豐超杰,張 穎,張永泉,劉霞飛,呂偉華,馬 波,韓世成
(1.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,上海 201306;2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所,哈爾濱 150076)
溫度是魚類生長、發(fā)育、代謝和繁殖過程中最重要的的生態(tài)因子[1]。魚類作為變溫動物自身缺乏體溫調(diào)節(jié)機制,其體溫隨環(huán)境溫度變化而變化[2]。當(dāng)養(yǎng)殖水溫超過魚類耐受范圍時會對魚體的正常生命活動產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致其機體新陳代謝失衡、免疫應(yīng)答紊亂,從而引發(fā)疾病甚至造成死亡[3,4]。近年來,由于溫室效應(yīng)的影響,全球氣候變暖,極端高溫、嚴(yán)寒天氣出現(xiàn)的頻率增加,對魚類的生長和存活產(chǎn)生諸多不良影響[5]。此外,魚類養(yǎng)殖過程中出現(xiàn)的急性高溫應(yīng)激極易給魚體造成損傷,甚至?xí)斐伤劳?,因此溫度對魚體的影響受到越來越多學(xué)者的廣泛關(guān)注及研究。
研究證實,急性高溫脅迫可顯著影響鯉(Cyprinuscarpio)[6]、大菱鲆(Scophthalmusmaximus)[7]及虹鱒(Oncorhynchusmykiss)[8]等魚類血清中總蛋白(TP)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)和谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)等生化指標(biāo)水平,因而這些指標(biāo)常被用于評估魚類生理健康狀況。同樣,高溫脅迫也對魚類消化酶活性產(chǎn)生顯著的影響,以往的研究表明,魚體腸道消化酶活性的高低能直觀反映魚類對營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收能力,且極易受到水溫變化的影響[9]。目前,有關(guān)水溫變化對魚類消化酶活性影響的研究已有較多報道,如銀鯧(Pampusargenteus)[10]、美洲鰣(Alosasapidissima)[11]及翹嘴鱖(Sinipercachuatsi)[12]等魚類在急性高溫脅迫下,消化酶活性發(fā)生顯著變化,但鮮見針對黑龍江茴魚的相關(guān)報道。此外,高溫脅迫還會導(dǎo)致魚體內(nèi)源性活性氧(ROS)增加,對細胞或組織造成氧化損傷[13]。魚類可通過抗氧化防御系統(tǒng)中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽抗氧化物酶(GPX)等抗氧化酶消除過多的ROS,維持機體的活性氧處于正常水平[14]。在對翹嘴鱖[5]、施氏鱘(Acipenserschrencki)[15]、硬頭鱒(Salmongairdneri)[16]及馬口魚(Opsariichthysbidens)[17]等魚類的研究發(fā)現(xiàn),高溫脅迫引起抗氧化酶活性及其基因呈規(guī)律性表達,整體上表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢。因此,急性高溫脅迫下魚類生理變化機制對于魚類的健康養(yǎng)殖具有重要的實踐指導(dǎo)意義。
