李 笑 曲 藝 張倩倩 張?zhí)煊?曹瑞文 趙建民, 4

海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦氧化應(yīng)激和能量代謝的影響*

李 笑1, 2, 3曲 藝1, 2, 3張倩倩1, 2張?zhí)煊?, 2, 3曹瑞文1, 2, 3趙建民1, 2, 4①

(1. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 牟平海岸帶環(huán)境綜合試驗(yàn)站 煙臺(tái) 264117; 2. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 海岸帶生物資源高效利用研究與發(fā)展中心 煙臺(tái) 264003; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 青島 266071)

伴隨著全球氣候變化的日益加劇, 過(guò)量CO2排放所導(dǎo)致的海洋酸化和暖化現(xiàn)象已引起廣泛關(guān)注。本研究設(shè)置了兩個(gè)pH水平(pH 8.1和pH 7.6)和兩個(gè)溫度梯度(20.0和23.0°C), 以探討海水酸化和溫度升高對(duì)日本鼓蝦(Miers)氧化應(yīng)激和能量代謝過(guò)程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 海水酸化、熱應(yīng)激以及海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合脅迫能夠誘導(dǎo)日本鼓蝦產(chǎn)生不同程度的氧化應(yīng)激現(xiàn)象, 且海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)過(guò)氧化氫酶(Catalase, CAT)活性、還原型谷胱甘肽(Glutathione, GSH)含量和還原型谷胱甘肽與氧化型谷胱甘肽比值(Glutathione/Oxidized Glutathione, GSH/GSSG)有交互作用; 其中, 海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露導(dǎo)致鼓蝦GSH含量較對(duì)照組水平降低了66.0%, GSH/GSSG比值降低為對(duì)照組水平的20.8%, 而脂質(zhì)過(guò)氧化水平則較對(duì)照組顯著增加了51.4%。此外, 海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露能夠?qū)е氯毡竟奈r己糖激酶(Hexokinase, HK)活性的顯著增強(qiáng)和蛋白質(zhì)含量的顯著降低, 提示鼓蝦通過(guò)調(diào)節(jié)糖酵解過(guò)程和能量?jī)?chǔ)備來(lái)滿足機(jī)體的能量代謝需求。上述結(jié)果表明, 短期海水酸化和熱應(yīng)激暴露能夠影響日本鼓蝦的抗氧化防御體系、能量代謝過(guò)程以及能量?jī)?chǔ)備能力, 長(zhǎng)期持續(xù)暴露可能會(huì)對(duì)其種群維持構(gòu)成潛在威脅。

