暗紋東方鲀運動訓練后游泳能力和呼吸代謝的變化

顧玲玲 馮廣朋 , 韓志強

(1.浙江海洋大學水產(chǎn)學院,舟山 316022;2.中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所,上海 200090;3.上海長江口漁業(yè)資源增殖和生態(tài)修復工程技術(shù)研究中心,上海 200090)

暗紋東方鲀(Takifugu obscurus),隸屬于輻鰭亞綱、鲀形目鲀科、東方鲀屬,為江海洄游性魚類,主要分布于太平洋西岸的中國近海區(qū)域以及長江中下游地區(qū)、朝鮮半島和日本[1]。20世紀60年代以前我國長江流域暗紋東方鲀的資源極為豐富,1954年僅長江江蘇段河豚產(chǎn)量就達到1000噸[2],然而由于環(huán)境污染、過度捕撈等,其野生資源量急速下降。為恢復暗紋東方鲀資源量,近年來長江口暗紋東方鲀的規(guī)?；鲋撤帕骰顒又鸩介_展,每年放流數(shù)量達數(shù)十萬尾。

放流苗種的存活率是影響增殖放流效果的重要因素,然而放流所用的暗紋東方鲀苗種均來自于人工繁育和養(yǎng)殖,在餌料豐富且無敵害的養(yǎng)殖水體中,暗紋東方鲀攝食和躲避敵害的能力較弱,導致其在野外環(huán)境中的存活率較低,影響放流效果。為提高魚類野外釋放存活率,許多學者對魚類進行運動訓練。運動訓練是通過改變魚類養(yǎng)殖環(huán)境中的水流速度,對其形成刺激,促使魚類的游泳行為或者生理代謝等發(fā)生改變以適應環(huán)境變化,進而提高其到達自然環(huán)境中的存活率[3]。其中魚類游泳能力的高低對魚類攝食存活、生長發(fā)育及躲避敵害是至關(guān)重要的,也是機體保證代謝正常的重要因子[4,5]。目前評價魚類游泳能力的指標包括巡游速度、臨界游泳速度(Critical swimming speed,Ucrit)和突進游泳速度(Burst swimming speed,Ubrust)[6,7]。臨界游泳速度是指魚類在進行有氧運動時的最大可持續(xù)游泳速度,通常用來作為評價魚類有氧運動能力的指標[8],可反映魚類游泳能力受不同環(huán)境因子影響后的變化,其測定耗時相對較短,可操作性較強,因此使用范圍較廣;突進游泳速度又稱為暴發(fā)性游泳速度,是指魚類在較短時間內(nèi)(不大于20s)可達到的最大游泳速度,通常以白肌中的糖原、ATP和磷脂作為燃料,可以反映魚類無氧運動的能力,衡量魚類運動過程中的加速能力[9,10],一般只與魚種和體長相關(guān)[11],突進游泳速度在自然界中與配對行為、種內(nèi)競爭、捕獲獵物、逃避敵害和穿越激流等行為有關(guān)[12],可評價魚類對自然風險的規(guī)避能力。運動作為魚類重要的生理活動之一,常受到呼吸和循環(huán)系統(tǒng)功能的限制。呼吸代謝是魚類生長發(fā)育過程中最基本的活動之一,通常與魚類自身因素、生境變化及活動狀態(tài)密切相關(guān)[13],一般通過耗氧率的變化來反映。其中,靜止代謝率(Resting metabolic rate,RMR)是指健康動物個體在某一溫度、禁食且靜止狀態(tài)下的最小能量代謝,可反映魚類維持整體生理狀況和能量消耗的情況,只有當個體能量代謝水平高于該值時才能保證其生理功能的正常[14];活動代謝率(Activity metabolic rate,AMR)是指魚類在特定溫度下進行臨界運動的最大代謝率,表示魚體可為機體其他生理功能(如消化、排泄、繁殖、逃避捕食和遷徙洄游等)提供的最大代謝潛能[15]。

目前,國內(nèi)外有關(guān)運動訓練對魚類游泳能力影響的研究已有很多,但多集中在鯉科魚類、鮭鱒魚類等,其他魚類的相關(guān)研究較少。暗紋東方鲀作為長江口重要經(jīng)濟物種,其游泳能力相關(guān)的研究較為少見。為了評價運動訓練對暗紋東方鲀游泳能力和呼吸代謝的影響,本研究測定了不同訓練強度和訓練時間下暗紋東方鲀的臨界游泳速度、突進游泳速度、靜止代謝率及活動代謝率的變化。研究結(jié)果有助于了解暗紋東方鲀對水流變化的適應特征,為放流地點的選擇提供依據(jù),也為今后暗紋東方鲀野化訓練相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗魚飼養(yǎng)及管理