黑龍江茴魚(Thymallusarcticusgrubei)隸屬于鮭形目(Salmoniformes)茴魚科(Thymallida)茴魚屬(Thymallus),為北溫帶小型溪居冷水性魚類,主要分布于我國黑龍江、牡丹江、烏蘇里江及松花江等流域[18]。黑龍江茴魚肉質(zhì)細嫩,味道鮮美,營養(yǎng)豐富,是黑龍江省特有的名優(yōu)經(jīng)濟魚類[19]。近年來,受過度捕撈、環(huán)境污染以及棲息地破壞等因素影響,黑龍江茴魚的野生資源量急劇下降,已被列入《中國國家重點保護野生動物名錄》二級[20]。作為冷水性魚類,黑龍江茴魚的適宜生長溫度為8~18 ℃,對外界環(huán)境溫度變化較為敏感,尤其是在全球環(huán)境變暖和夏季連續(xù)高溫的大趨勢下[21]。因此開展高溫脅迫對其機體生理代謝及抗應(yīng)激反應(yīng)等研究,對黑龍江茴魚在實際養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中具有重要的指導(dǎo)意義。然而,目前有關(guān)黑龍江茴魚對高溫脅迫響應(yīng)的生理機制研究還尚未見報道。因此,本研究以黑龍江茴魚為研究對象,研究急性高溫脅迫對其血清生化指標(biāo)、消化及抗氧化能力的影響,初步探索黑龍江茴魚在急性高溫脅迫下的適應(yīng)性及響應(yīng)機制,以期為黑龍江茴魚在健康養(yǎng)殖過程中抵御高溫脅迫提供參考資料。
實驗用魚取自中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所渤海試驗基地,運回實驗室后放置于全自動控溫循環(huán)水實驗室中,黑龍江茴魚規(guī)格平均體長(14.26±1.20)cm、平均體質(zhì)量(32.34±3.71)g。利用自動控溫儀將魚置于(11.0±0.5)℃的水環(huán)境下暫養(yǎng)14 d,光暗比為1∶1。暫養(yǎng)期間水中溶解氧、pH和鹽度分別為大于6 mg/L、6.91±0.08和0,由便攜式多功能溶解氧測量儀測定。每天換水一次并持續(xù)曝氣,保證水體溶解氧含量在適宜范圍內(nèi)。暫養(yǎng)期間每日于8:00、18:00投喂至飽食狀態(tài),飼料為水蚯蚓,實驗開始前24 h停止投喂,實驗期間不投喂,盡量減少人為干擾。
實驗開始前,選取健康狀況良好、體表無明顯外傷且規(guī)格相近的黑龍江茴魚240尾放入魚缸中(80 cm×50 cm×40 cm)。基于課題組前期的研究發(fā)現(xiàn),黑龍江茴魚養(yǎng)殖在11~20 ℃溫度下,其死亡率隨養(yǎng)殖溫度的升高成正比,其中當(dāng)溫度高于17 ℃時,死亡率明顯上升。
故將實驗設(shè)置11(對照組)、14、17、20 ℃共4個溫度水平,每個處理設(shè)置3個平行,每個平行放養(yǎng)20尾,用全自動溫控儀調(diào)節(jié)所需溫度(±0.5 ℃)。本實驗使用自動控溫系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度,升溫速率為1 ℃/h,直至達到實驗?zāi)繕?biāo)溫度,對照組11 ℃溫度保持不變。在達到設(shè)置溫度的0、24及48 h分別取樣。
每個平行隨機取3尾魚,每個處理組共9尾魚。使用200 mg/L的MS-222做快速深度麻醉,麻醉后置于冰盤上采用尾靜脈采血。血樣于4 ℃冰箱中靜置2 h,在4 ℃,3 500 r/min離心20 min制備血清,上清液移置-80 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?。取血后立即解剖黑龍江茴魚采集肝臟和腸道組織,使用現(xiàn)配的生理鹽水進行沖洗,經(jīng)液氮處理后放入-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
1.4.1 血清生化指標(biāo)測定
利用全自動生化分析儀依次測定血清中的總蛋白(TP)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、堿性磷酸酶(ALP)等血清生化指標(biāo)。
1.4.2 腸道消化酶活性測定