日本鼓蝦; 海水酸化; 熱應(yīng)激; 氧化應(yīng)激; 能量代謝

生活在近岸海域的海洋生物承受著較強(qiáng)的生存壓力, 同時(shí)面臨著海水酸化和升溫等多重環(huán)境壓力(Cao, 2019)。越來(lái)越多的證據(jù)表明, 海洋酸化對(duì)軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、造礁珊瑚、棘皮動(dòng)物等海洋生物具有負(fù)面效應(yīng)(Talmage, 2009; Sinutok, 2014; Figueiredo, 2016; Mollica, 2018), 能夠影響生長(zhǎng)發(fā)育、鈣化沉積、酸堿平衡調(diào)節(jié)和能量代謝等生理過(guò)程。此外, 海洋動(dòng)物多為變溫動(dòng)物, 對(duì)溫度變化較為敏感, 其存活、發(fā)育、繁殖和應(yīng)激反應(yīng)等關(guān)鍵生理過(guò)程均受到溫度變化的顯著影響(Yao, 2014)。例如, 熱應(yīng)激可導(dǎo)致華麗長(zhǎng)臂蝦()、短吻海馬()和海膽()等多種海洋動(dòng)物的代謝抑制、熱休克反應(yīng)和氧化應(yīng)激等負(fù)面效應(yīng)(Aurélio, 2013; Madeira, 2016; Harianto, 2018), 同時(shí)伴隨著機(jī)體熱調(diào)節(jié)能力的顯著抑制(Brothers,2015)。然而, 相比多因素復(fù)合影響, 多數(shù)研究主要關(guān)注單一環(huán)境壓力對(duì)關(guān)鍵生態(tài)類群的影響, 對(duì)多重壓力下的耦合效應(yīng)研究仍然非常有限。已有研究發(fā)現(xiàn), 海水酸化和升溫刺激能夠影響多種海洋生物的生長(zhǎng)繁殖、新陳代謝、鈣化過(guò)程、內(nèi)分泌調(diào)控等生理過(guò)程以及行為學(xué)特征(Walther, 2010; Johnson, 2012; Little, 2013; Rivest, 2014; Pistevos, 2015), 而且不同種類以及同種類不同發(fā)育階段的生物表現(xiàn)出明顯的敏感性差異(Hendriks, 2010; Kroeker, 2010)。例如, 海水酸化和升溫在抑制白棘三列海膽()幼蟲生長(zhǎng)方面表現(xiàn)出加和效應(yīng)(Brennand, 2010), 而適度的升溫刺激則能夠減弱海水酸化對(duì)長(zhǎng)牡蠣()幼蟲生長(zhǎng)的負(fù)面影響(Parker, 2010)。

鼓蝦物種豐富、生態(tài)多樣性高, 常與蝦虎魚、海綿、螠蟲動(dòng)物、珊瑚和?？绕渌锕采? 是研究宿主類型和棲息地環(huán)境關(guān)系的理想生態(tài)類群(Hurt, 2013)。其中, 日本鼓蝦(Miers)為我國(guó)近海常見(jiàn)種類, 也是我國(guó)沿海漁業(yè)的常見(jiàn)捕撈對(duì)象; 同時(shí), 作為黃渤海漁業(yè)資源的重要餌料生物, 其數(shù)量波動(dòng)將影響到生態(tài)系統(tǒng)的能量傳遞途徑和食物網(wǎng)的穩(wěn)定(徐從軍等, 2019)?；诖? 本研究以日本鼓蝦為研究對(duì)象, 開(kāi)展了為期14天的海水酸化和熱應(yīng)激暴露實(shí)驗(yàn), 以評(píng)估單獨(dú)或復(fù)合暴露對(duì)鼓蝦氧化應(yīng)激和能量代謝等生理過(guò)程的影響, 研究結(jié)果可為深入了解多重壓力下近海關(guān)鍵生態(tài)類群的響應(yīng)途徑提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物采集與暴露實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)用日本鼓蝦樣品[體長(zhǎng)(41.2±5.3)mm, 體重(2.2±0.5)g]采集自山東煙臺(tái)近岸海域, 樣品采集時(shí)的海水溫度約為18°C, pH約為8.0。樣品采集后, 置于新鮮海水中, 立即運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行為期10天的暫養(yǎng)。暫養(yǎng)期間, 水溫控制在(18.0±0.2)°C, pH 8.10±0.03; 其間投喂商品化對(duì)蝦飼料, 每日更換新鮮砂濾海水。

本研究采用2×2雙因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì), 包括兩個(gè)pH水平(pH 8.1和pH 7.6)和兩個(gè)溫度梯度(20.0和23.0°C), 共設(shè)置4個(gè)處理組。其中, 海水溫度和pH的設(shè)置以采樣海域的實(shí)際溫度和pH為基礎(chǔ)(Zhang, 2018), 同時(shí)參考了聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)預(yù)測(cè)的2100年海水增溫和pH降低幅度(IPCC, 2014)。暴露實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 通過(guò)恒溫控制系統(tǒng)以每天0.5°C的幅度逐步調(diào)節(jié)溫度至預(yù)設(shè)值, 采用氣體-CO2流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水體pH值至預(yù)設(shè)值; 各處理組達(dá)到預(yù)定條件后穩(wěn)定5天, 開(kāi)始為期14天的正式暴露實(shí)驗(yàn)。各處理組分別設(shè)置三個(gè)重復(fù), 每個(gè)平行水箱內(nèi)養(yǎng)殖20只日本鼓蝦, 整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的死亡率低于5%。