實驗所用暗紋東方鲀?yōu)樯虾Ｊ邪㈨樚胤N水產(chǎn)養(yǎng)殖合作社人工繁育的健康個體,實驗魚體長為(13.81±0.64) cm,體重為(75.14±12.00) g。實驗魚暫養(yǎng)于中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所的養(yǎng)殖桶內(nèi),每日8:30定時投喂,餌料為復合型餌料,購自于上述合作社中,全天不間斷充氧,含氧量≥7 mg/L,溫度為23.5—24℃,光照為自然光,實驗時各條件基本保持一致,開展游泳能力測試前禁食24h。

1.2 實驗方法和實驗裝置

實驗流速按實驗魚體長的倍數(shù)設(shè)定為1個對照組和2個流速組[0.75 BL/s(9.94 cm/s)和1.5 BL/s(20.72 cm/s)],實際測量值分別為0、9.73和20.50 cm/s[在實驗開始前測定暗紋東方鲀感應流速為(7.30±1.59) cm/s],所設(shè)流速可被實驗魚感知。流速測定采用L1206B型旋槳式流速儀(江蘇南水水務科技有限公司)。每日8:00開始訓練,每訓練0.5h停訓1.5h,每日總訓練時間達6h。訓練時間設(shè)定3個梯度,分別為持續(xù)1周、2周和4周。

實驗裝置購自丹麥Loligo Systems公司,內(nèi)置1個封閉式循環(huán)水槽,水槽體積為90 L,實驗觀察區(qū)(實驗對象游泳區(qū))尺寸約為66 cm×20 cm×20 cm(長×寬×高)。在實驗過程中相關(guān)參數(shù)設(shè)置均在計算機上進行,儀器配備軟件AutoRespTM,同步讀取實驗魚的耗氧率變化。在裝置上方裝有一個攝像機,用以觀測記錄實驗過程(圖1)。

圖1 魚類游泳能力測定裝置Fig.1 Apparatus for the determination of swimming ability of fish

圖2 暗紋東方鲀臨界游泳速度隨訓練強度和時間變化趨勢Fig.2 Change of critical swimming speed with exercise time and intensity of Takifugu obscurus

圖3 暗紋東方鲀突進游泳速度隨訓練強度和時間變化趨勢Fig.3 Change of burst swimming speed with exercise time and intensity of T.obscurus

圖4 暗紋東方鲀靜止代謝率隨訓練強度和時間變化趨勢Fig.4 Change of resting metabolic rate with exercise time and intensity of T.obscurus

1.3 測定指標

臨界游泳速度本實驗采用“流速遞增法”測定暗紋東方鲀的臨界游泳速度。實驗開始前先利用6尾暗紋東方鲀(健康無損傷)對絕對臨界游泳速度進行預實驗,取其平均值得出。在正式實驗時,將健康無損傷的實驗魚放入裝置中,在低流速(5 cm/s)中適應1h,隨后每隔5min增加0.5 BL/s,至60%后每隔15min增加15%,直至實驗魚力竭疲勞。具體方法參照王曉等[16]對四大家魚各游泳速度的測定步驟。當實驗魚尾部貼下游網(wǎng)壁無法游動超過20s時即視為疲勞,記錄此時的水流速度。由于本實驗所用暗紋東方鲀身體的橫截面積(Cross-sectional area)并未超過游泳區(qū)域橫截面的5%,沒有引發(fā)阻擋效應(Solid blocking effect),所以Ucrit無須校正。臨界游泳速度的計算公式如下:

突進游泳速度突進游泳速度的測定方法類似于臨界游泳速度。測定前需禁食24h,實驗開始后先將實驗魚置于5 cm/s流速中適應1h,隨后快速將流速提高至60%,后每20s增加15%,直至魚體疲勞不再游動。突進游泳速度的計算公式如下:

靜止代謝率將實驗魚放置于游泳區(qū)適應1h,在靜水條件下每20min利用軟件AutoRespTM測得溶氧量,持續(xù)2h,通過初末溶氧差計算實驗魚的耗氧率,計算公式如下:

式中,V是密封游泳區(qū)的體積(L),M是魚體質(zhì)量(kg),是密封游泳區(qū)溶氧量隨時間變化的斜率。

活動代謝率在測定臨界游泳速度的同時測定其游泳耗氧率,即從實驗初始階段到暗紋東方鲀力竭時的耗氧率。計算公式同(3)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