腸道樣品解凍后,用預(yù)冷生理鹽水沖洗,濾紙吸干水分后稱重,加入一定體積預(yù)冷生理鹽水,在冰浴條件下研磨制作勻漿。勻漿液經(jīng)4 ℃離心(3 500 r/min,10 min)后,取上清液于預(yù)冷的無菌離心管中,-20 ℃保存,用于腸道消化酶活性的測定。腸道胰蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶均采用南京建成試劑盒測定;其中,胰蛋白酶和脂肪酶采用比色法,淀粉酶采用碘-淀粉比色法。酶活性單位采用U/mg或U/g表示。
1.4.3 肝臟抗氧化酶活性測定
肝臟中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和谷胱甘肽抗氧化物酶(GPX)的活性測定,均采用南京建成生物工程研究所有限公司提供的試劑盒,參照試劑盒說明書測定。
采用TRlzol法提取每個肝臟組織樣本總RNA,使用Nano Drop?ND-2000測定RNA濃度和純度,測量前先用溶解RNA的RNase-Free ddH2O調(diào)零,變性瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA完整性。采用HiScript Ⅲ 1st Strand cDNA Synthesis Kit進行cDNA反轉(zhuǎn)錄,實驗操作按產(chǎn)品說明書進行,cDNA保存放-20 ℃冰箱備用。根據(jù)NCBI數(shù)據(jù)庫獲得SOD和CAT基因序列,以β-actin為參考基因,利用NCBI數(shù)據(jù)庫的Primer-BLAST程序設(shè)計引物,委托庫美生物科技有限公司(吉林)合成引物,引物序列見表1。實時熒光定量PCR反應(yīng)體系20 μL:2×AceQ Universal SYBR qPCR Master Mix 10 μL,cDNA模板2 μL,正、反引物各0.4 μL,RNase Free ddH2O 7.2 μL。PCR反應(yīng)程序為:95 ℃;72 ℃,3 min,10 min;40個PCR循環(huán)(95 ℃,15 s;60 ℃,1 min;72 ℃,2 min;72 ℃,3 min)。
表1 實時熒光定量PCR擴增引物序列Tab.1 RT-PCR primer sequence
實時熒光定量PCR分析的試驗結(jié)果數(shù)據(jù),采用2-ΔΔCt法計算目的基因的相對表達量。采用SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,同一時間點不同處理組間數(shù)據(jù)運用單因素方差分析(One-way ANOVA),Duncan檢驗進行多重比較,試驗數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(X±SD)表示,以P<0.05表示差異顯著,并使用Excel繪制圖表。
急性高溫脅迫下黑龍江茴魚TP含量、ALT、AST及堿性磷酸酶(ALP)活性變化規(guī)律見圖1。在急性溫度脅迫下,隨脅迫時間的延長,17 ℃組和20 ℃組的TP含量呈下降趨勢,均顯著低于對照組;14 ℃組TP含量在實驗期間與對照組(11 ℃)無顯著性差異(圖1A)。高溫組(14、17和20 ℃)血清中ALT活性隨脅迫時間的增加呈先上升后下降的變化規(guī)律,在脅迫24 h時ALT活性均最高且顯著高于對照組;17 ℃組和20 ℃組在脅迫48 h時,ALT活性顯著高于對照組,而14℃組差異不顯著(圖1B)。高溫組(14、17和20 ℃)AST活性隨脅迫時間的增加而上升,且在實驗期間血清中AST活性均顯著高于對照組(圖1C)。此外,14 ℃組血清中ALP活性在脅迫24 h時顯著下降,隨后上升;17 ℃組和20 ℃組血清ALP活性隨脅迫時間的延長呈先下降后上升的變化規(guī)律,除升溫初期(0 h),各時間點ALP活性均顯著低于對照組(圖1D)。