實(shí)驗(yàn)期間, 每日采用PB-10型pH計(jì)(Sartorius公司, 德國(guó))測(cè)定水體pH, 使用前采用符合美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局標(biāo)準(zhǔn)的pH緩沖溶液校準(zhǔn); 海水鹽度和溶解氧(DO)采用YSI?85型多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定; 此外, 每隔兩天采集水樣, 使用798 MPT Titrino自動(dòng)電位滴定儀(Metrohm公司, 瑞士)測(cè)定水體總堿度(TA)。根據(jù)測(cè)定的溫度、鹽度、pH值和TA值, 使用CO2SYS軟件計(jì)算海水的碳酸鹽化學(xué)參數(shù), 相關(guān)化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 暴露期間相關(guān)海水化學(xué)參數(shù)

Tab.1 Relevant seawater chemical parameters during the exposure experiment

1.2 樣品采集

暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 分別采集日本鼓蝦的肌肉和消化腺組織, 立即置于液氮中速凍, 隨后所有樣品置于-80°C超低溫冰箱保存, 直至后續(xù)生理、生化指標(biāo)分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 每個(gè)處理組設(shè)置6個(gè)重復(fù)。

1.3 氧化應(yīng)激指標(biāo)測(cè)定

氧化應(yīng)激指標(biāo)測(cè)定采用南京建成生物工程研究所研制的商品化試劑盒, 方法簡(jiǎn)述如下: (1) 組織勻漿液制備: 稱取適量肌肉組織, 加入磷酸鹽緩沖溶液(0.01mol/L K2HPO4, 0.01mol/L KH2PO4, 0.5mol/L KCl, 1mmol/L EDTA-Na2)中, 制備成10%/的組織勻漿液; 10000, 4°C離心15min收集上清液。(2) 氧化應(yīng)激指標(biāo)測(cè)定: 超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(Glutathione S-transferase, GST)活性和還原型谷胱甘肽(GSH)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量以及脂質(zhì)過(guò)氧化物(Lipid Peroxidation, LPO)水平的測(cè)定參照南京建成生物工程研究所的相關(guān)試劑盒說(shuō)明書, 抗氧化酶SOD、CAT和GST的活力單位為U/mg prot, GSH和GSSG含量以mg/g prot表示, GSH/GSSG比值由GSH和GSSG含量換算; LPO水平以丙二醛(MDA)含量表示, 測(cè)定單位為nmol/mg prot; 組織總蛋白濃度采用BCA法測(cè)定, 所用試劑盒購(gòu)自南京建成生物工程研究所, 測(cè)定單位為mg/L。

1.4 糖酵解和消化酶指標(biāo)測(cè)定

本研究測(cè)定的能量代謝相關(guān)指標(biāo)主要包括糖酵解酶[丙酮酸激酶(Pyruvate Kinase, PK)和己糖激酶(HK)]和消化酶[胰蛋白酶(Trypsin, Tryp)和堿性磷酸酶(Alkaline Phosphatase, AKP)], 測(cè)定流程簡(jiǎn)述如下: 取適量肝胰腺組織在0.86%生理鹽水溶液中勻漿, 制備成10%/的組織勻漿液; 在4°C下10000離心15min, 獲得勻漿液上清; 采用南京建成生物工程研究所研制的商品化試劑盒, 分別進(jìn)行丙酮酸激酶(PK)、己糖激酶(HK)和胰蛋白酶(Tryp)、堿性磷酸酶(AKP)的活性測(cè)定。丙酮酸激酶(PK)、己糖激酶(HK)和堿性磷酸酶(AKP)的活性單位為U/g prot, 胰蛋白酶(Tryp)活性單位為U/mg prot, 組織總蛋白濃度測(cè)定方法同上。

