張鈺 海薩·艾也力汗 熱比古麗·沙吾提 時(shí)春明 張人銘
(新疆維吾爾自治區(qū)水產(chǎn)科學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北地區(qū)漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,烏魯木齊 830000)
魚類屬于變溫動(dòng)物,自身缺乏體溫調(diào)節(jié)能力,其體溫隨環(huán)境溫度的變化而變化,對(duì)水溫的反應(yīng)敏感且迅速,易受環(huán)境溫度影響[1]。環(huán)境溫度的變化影響魚類繁殖發(fā)育、生長存活、免疫和攝食等重要生命活動(dòng)過程[2]。魚類的熱耐受性在揭示魚類溫度適應(yīng)能力和可塑性、種群地理分布以及評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)潛在熱沖擊的承受能力等方面具有重要的作用[3-5]。白斑狗魚(Esox lucius)隸屬于鮭形目(Salmoniformes),狗魚亞目(Esocoidei),狗魚科(Esocidae),狗魚屬(Esox),主要分布于歐洲、亞洲和北美洲的北極圈周邊地區(qū),我國境內(nèi)僅分布于額爾齊斯河流域,處于自然分布區(qū)域的南部邊界。
不同魚類對(duì)溫度的適應(yīng)能力不同,一般冷水性魚類的溫度適應(yīng)能力低于溫帶分布的魚類,同種魚類在不同發(fā)育階段的溫度適應(yīng)性也不同[6]。對(duì)于同一物種,早期生活階段對(duì)外界環(huán)境溫度的變化通常最為敏感,因此,相關(guān)耐熱性研究的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物多選擇幼體,這樣得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更有生物學(xué)和生態(tài)學(xué)意義[7]。
魚類的熱耐受性受生物因素(物種的種間差異、遺傳特性、個(gè)體大小、年齡、性別、生活史階段和營養(yǎng)狀況等)和非生物因素(馴化溫度、馴化時(shí)間、棲息地環(huán)境和水質(zhì)等)影響。在這些因素中,馴化溫度通常被認(rèn)為是最重要的影響因素之一[3,8]。
最大臨界值(critical thermal maximum,CTmax)和起始致死溫度(upper incipient temperature,UILT50)是表達(dá)魚類熱耐受閾值的主要指標(biāo)。熱休克蛋白70(heat shock proteins70,HSP70)在熱脅迫下參與機(jī)體和細(xì)胞的耐力形成,能夠幫助生物體應(yīng)對(duì)熱脅迫。眾多研究表明,在水生動(dòng)物受熱刺激后,HSP70表達(dá)量升高[9-14]。本研究以白斑狗魚仔、稚魚為實(shí)驗(yàn)材料,測(cè)定熱耐受性相關(guān)閾值,以期了解其高溫耐受性,并測(cè)定HSP70基因在不同應(yīng)激溫度下在不同組織中的表達(dá)量,為白斑狗魚養(yǎng)殖和生態(tài)適應(yīng)性研究提供基礎(chǔ)資料。
2019年4月2 日以養(yǎng)殖于新疆水生野生動(dòng)物救護(hù)中心的白斑狗魚為親本,從已性成熟的白斑狗魚群體中,選擇體重2 kg以上的雌魚、體重0.8 kg以上的雄魚,且豐滿度好、無病、無傷的個(gè)體作為親本。雌魚分2次注射催產(chǎn)素,針距為24 h,第一次注射劑量:5 μg SGnRH-A+1.5 mgVB1+3 mg DOM,第二次注射劑量:25 μg SGnRH-A+3 mg DOM;雄魚一次注射,注射劑量:5 μg SGnRH-A+1.5 mgVB1+3 mg DOM。人工催產(chǎn)3-4 d后,按照雌雄1∶2的比例挑選30組親魚人工采集精卵。在直徑為180 cm、高度為74 cm的圓形PE池中進(jìn)行受精卵孵化和苗種培育,以此作為高溫耐受性實(shí)驗(yàn)材料。
人工繁殖的白斑狗魚魚苗經(jīng)過2-3個(gè)月的培育,從中挑選體質(zhì)健壯、規(guī)格均一的幼魚作為HSP70基因表達(dá)量測(cè)定的材料。白斑狗魚幼魚平均體長為17.7 cm±1.2 cm,平均體重為42.9 g±3.5 g。在養(yǎng)殖車間暫養(yǎng)7日,暫養(yǎng)期間按常規(guī)養(yǎng)殖每日投喂2次,連續(xù)充氣,每天換水1/3。
1.2.1 白斑狗魚受精卵高溫耐受性測(cè)定 高溫耐受性實(shí)驗(yàn)在長×寬×高為68 cm×58 cm×50 cm的玻璃缸中進(jìn)行,控溫設(shè)備為500 W的HX-836劍客PTC加熱棒,用HACH HQ30d便攜式溶解氧分析儀測(cè)定實(shí)驗(yàn)水溫和溶解氧,24 h連續(xù)充氣。