急性高溫脅迫下黑龍江茴魚腸道淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活性變化規(guī)律見圖2。高溫組(14、17和20 ℃)腸道淀粉酶活性隨脅迫時間的延長呈先升高后下降的變化趨勢,其中17 ℃組和20 ℃組腸道淀粉酶活性在脅迫24 h時顯著高于對照組,在脅迫48 h時淀粉酶活性顯著低于對照組;14 ℃組與17 ℃組和20 ℃組有一致的變化規(guī)律,但在脅迫48 h時淀粉酶活性顯著高于對照組(圖2 A)。高溫組(14、17和20 ℃)腸道脂肪酶活性隨脅迫時間增加緩慢上升,其中17 ℃組和20 ℃組在實驗期間脂肪酶活性顯著高于對照組(圖2B)。此外,高溫組(14、17和20 ℃)腸道蛋白酶活性均在脅迫前期(24 h)顯著上升;在脅迫48 h時,14 ℃組蛋白酶活性顯著高于對照組,而17 ℃組和20 ℃組顯著低于對照組水平(圖2C)。
急性高溫脅迫下黑龍江茴魚肝臟SOD、CAT和GPX活性變化規(guī)律見圖3。高溫組(14、17和20 ℃)肝臟中SOD活性隨脅迫時間的增加均呈先升后降的變化規(guī)律,在脅迫24 h時SOD活性達到最高值;其中17 ℃組和20 ℃組在脅迫48 h時顯著高于對照組,而14 ℃組在脅迫48 h時下降至對照組水平(圖3A)。17 ℃組和20 ℃組在脅迫24 h時肝臟CAT活性顯著上升,隨后顯著下降;14 ℃組也有類似的趨勢,但CAT活性在48 h時下降至對照組水平(圖3B)。此外,高溫脅迫組(14、17和20 ℃)肝臟中GPX活性隨脅迫時間的延長呈先上升后下降的變化趨勢,且GPX活性均顯著高于對照組(圖3C)。
圖3 急性高溫脅迫對黑龍江茴魚肝臟抗氧化酶活性的影響Fig.3 The effect of acute high temperature stress on antioxidant enzyme activity in the liver of T.arcticus grubei
急性高溫脅迫下黑龍江茴魚肝臟SOD和CAT基因相對表達量變化規(guī)律見圖4。17 ℃組和20 ℃組肝臟中SOD、CAT基因相對表達量在脅迫期間顯著上升;14 ℃組肝臟中SOD、CAT基因相對表達量隨脅迫時間的延長呈先上升后下降的趨勢,在脅迫24 h時顯著高于對照水平,至48 h下降至對照組水平。
圖4 急性高溫脅迫對黑龍江茴魚肝臟SOD、CAT基因表達的影響Fig.4 Effect of acute high-temperature stress on the expression of SOD and CAT genes in the liver of T.arcticus grubei
魚類血清生化指標(biāo)可以反映其對環(huán)境應(yīng)激時機體內(nèi)物質(zhì)代謝和組織器官功能的變化情況[6]。TP水平可反映魚體健康狀態(tài),具有維持血液正常膠體滲透壓和pH穩(wěn)定的作用,參與固醇與脂肪酸等物資運輸并與機體免疫應(yīng)激功能相關(guān)[22]。強俊等[23]發(fā)現(xiàn),在26℃以上的高溫脅迫下,尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)血清TP隨脅迫時間的增加呈下降趨勢。溫海深等[24]研究發(fā)現(xiàn),急性高溫脅迫下許氏平鲉(Sebastesschlegelii)TP含量顯著降低。本實驗也有類似的結(jié)果,在17 ℃和20 ℃急性高溫下TP含量隨脅迫時間的延長顯著下降。推測黑龍江茴魚在長時間的高溫應(yīng)激下,機體合成的能量主要應(yīng)對環(huán)境脅迫,而用于合成魚體蛋白質(zhì)的比例減少,因此血清中TP含量下降[23]。