1.5 能量?jī)?chǔ)備物質(zhì)含量測(cè)定

本研究測(cè)定的能量?jī)?chǔ)備物質(zhì)主要包括糖原(Glycogen, GLY)和蛋白質(zhì)(Protein, PROT)含量, 測(cè)定方法簡(jiǎn)述如下: 采集適量肌肉組織, 加入勻漿緩沖液(0.1mol/L Tris-HCl, 15% PVP, 153μmol/L MgSO4和0.2% Triton X-100)中勻漿, 制備成10%/的組織勻漿液; 在4°C下以10000離心15min, 收集勻漿液上清, 用于儲(chǔ)能物質(zhì)含量分析。糖原(GLY)含量測(cè)定參照Dubois等(1956)描述的苯酚-硫酸法, 以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行糖原含量的定量; 蛋白質(zhì)(PROT)含量測(cè)定以牛血清白蛋白為標(biāo)準(zhǔn), 根據(jù)Biuret方法對(duì)PROT含量進(jìn)行定量(Robinson, 1940)。GLY和PROT含量均以mg/g FW(鮮重)表示。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示, 使用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析, 事后檢驗(yàn)采用Tukey檢驗(yàn), 顯著性水平設(shè)定為<0.05。通過(guò)雙因素方差分析評(píng)估不同處理組間的差異, 顯著性水平設(shè)定為<0.05。

2 結(jié)果

2.1 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦氧化應(yīng)激的影響

海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦氧化應(yīng)激指標(biāo)的影響如圖1所示。與對(duì)照組相比, 酸化和熱應(yīng)激處理組鼓蝦的SOD活性均無(wú)顯著變化(圖1a); 然而, 酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露(pH 7.6 + 23.0°C)導(dǎo)致鼓蝦的SOD活性顯著低于酸化單獨(dú)暴露組(pH 7.6)。暴露14天后, 熱應(yīng)激處理組(23.0°C)的CAT活性較對(duì)照組水平顯著增加1.12倍(<0.05, 圖1b), 而酸化單獨(dú)暴露(pH 7.6)、酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露(pH 7.6 + 23.0°C)對(duì)鼓蝦的CAT活性均無(wú)顯著影響。對(duì)于GST活性而言, 各處理組間均不存在顯著差異(圖1c)。此外, 酸化(pH 7.6)、熱應(yīng)激(23°C)以及酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露組(pH 7.6 + 23°C)的GSH含量和GSH/GSSG比值均較對(duì)照組水平顯著降低(<0.05, 圖1d, 1e); 其中, 酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露組的GSH含量較對(duì)照組水平降低66.0%, GSH/GSSG比值降低為對(duì)照組水平的20.8%。然而, 熱應(yīng)激(23.0°C)和酸化升溫復(fù)合暴露(pH 7.6 + 23°C)導(dǎo)致LPO水平較對(duì)照組分別增加47.2%和51.4%(<0.05, 圖1f)。ANOVA結(jié)果分析表明, 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦的CAT活性、GSH含量和GSH/GSSG比值均具有交互作用(表2)。

2.2 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦糖酵解酶類的影響

海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)鼓蝦肝胰腺組織中糖酵解酶的影響如圖2所示。暴露14天后, 海水酸化處理組(pH 7.6)的PK活性顯著高于其他處理組, 而酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露(pH 7.6 + 23.0°C) 則導(dǎo)致鼓蝦PK活性較對(duì)照組降低了21.2% (<0.05, 圖2a)。此外, 海水酸化和熱應(yīng)激單獨(dú)處理對(duì)HK活性無(wú)顯著影響, 而酸化海水和熱應(yīng)激復(fù)合暴露組(pH 7.6 + 23.0°C)的HK活性較對(duì)照組水平顯著增加了83.6% (<0.05, 圖2b)。ANOVA分析結(jié)果表明, 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦的PK活性具有顯著的交互作用(表2)。