實(shí)驗(yàn)用受精卵為同批次采集,完全吸水膨脹后隨機(jī)選取,每個(gè)溫度梯度約1 000粒。實(shí)驗(yàn)在4個(gè)玻璃缸中進(jìn)行,受精卵在離水面15 cm處固定的長×寬為10 cm×20 cm、網(wǎng)目為40目的著卵板上孵化。以人工授精自然水溫(15℃)為基點(diǎn),以0.5℃/h的加溫速率達(dá)到設(shè)置水溫[(15±0.5)℃、(17±0.5)℃、(19±0.5)℃和(21±0.5)℃]。受精卵孵化結(jié)束后統(tǒng)計(jì)孵出魚苗中畸形和正常魚苗的數(shù)量。受精率統(tǒng)計(jì):同批次受精卵在(15±1)℃的水溫中孵化至原腸中期后統(tǒng)計(jì)受精率。
1.2.2 白斑狗魚仔魚高溫耐受性測(cè)定 高溫耐受性實(shí)驗(yàn)在長×寬×高為68 cm×58 cm×50 cm的玻璃缸中進(jìn)行,用加熱棒控制水溫,用溶氧儀測(cè)定實(shí)驗(yàn)水溫和溶解氧,24 h連續(xù)充氣。實(shí)驗(yàn)魚完全失去平衡,無法正立,失去逃離能力則判定為已死亡。
溫度馴化:實(shí)驗(yàn)在4個(gè)玻璃缸(規(guī)格同上)中進(jìn)行,每個(gè)溫度梯度300尾上浮魚苗,馴化水溫設(shè)置為(18±0.5)℃、(21±0.5)℃、(24±0.5)℃和(27±0.5)℃,24 h充氣,每天投喂活體餌料2次,排污1次,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行7 d。
急性升溫實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)在4個(gè)玻璃鋼(規(guī)格同上)中進(jìn)行,水溫設(shè)置為(30±0.5)℃、(31±0.5)℃、(32±0.5)℃和(33±0.5)℃,每個(gè)玻璃缸內(nèi)放置4個(gè)長×寬×高為25 cm×40 cm×50 cm的網(wǎng)箱,每個(gè)網(wǎng)箱內(nèi)實(shí)驗(yàn)魚苗數(shù)量為10尾,實(shí)驗(yàn)開始前24 h停止投喂,觀察24 h內(nèi)魚苗的死亡數(shù)量,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
緩慢升溫實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)在4個(gè)玻璃缸(規(guī)格同上)中進(jìn)行,以馴化溫度為基礎(chǔ)溫度,以2℃/d的升溫速率提溫至29℃,水溫達(dá)到29℃后以1℃/d的升溫速率提溫至所有實(shí)驗(yàn)魚死亡,觀察和記錄每條魚死亡的時(shí)間和死亡時(shí)的水溫。每組實(shí)驗(yàn)魚苗數(shù)量為10尾,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。實(shí)驗(yàn)期間每天投喂活體餌料2次,2 h監(jiān)測(cè)一次溶解氧和水溫。
1.2.3 不同脅迫溫度下白斑狗魚幼魚HSP70基因的表達(dá)量 將20尾白斑狗魚幼魚置于水溫27℃的水槽中24 h,用溫控加熱棒以1℃/d的升溫速率將水溫逐漸升至30、33℃,白斑狗魚幼魚在每個(gè)溫度中刺激24 h。每個(gè)溫度分別隨機(jī)選3尾白斑狗魚幼魚取其腦、鰓、心和肝浸泡于RNAstore(天根)中,-80℃保存?zhèn)溆谩?shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行組和1個(gè)對(duì)照組(對(duì)照組保持水溫27℃不升溫,下同)。
1.2.4 不同脅迫時(shí)間下白斑狗魚幼魚HSP70基因的表達(dá)量 將20尾白斑狗魚幼魚置于水溫27℃的水槽中,快速提溫,升溫至30℃后,分別在0、6、9、12和24 h隨機(jī)選3尾白斑狗魚幼魚取其腦、鰓、心和肝浸泡于RNAstore(天根)中,-80℃保存?zhèn)溆?。?shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行組和1個(gè)對(duì)照組。