ALT活性和AST活性可作為判斷肝臟是否損傷的指示物。正常生理代謝條件下,ALT和AST在血清中含量相對恒定且較低[25]。但當(dāng)環(huán)境脅迫引起機體肝臟損傷時,組織細胞膜通透性改變,肝細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)氨酶會透過細胞膜進入血液中,引起轉(zhuǎn)氨酶活力升高[7]。研究發(fā)現(xiàn)高溫應(yīng)激鱖幼魚血清中AST和ALT活性顯著增加[5];對許氏平鲉的研究發(fā)現(xiàn),急性高溫27 ℃脅迫下血清中AST和ALT活性顯著上升[26];研究表明30 ℃高溫脅迫下美洲鰣血清AST和ALT活性隨時間增長呈升高趨勢[27]。這與本研究結(jié)果相似,在本研究中17 ℃組和20 ℃組血清中AST和ALT活性隨脅迫時間的延長顯著上升,表明急性高溫可能引起肝臟組織受損,細胞膜通透性增大,致使血清中酶活性升高。
ALP是魚類重要的非特異性免疫標(biāo)志酶,也是重要的代謝調(diào)控酶,其活性受環(huán)境溫度變化的影響,可作為評價機體免疫能力、代謝水平的指標(biāo)[28]。對銀鯧的高溫脅迫研究結(jié)果表明,血清ALP活性隨溫度升高呈下降趨勢[29]。本實驗中也有類似的變化趨勢,17 ℃組和20 ℃組在脅迫前期顯著上升,之后顯著降低。分析原因可能在實驗開始時,受高溫的影響,黑龍江茴魚通過提升血清中的ALP的活力,提升自身的免疫力,以此抵御環(huán)境應(yīng)激;而隨脅迫時間延長,由于其機體免疫能力的下降,血清中的ALP活力顯著降低。
消化酶活性的高低反映魚類機體對攝入的營養(yǎng)物質(zhì)進行消化吸收的能力[30]。酶作為一種蛋白質(zhì),環(huán)境因素如酸堿度、鹽度及溫度等對其活性影響較大,其中環(huán)境溫度作為最關(guān)鍵的影響因子之一,直接影響著魚體內(nèi)的消化酶活性[9]。研究發(fā)現(xiàn),對銀鯧幼魚進行48 h高溫脅迫時,隨脅迫時間的增加腸道淀粉酶、蛋白酶活性呈先上升后下降的趨勢,在脅迫24 h時達到最高值[10]。石鯛(Oplegnathusfasciatus)幼魚隨著溫度的升高,其腸道淀粉酶和蛋白酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢[31]。本研究結(jié)果顯示,17 ℃組和20 ℃組腸道淀粉酶和蛋白酶活性隨脅迫時間的增加均呈先上升后下降的趨勢,于脅迫24 h時達到最大值,與上述的研究結(jié)果基本一致。表明在此溫度脅迫下,黑龍江茴魚淀粉酶及蛋白酶的結(jié)構(gòu)可能被破壞,導(dǎo)致其酶活性降低[10]。而翹嘴鱖在急性溫度脅迫下的研究表明,淀粉酶和蛋白酶隨脅迫時間的增加呈先下降后上升的變化趨勢[12],與本試驗的結(jié)果相反,出現(xiàn)差異的原因可能與實驗魚種、實驗溫度及應(yīng)激時間等不同有關(guān)。
脂肪酶是脂質(zhì)代謝過程中非常重要的酶類,水解脂肪產(chǎn)生甘油一酯、游離脂肪酸及甘油二酯,最終轉(zhuǎn)化為脂肪酸和甘油而為魚體供能[32]。本研究中,17 ℃組和20 ℃組脂肪酶活性隨脅迫時間的延長緩慢增加,說明此溫度下黑龍江茴魚脂肪酶的活性并沒有被破壞。這與美洲鰣[11]研究的結(jié)果一致。由于在本實驗過程中未對黑龍江茴魚進行投喂,推測在急性高溫脅迫前期可能主要水解糖類和蛋白質(zhì)提供機體所需的能量,后期轉(zhuǎn)為水解脂肪供能。
水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中,溫度是影響魚類生長發(fā)育的重要環(huán)境因子之一,水溫突變會使魚類產(chǎn)生氧化應(yīng)激,導(dǎo)致組織氧化損傷[16]。魚體在正常的新陳代謝下產(chǎn)生的活性氧自由基(ROS)處于動態(tài)平衡中,當(dāng)受到外界環(huán)境因子的刺激時ROS就會大量生成,過量的ROS會對機體組織造成一定的損傷[17]。