圖1 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦氧化應(yīng)激指標(biāo)的影響

注: a: 超氧化物歧化酶(SOD); b: 過(guò)氧化氫酶(CAT); c: 谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(GST); d: 還原型谷胱甘肽(GSH); e: 還原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽(GSH/GSSG); f: 脂質(zhì)過(guò)氧化水平(LPO)。豎線代表平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(= 6), 標(biāo)有不同字母的處理組間存在顯著性差異(<0.05)。

表2 雙因素方差分析: 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦生理指標(biāo)的影響

Tab.2 Two-way ANOVA: Effects of seawater acidification and warming on physiological parameters of A. japonicus

注: 表中加粗字體表示具有顯著作用。

圖2 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦糖酵解酶活性的影響

注: a: 丙酮酸激酶(PK); b: 己糖激酶(HK)。豎線代表平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(= 6), 標(biāo)有不同字母的處理組間存在顯著性差異(<0.05)。

2.3 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦消化酶類的影響

海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)鼓蝦肝胰腺組織中消化酶活性的影響如圖3所示。海水酸化和熱應(yīng)激單獨(dú)暴露14天后, 胰蛋白酶Tryp活性較對(duì)照組水平無(wú)顯著變化, 而酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露組(pH 7.6 + 23.0°C)的胰蛋白酶Tryp活性則較對(duì)照組水平升高了36.5% (<0.05, 圖3a)。此外, 無(wú)論酸化暴露與否, 熱應(yīng)激(23.0°C)處理能夠顯著抑制鼓蝦肝胰腺的AKP活性(圖3b)。

2.4 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦儲(chǔ)能物質(zhì)含量的影響

海水酸化和熱應(yīng)激暴露14天后, 日本鼓蝦肌肉組織中的儲(chǔ)能物質(zhì)含量如圖4所示。其中, 海水酸化和熱應(yīng)激單獨(dú)處理組的蛋白質(zhì)含量較對(duì)照組無(wú)顯著變化, 而海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露(pH 7.6 + 23.0°C)可導(dǎo)致鼓蝦肌肉組織中的蛋白質(zhì)含量顯著低于其他三個(gè)處理組(<0.05, 圖4a)。對(duì)糖原含量而言, 雖然海水酸化和/或熱應(yīng)激處理組較對(duì)照組水平有所降低, 但均與對(duì)照組含量無(wú)顯著差異(圖4b)。分析發(fā)現(xiàn), 在單獨(dú)酸化(pH 7.6)條件下, 鼓蝦體內(nèi)兩種儲(chǔ)能物質(zhì)(糖原和蛋白質(zhì))的含量均無(wú)顯著變化, 表明在短期酸化處理下鼓蝦尚能維持其能量穩(wěn)態(tài)。雙因素方差分析結(jié)果表明, 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦肌肉組織中的蛋白質(zhì)含量具有顯著的交互作用(表2)。

圖3 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦消化酶活性的影響

注: a: 胰蛋白酶(Tryp); b: 堿性磷酸酶(AKP)。豎線代表平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(= 6), 標(biāo)有不同字母的處理組間存在顯著性差異(<0.05)。

圖4 海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦儲(chǔ)能物質(zhì)含量的影響

注: a: 蛋白質(zhì)(PROT); b: 糖原(GLY)。豎線代表平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(= 6), 標(biāo)有不同字母的處理組間存在顯著性差異(<0.05)。