實驗數(shù)據(jù)利用IBM SPSS Statistics 26進行雙因素方差分析,探究訓練強度與訓練時間不同因素及其交互作用下暗紋東方鲀游泳能力和呼吸代謝率的變化,梯度為0、0.75和1.5 BL/s,訓練1周、2周和4周,采用Duncan’s多重比較法進行組間比較。統(tǒng)計值均使用平均值±標準差(mean±SD)表示,統(tǒng)計結(jié)果P＜0.05 時認為差異顯著。圖形繪制均在OriginPro 2021中完成。

2 結(jié)果

2.1 暗紋東方鲀運動訓練后游泳能力的變化

臨界游泳速度結(jié)果顯示,訓練強度和訓練時間對暗紋東方鲀Ucrit水平無交互作用(P＞0.05)。但在不同強度和時間持續(xù)訓練后,暗紋東方鲀臨界游泳速度存在顯著差異(P＜0.05;圖 2)。在整個訓練過程中,1.5 BL/s訓練組的臨界游泳速度相較于對照組略有升高,但二者之間無顯著差異(P＞0.05);0.75 BL/s實驗組在訓練1周后顯著升高(P＜0.05),訓練2周后Ucrit顯著高于其他組(P＜0.05),達到相對較高水平;在訓練4周后,Ucrit顯著下降(P＜0.05)。在訓練4周后,訓練組暗紋東方鲀的臨界游泳速度較對照組分別提高了11.02%(0.75 BL/s)和8.07%(1.5 BL/s)。

突進游泳速度結(jié)果顯示,訓練強度和訓練時間對暗紋東方鲀Ubrust水平無交互作用(P＞0.05)。在不同強度和時間持續(xù)訓練后,暗紋東方鲀突進游泳速度不存在顯著差異(P＞0.05;圖 3)。在訓練4周后,訓練組暗紋東方鲀突進游泳速度均低于對照組(P＞0.05)。

2.2 暗紋東方鲀運動訓練后呼吸代謝的變化

靜止代謝率結(jié)果顯示,訓練強度和訓練時間對暗紋東方鲀靜止代謝率水平無交互作用(P＞0.05)。在不同強度和時間持續(xù)訓練后,暗紋東方鲀靜止代謝率不存在顯著差異(P＞0.05;圖 4)。隨著訓練時間的延長,0.75 BL/s訓練組的靜止代謝率有升高的趨勢,而1.5 BL/s訓練組則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,訓練4周后基本降為對照組水平。

活動代謝率結(jié)果顯示,訓練強度和訓練時間對暗紋東方鲀的活動代謝率水平具有顯著的交互作用(圖5;P＜0.05)。在不同強度和時間持續(xù)訓練后,暗紋東方鲀的活動代謝率存在顯著差異(P＜0.05)。在相同訓練強度下,0.75 BL/s 訓練組訓練2周變化不顯著,在訓練4周后顯著提升(P＜0.05);1.5 BL/s訓練組的耗氧率隨著訓練時間的延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在訓練4周后則顯著下降(P＜0.05)。在相同訓練時間下,在訓練2周后各組耗氧率無顯著性變化,在訓練4周后0.75 BL/s訓練組高于對照組(P＜0.05),而1.5 BL/s訓練組顯著低于對照組(P＜0.05)。

圖5 暗紋東方鲀活動代謝率隨訓練強度和時間變化趨勢Fig.5 Change of Activity metabolic rate with exercise intensity and time of T.obscurus

3 討論

運動訓練對不同魚類的影響不同。一方面不同魚類經(jīng)運動訓練后Ucrit的變化不同,一些魚類在進行運動訓練后其Ucrit會顯著提高,例如鱸鯉(Percocypris pingi)[17]、寬鰭鱲(Zacco platypus)[18];而經(jīng)過運動訓練后的草魚(Ctenopharyngodon)[3]Ucrit顯著下降。另一方面不同魚類經(jīng)運動訓練后代謝率的變化也不同,例如黃尾鰤(Seriola lalandi)[19]的RMR上升;而斑馬魚(Danio rerio)[20]則表現(xiàn)為不變;虹鱒(Oncorhynchus mykiss)[21]的RMR甚至下降。此外,不同魚類經(jīng)運動訓練后Ucrit和RMR變化的相關(guān)性也有所不同。鯉(Cyprinus carpio)在經(jīng)過4周的持續(xù)運動后,Ucrit顯著提升,而RMR卻顯著下降[22];以60%Ucrit訓練中華倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)2周后,其Ucrit顯著提升,而RMR變化不顯著[23]。本研究結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn),暗紋東方鲀Ucrit升高,而RMR變化卻不明顯。Ucrit和RMR之間變化趨勢的不同可能是因為不同魚類應對持續(xù)運動的“能量分配轉(zhuǎn)換策略” (Switching strategy of energy allocation)不同[24],即魚體能量在一種高水平的生長和高水平的游泳活動之間存在權(quán)衡。