SOD、CAT是生物體清除ROS的關(guān)鍵抗氧化酶,SOD將機體內(nèi)產(chǎn)生的ROS分解成過氧化氫,CAT和GPX作為過氧化氫的清除劑,將過氧化氫還原成氧分子和水,從而維持機體的正常生理活動,故可作為魚類機體在氧化應(yīng)激狀態(tài)的重要指示物[14]。陸健等[33]發(fā)現(xiàn)急性高溫脅迫下大口黑鱸(Micropterussalmoides)肝臟抗氧化酶活性隨脅迫時間的增加呈先升高后下降的趨勢。姜旭陽等[2]研究報道顯示,溫度升高對虹鱒和硬頭鱒肝臟抗氧化酶有顯著影響,在高溫應(yīng)激前期抗氧化酶活性均出現(xiàn)升高的趨勢。急性高溫應(yīng)激對尼羅羅非魚肝臟抗氧化酶影響顯著,高溫脅迫下SOD、CAT活性隨脅迫時間的延長均呈先升高后下降的變化[23]。本研究結(jié)果顯示,高溫脅迫下(14、17和20 ℃)黑龍江茴魚肝臟中SOD、CAT和GPX活性隨脅迫時間的增加均呈先上升后下降的變化趨勢,于脅迫24 h時顯著高于對照組,與上述的研究結(jié)果相似。這可能是因為在脅迫前期,魚類為了適應(yīng)環(huán)境應(yīng)激,通過提升各種抗氧化酶的活性以清除產(chǎn)生的自由基,使得機體維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。隨后17 ℃組和20 ℃組在脅迫24 h后,CAT活性顯著降低于對照組水平以下,而SOD、GPX活性降低但顯著高于對照組水平,這可能是SOD和GPX對溫度敏感性較低,CAT活性被抑制誘導(dǎo)GPX活性上升,GPX發(fā)揮其代償作用清除機體內(nèi)過多的H2O2[2]。這與謝明媚等[34]研究溫度對銀鯧幼魚肝臟抗氧化酶活性影響的結(jié)果相似。
超氧化物歧化酶和過氧化氫酶是非常重要的應(yīng)激指示物之一[33]。外界環(huán)境因素會顯著影響機體SOD、CAT基因的表達量,如溫度、低氧、鹽度及微生物等[35]。孫旋輝等[5]研究發(fā)現(xiàn)鱖幼魚在高溫應(yīng)激下,SOD基因相對表達量顯著升高。研究表明黑鯛(Acanthopagrusschlegeli)在熱應(yīng)激后SOD、CAT基因表達量顯著升高[36]。張美東等[37]研究發(fā)現(xiàn),鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)經(jīng)低氧脅迫后,肝臟中SOD活性在低氧脅迫24 h時顯著上升,且SOD基因表達趨勢與酶活一致??准蚊鞯萚38]研究表明,羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)被細菌感染后SOD基因、CAT基因的相對表達量呈先升高后降低再升高的變化趨勢。本研究發(fā)現(xiàn),高溫脅迫下肝臟中SOD、CAT基因相對表達量均顯著上調(diào)表達,與上述的研究結(jié)果一致。表明機體在高溫脅迫下產(chǎn)生氧化應(yīng)激,機體通過促進大量SOD、CAT基因的表達以清除組織中活性氧自由基,維持機體平衡。此外,肝臟中CAT基因表達量與相應(yīng)酶活性的變化趨勢不同,推測可能是因為基因翻譯為蛋白的過程中受多種調(diào)控因素影響[39]??寡趸富钚约捌浠虮磉_和蛋白質(zhì)水平上有差異,也可能與生物體內(nèi)酶的類型有關(guān),具體機制還有待進一步深入探究。
本實驗研究表明,在17~20 ℃高溫處理下,黑龍江茴魚血清中ALT和AST活性顯著上升,TP和ALP活性顯著下降;腸道淀粉酶和蛋白酶活性顯著降低,脂肪酶活性顯著增加;肝臟中SOD和GPX活性顯著上升,CAT活性顯著下降,對魚體的生理代謝和抗氧化防御能力造成顯著的影響。因此在黑龍江茴魚養(yǎng)殖生產(chǎn)操作過程中,應(yīng)密切關(guān)注養(yǎng)殖溫度的變化且控制其養(yǎng)殖溫度在11~14 ℃左右,盡量避免高溫和溫度急劇變化對魚體造成應(yīng)激損傷。