3 討論

越來(lái)越多的證據(jù)表明, 海洋酸化和暖化將不可避免地造成海洋生物多樣性的下降, 導(dǎo)致生物群落結(jié)構(gòu)及地理分布的變遷, 進(jìn)而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、服務(wù)與產(chǎn)出(Campbell, 2016)。目前, 有關(guān)海洋酸化和暖化對(duì)軟體動(dòng)物、珊瑚等海洋生物的影響已有較多報(bào)道, 但在甲殼類生物中的研究相對(duì)較少。已有研究發(fā)現(xiàn), 甲殼類動(dòng)物對(duì)海洋環(huán)境變化的適應(yīng)能力較弱, 為面臨較高風(fēng)險(xiǎn)的生態(tài)類群(Whiteley, 2011)。本文以兼具生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的近海常見(jiàn)種——日本鼓蝦為研究對(duì)象, 探討了海水酸化和升溫對(duì)其氧化應(yīng)激和能量代謝等生理過(guò)程的影響, 以期能夠?yàn)闇?zhǔn)確評(píng)估多重環(huán)境壓力下近海關(guān)鍵生態(tài)類群的適應(yīng)潛力提供理論依據(jù)。

3.1 氧化應(yīng)激

活性氧(ROS)是生物體正常有氧代謝過(guò)程的副產(chǎn)物(Halliwell, 1986), 保持ROS的動(dòng)態(tài)平衡是機(jī)體維持正常生理功能的關(guān)鍵。當(dāng)生物體受到外界環(huán)境干擾時(shí), 會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的ROS平衡失調(diào), 從而造成機(jī)體的氧化損傷(Hassoun, 1996; Almazan, 2000)。在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中, 生物體形成了一整套抗氧化防御機(jī)制, 主要包括SOD、CAT、GST、GPx等酶抗氧化系統(tǒng)和多種小分子抗氧化物質(zhì)。其中, SOD是機(jī)體清除氧自由基的關(guān)鍵酶類, 能夠催化超氧化物轉(zhuǎn)化為H2O2, 而CAT則可將H2O2進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為H2O; GST可以催化谷胱甘肽與親脂性化合物結(jié)合, 在機(jī)體防御氧化應(yīng)激中也發(fā)揮著重要作用(Matozzo, 2013)。

已有研究表明, 包括海水酸化、熱應(yīng)激和污染物暴露在內(nèi)的多種環(huán)境壓力, 均能夠增加海洋無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)的ROS含量(Zhang, 2012; Siddiqui, 2015), 造成機(jī)體的氧化損傷。例如, 海水酸化和/或熱應(yīng)激可導(dǎo)致蝦夷扇貝()、雞簾蛤()和紫貽貝()體內(nèi)ROS的過(guò)量產(chǎn)生, 從而對(duì)機(jī)體健康狀態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響(Matozzo, 2013; Liao, 2019)。在本研究中, 短期海水酸化處理(pH 7.6)對(duì)日本鼓蝦的SOD和CAT活性均無(wú)顯著影響, 熱應(yīng)激(23.0°C)則能夠顯著誘導(dǎo)CAT活性, 推測(cè)SOD和CAT活性變化的不同步性與該兩種酶的受影響模式存在差異密切相關(guān)(秦潔芳等, 2011)。此外, 熱應(yīng)激單獨(dú)暴露以及海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露均能夠?qū)е聶C(jī)體LPO水平的顯著升高和GSH含量、GSH/GSSG的顯著降低。LPO作為細(xì)胞和組織氧化損傷的重要指標(biāo), 常被用來(lái)表征生物膜氧化損傷的程度; GSH是一種重要的抗氧化劑, 可作為底物與GPx和GST共同抵御過(guò)氧化損害, 其含量是衡量機(jī)體抗氧化能力的重要因素。本研究中LPO水平的顯著升高和GSH含量、GSH/GSSG比值的顯著降低, 表明熱應(yīng)激以及海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露均能夠誘導(dǎo)較為嚴(yán)重的脂質(zhì)過(guò)氧化, 導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激現(xiàn)象。類似的現(xiàn)象在其他多種物種中已有報(bào)道, 如熱應(yīng)激可導(dǎo)致南極扇貝()消化腺中GSH含量降低(Benedetti, 2016), 海水酸化和卡馬西平復(fù)合暴露則能夠?qū)е聹\溝蛤()體內(nèi)GSH/GSSG比值的降低和LPO水平的升高(Freitas, 2016)。

