng)殺螺劑作用所產(chǎn)生的化合物相同[47]; 分子機制研究主要集中在HSP基因表達差異上。隨著高通量測序技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展, 相關(guān)分子機制研究有待深入開展。例如,福壽螺HSP基因表達差異研究主要針對于一個或幾個基因, 這些基因是通過與近緣種的同源比對、設(shè)計引物和擴增克隆獲得。然而, 小管福壽螺的全基因組中注釋出多拷貝的HSP基因家族成員, 有待從全基因組對HSP基因家族進行系統(tǒng)鑒定, 并深入分析不同HSP在溫度適應(yīng)中的作用。Wang等[48]從入侵昆蟲煙粉虱Bemisia tabaci(Gennadius, 1889)基因組中鑒定出3個HSP90、17個HSP70、1個HSP60和5個sHSP基因, 并明確了HSP基因家族中與溫度適應(yīng)密切相關(guān)的關(guān)鍵基因, 揭示出同一HSP基因家族的不同成員在溫度適應(yīng)中的作用不同。

長期以來的分類鑒定難題嚴重制約了對福壽螺生物學(xué)、生態(tài)學(xué)及入侵危害的準(zhǔn)確認識。近年來基于分子與形態(tài)特征結(jié)合分析, 從世界入侵性福壽螺中鑒別出小管福壽螺、斑點福壽螺與隱秘福壽螺3個種[8,11,49]。然而, 已有的福壽螺耐溫機制研究主要針對小管福壽螺開展, 早期研究的對象可能由于未準(zhǔn)確鑒定而被歸并為小管福壽螺。為準(zhǔn)確判斷不同福壽螺物種的擴散范圍, 有必要開展種間耐溫差異比較研究。例如, 小管福壽螺比斑點福壽螺具有較高的耐低溫水平, 在日本低溫北部地區(qū)僅分布有小管福壽螺, 而斑點福壽螺分布于中部及南部且種群比例隨緯度升高而逐漸降低[50]。此外, 福壽螺種間存在復(fù)雜的漸滲雜交, 在原產(chǎn)地及入侵地均檢測到漸滲雜交種群, 且入侵地雜交種的比例比原產(chǎn)地高, 這可能是由于入侵過程中雜交更密集發(fā)生[12,50,51]。種間雜交能夠提升基因變異進而提升種群適合度, 促進外來物種的入侵擴散[52]。然而,福壽螺種間雜交產(chǎn)生的進化效應(yīng)對溫度適應(yīng)產(chǎn)生怎樣的影響, 仍有待深入研究揭示。

在氣候變化背景下, 外來物種通過生理適應(yīng)、生態(tài)位空間拓展、改變種間互作關(guān)系等途徑減少環(huán)境因素的制約, 從而影響進化及入侵進程并改變?nèi)肭址N的地理分布格局, 促進生物入侵[53,54]。早期以氣溫與福壽螺世代數(shù)量為參數(shù)構(gòu)建模型結(jié)合GIS繪圖, 預(yù)測2020年小管福壽螺在我國最北將擴散至約31°N。然而, 2019年的田間調(diào)查表明福壽螺最北分布區(qū)已達32.43°N的江蘇省泰州市[55]。在全球氣候變化下, 福壽螺在全球進一步擴散, 其快速適應(yīng)性進化的生理生態(tài)耐受性機制及表型可塑性機制研究仍有待深入開展。在染色體水平基因組測序的基礎(chǔ)上, 結(jié)合多組學(xué)分析及遺傳操作技術(shù)的綜合應(yīng)用, 福壽螺對溫度的適應(yīng)機制研究將逐漸深入, 并將為理解福壽螺的擴散規(guī)律及制定科學(xué)的防控措施提供理論指導(dǎo)。