不同的訓練強度對魚類的影響不同。研究表明,對于大多數(shù)魚類而言,適中的水流速度對魚體有積極作用,而流速過高或過低時都會對魚體產(chǎn)生一定的負面影響[25]。例如,訓練強度為1和2 BL/s時,齊口裂腹魚(Schizothorax prenanti)的累積存活率優(yōu)于4 BL/s強度組和靜水組的魚[26]。當魚體長期處在高強度運動狀態(tài)下,不僅會導致機體免疫力下降[27—29],損害魚體健康,而且還會過量消耗體內(nèi)的能量儲備,形成運動性疲勞,影響魚類的游泳活動[30],但訓練時間過短又無法達到訓練效果。在訓練1周后,0.75 BL/s暗紋東方鲀Ucrit和RMR一定程度上均有所升高。研究表明魚類的RMR升高,運動能力也會增強[31,32]。在相同的訓練時間下,0.75 BL/s的Ucrit和RMR均高于1.5 BL/s訓練組,說明該訓練強度下的暗紋東方鲀有氧運動能力較強。這可能是因為中低強度的運動訓練會提高魚類的能量利用效率,而高強度的運動訓練可能提高了魚類的基礎(chǔ)代謝水平,導致其耗能過高,形成運動性疲勞[33,34],并且長期高強度的訓練過程中肌體會產(chǎn)生大量自由基,導致細胞損傷,個體免疫機能下降,不利于游泳能力的提高[30]。此外,研究表明當RMR上升時,魚類的生化代謝活性也會隨之而升高,魚類可具備更強的生長潛能[35],這意味著0.75 BL/s訓練組的生長潛能優(yōu)于1.5 BL/s訓練組。

不同的訓練時間對魚類的影響也不同。在一般情況下,AMR的提高有助于魚體在游泳過程中進行其他生理活動,有利于提高魚類游泳能力[36,37]。本研究發(fā)現(xiàn)訓練4周后0.75 BL/s訓練組的RMR和AMR均有明顯提升,這意味著訓練4周后的暗紋東方鲀維持自身生理狀況以及為其他生理功能提供能量的潛能有所提升;然而訓練4周后暗紋東方鲀的Ucrit顯著下降,這說明暗紋東方鲀Ucrit可能不會隨著訓練時間的延長而增加。一方面可能是該時期的能量更多用于消化代謝[24];另一方面也有可能是長期運動訓練已使暗紋東方鲀產(chǎn)生疲勞,在進行能量權(quán)衡后減少游泳耗能以維持其他生理功能。因此,以0.75 BL/s的強度訓練4周可能并不利于提高暗紋東方鲀的游泳能力。

持續(xù)運動訓練對暗紋東方鲀Ubrust的影響并不顯著,而研究表明持續(xù)運動訓練可提高魚類的Ubrust,例如虹鱒[38]突進游泳歷時延長,這可能是魚種的不同而導致的不同訓練效果。訓練4周后暗紋東方鲀的Ubrust較對照組均有所下降,與Ucrit變化趨勢一致,也能說明訓練時間過長可能會導致暗紋東方鲀產(chǎn)生運動性疲勞,并不利于其游泳能力的提升。因此,在開展暗紋東方鲀的運動訓練時,訓練時間應少于4周。

4 結(jié)論

暗紋東方鲀的運動訓練研究表明,短期低強度訓練(0.75 BL/s訓練1—2周)提高了暗紋東方鲀的臨界游泳能力;持續(xù)低強度訓練(0.75 BL/s訓練2—4周)提高了暗紋東方鲀的活動代謝率。因此,本文建議暗紋東方鲀的運動訓練強度以0.75 BL/s、訓練時間以2周為宜。本研究對今后優(yōu)化暗紋東方鲀放流前的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)、提高放流后的野外成活率有指導意義。然而,目前增殖放流前的野化訓練多是在室內(nèi)進行,其馴化環(huán)境與野外環(huán)境存在較大差別,今后在開展野化訓練時應加強對野外環(huán)境的模擬,以期為暗紋東方鲀的增殖放流提供更精確的參考數(shù)據(jù)。