3.2 能量代謝與儲(chǔ)備

能量代謝標(biāo)志物對(duì)于評(píng)估環(huán)境壓力下的機(jī)體能量狀態(tài)具有重要的指示意義(Dong, 2016)。Freitas等(2017)研究發(fā)現(xiàn), 海水酸化暴露可導(dǎo)致紫貽貝()體內(nèi)的蛋白質(zhì)含量被顯著抑制, 而酸化和燦爛弧菌復(fù)合暴露也能夠?qū)е麻L(zhǎng)牡蠣()體內(nèi)蛋白質(zhì)含量的顯著降低(Cao, 2018)。在本研究中, 單獨(dú)酸化、熱應(yīng)激處理對(duì)鼓蝦體內(nèi)的蛋白質(zhì)和糖原含量無(wú)顯著影響, 而海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露則能夠顯著抑制鼓蝦體內(nèi)的蛋白質(zhì)含量, 提示復(fù)合暴露對(duì)機(jī)體能量物質(zhì)儲(chǔ)備的影響較單一暴露組更加強(qiáng)烈。蛋白質(zhì)含量降低的原因可能是由于氨基酸被動(dòng)員進(jìn)入三羧酸循環(huán)為機(jī)體提供能量, 抑或氨基酸被用于合成其他抵抗環(huán)境應(yīng)激的物質(zhì)。

PK和HK作為糖酵解過(guò)程重要的變構(gòu)調(diào)節(jié)酶, 其活力變化能夠反映機(jī)體對(duì)糖酵解過(guò)程的調(diào)控水平。例如, 熱應(yīng)激可降低紫貽貝()外套膜的PK活性(Anestis, 2007)。在本研究中, 海水酸化導(dǎo)致鼓蝦肝胰腺組織的PK活性顯著升高, 表明機(jī)體通過(guò)增強(qiáng)糖酵解過(guò)程以維持其酸堿穩(wěn)態(tài)及其他應(yīng)激反應(yīng)所需的能量; 然而, 在熱應(yīng)激以及酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露條件下, 鼓蝦肝胰腺PK活性受到顯著抑制, 這可能是由于熱應(yīng)激導(dǎo)致了線粒體呼吸速率增加, 加速了ROS的形成(錢佳慧等, 2015), 進(jìn)而導(dǎo)致PK活性的降低。此外, 在酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露條件下, 肝胰腺HK活性受到顯著誘導(dǎo), 較對(duì)照組水平增加了83.6%, 表明鼓蝦體內(nèi)糖原消耗的增加, 用于滿足機(jī)體耗氧代謝的需求, 這與本研究中熱應(yīng)激條件下糖原含量降低的趨勢(shì)相吻合。類似的現(xiàn)象在金頭鯛()中也有報(bào)道, 單獨(dú)酸化以及酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露均可導(dǎo)致機(jī)體糖酵解過(guò)程的增強(qiáng)和糖原含量的降低(Araújo, 2018)?？傮w而言, 熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦糖酵解酶類活性的影響強(qiáng)于酸化, 這可能是由于溫度升高導(dǎo)致機(jī)體代謝速率的加快, 從而誘導(dǎo)了能量代謝相關(guān)酶類活性的顯著變化。

消化酶活性變化也是生物體能量代謝調(diào)節(jié)的途徑之一(Hochachka, 2002), 被認(rèn)為是評(píng)估機(jī)體受環(huán)境脅迫導(dǎo)致的生物學(xué)損傷和生理狀態(tài)改變的可靠指標(biāo)(Zambonino Infante, 2008)。Rosa等研究發(fā)現(xiàn), 適度升溫刺激可導(dǎo)致清潔蝦()肝胰腺中胰蛋白酶活性的顯著升高(Rosa, 2014)。在本研究中, 酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露導(dǎo)致日本鼓蝦胰蛋白酶活性顯著升高, 提示機(jī)體可能通過(guò)增強(qiáng)蛋白質(zhì)消化能力以維持自身能量的穩(wěn)態(tài)。此外, 熱應(yīng)激處理能夠顯著抑制鼓蝦AKP活性, 這被認(rèn)為與AKP酶活性的溫度依賴性密切相關(guān)。與海水酸化暴露相比, 熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦肝胰腺中消化酶活性的影響更加顯著, 提示熱應(yīng)激對(duì)日本鼓蝦消化能力的影響程度高于海水酸化。

4 結(jié)論

本文以日本鼓蝦為研究對(duì)象, 探討了海水酸化和熱應(yīng)激對(duì)其氧化應(yīng)激和能量代謝等生理過(guò)程的影響, 主要結(jié)論如下: 短期海水酸化、熱應(yīng)激以及海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露處理均可導(dǎo)致日本鼓蝦出現(xiàn)不同程度的氧化應(yīng)激現(xiàn)象, 且復(fù)合暴露組的LPO水平和GSH/GSSG比值較單獨(dú)暴露組變化更加顯著; 同時(shí), 海水酸化、熱應(yīng)激以及海水酸化和熱應(yīng)激復(fù)合暴露能夠影響鼓蝦的糖酵解過(guò)程和能量?jī)?chǔ)備, 且表現(xiàn)為熱應(yīng)激的影響程度高于海水酸化。

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EFFECTS OF SEAWATER ACIDIFICATION AND THERMAL STERSS ON THE ANTIOXIDANT RESPONSES AND ENERGY METABOLISM OFMIERS

LI Xiao1, 2, 3, QU Yi1, 2, 3, ZHANG Qian-Qian1, 2, ZHANG Tian-Yu1, 2, 3, CAO Rui-Wen1, 2, 3, ZHAO Jian-Min1, 2, 4

(1. Muping Coastal Environmental Research Station, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264117, China; 2. Research and Development Center for Efficient Utilization of Coastal Bioresources, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Center for Ocean Mega-science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

As a consequence of global climate change in the last two centuries, ocean acidification resulted in warming waters. In this study, we explored the physiological responses of snapping shrimpMiers, an abundant and broadly distributed species of marine crustacean, to modern (400ppm) and future ambient CO2(2000ppm) seawater acidic levels at two temperatures (20, 23°C) in experiment. Results show that the elevated acidic and thermal stresses led to oxidative stress, and acidic and thermal stresses had interactive effects on the catalase (CAT) activity, glutathione (GSH) content and the ratio of glutathione (GSH) to oxidized glutathione (GSSG), GSH content and the GSH/GSSG ratio of the shrimp were significantly inhibited by 66.0% and 20.8%, respectively, while the LPO level increased by 51.4% in contrast to the control’s. Moreover, the HK activity was increased and PROT content reduced, showing disturbance in glycolysis and energy reserves. In other words, the energy metabolism strategy adopted bywould be not sustainable in the long term. In addition, the short-term seawater acidification and elevated thermal stress in the experiment triggered oxidative stress and disturbance in energy metabolism of. Therefore, global warming and ocean acidification would affect the population replenishment of the species, as well as other ocean creatures in the future.

Miers; seawater acidification; thermal stress; antioxidant response; energy metabolism

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃, 2018YFC1406503號(hào)。李 笑, 碩士研究生, E-mail: xiaoli@yic.ac.cn

趙建民, 博士生導(dǎo)師, 研究員, E-mail: jmzhao@yic.ac.cn

2020-02-17,

2020-03-08

S968.2

10.11693/hyhz20200200042