1.2.5 HSP70引物序列的擴(kuò)增 向樣品中加入適量Trizol,用玻璃研磨器充分研磨,提取樣品總RNA。檢測(cè)RNA的完整性,估算RNA的純度并計(jì)算RNA的濃度,將各RNA濃度均一化。以均一化后的RNA為模板,反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA,將所得到的cDNA模板置于-80℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
根 據(jù) HSP70(GenBank登 錄 號(hào):NC_025974.Esox lucius isolate)、β-actin的基因序列,利用Primer Premier5.0軟件結(jié)合DNAstar分析軟件及BLAST程序,設(shè)計(jì)熒光定量PCR引物。引物由上海生工公司合成,用無菌雙蒸水稀釋至10 μmol/L,-20℃保存?zhèn)溆谩R镄蛄腥绫?所示。
表1 熒光定量PCR引物Table 1 Fluorescent quantitative PCR primers
熒光定量PCR在BioRad CPX96 PCR擴(kuò)增儀上進(jìn)行,按照TB Green Premix Ex Taq(TaKaRa)使用說明,采用嵌合熒光法進(jìn)行實(shí)時(shí)定量PCR擴(kuò)增反應(yīng)。PCR反應(yīng)體系:TB Green Premix Ex Taq 12.5 μL,上下引物分別0.5 μL,cDNA 2.0 μL,加ddH2O至25.0 μL。反應(yīng)條件 :95℃預(yù)變性 30 s,(95℃變性 5 s,56℃退火30 s)40個(gè)循環(huán)。
1.2.6 數(shù)據(jù)分析 受精率為在原腸中期1 000粒受精卵中正常發(fā)育魚卵數(shù)的百分比。出苗率=正常破膜魚苗數(shù)/原腸中期正常發(fā)育魚卵數(shù)×100%。最大臨界溫度(CTmax)通過對(duì)失去平衡或致死的實(shí)驗(yàn)魚的百分比進(jìn)行線性回歸,再由“內(nèi)插法”得到50%個(gè)體所對(duì)應(yīng)的溫度值求得[15-16]。不同馴化溫度下,利用Probit回歸分析求得[17]白斑狗魚仔魚的起始致死溫度(UILT50)。
分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)部分每個(gè)樣品進(jìn)行3個(gè)平行PCR反應(yīng),求出各樣品Ct值的平均值。以白斑狗魚β-actin為內(nèi)參基因,運(yùn)用公式2-ΔΔCt計(jì)算目的基因的相對(duì)表達(dá)量,公式中ΔΔCt=(Ct目的基因-Ct管家基因)實(shí)驗(yàn)組 -(Ct目的基因-Ct管家基因)對(duì)照組。結(jié)果用SPSS16.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s多重比較,顯著性水平設(shè)為0.05。
在水溫15-21℃范圍內(nèi),白斑狗魚受精卵的破膜時(shí)間隨著孵化水溫的升高而縮短。水溫在15℃和17℃時(shí),魚苗的上浮率(孵出魚苗中上浮魚苗所占的比例)無明顯的差別;當(dāng)水溫達(dá)到19℃時(shí),上浮率下降;當(dāng)孵化水溫達(dá)到21℃時(shí),魚苗上浮率最低,結(jié)果見表2。
白斑狗魚仔魚在18、21、24和27℃馴化后的24hUILT50分 別 為 29.60、30.18、31.59和 32.74℃。24hUILT50值隨著馴化水溫的升高而升高,結(jié)果見圖1。
表2 不同孵化水溫對(duì)白斑狗魚仔魚上浮率的影響Table 2 Effects of different incubation water temperature on floatation rate of E.lucius fry
圖1 白斑狗魚在不同馴化溫度下的24hUILT50Fig.1 24hUILT50 of E.lucius at different acclimation temperatures
實(shí)驗(yàn)魚中一半個(gè)體失去平衡時(shí)的溫度即為CTmax。以(1±0.5)℃/d的升溫速率進(jìn)行熱脅迫時(shí),不同馴化溫度(18、21、24和27℃)下的CTmax差異不大,分別為 32.90、33.06、33.36和33.27℃。但CTmax值出現(xiàn)的時(shí)間隨著馴化溫度的升高而延長:馴化溫度為18℃時(shí),CTmax出現(xiàn)的時(shí)間為1 152 min;馴化溫度為27℃時(shí),CTmax出現(xiàn)時(shí)間達(dá)到了1 735 min,結(jié)果見表3。
采用熒光定量PCR檢測(cè)白斑狗魚在不同溫度(27、30和33℃)脅迫下各組織(腦、鰓、心、肝)中HSP70基因的表達(dá)情況,以27℃的基因表達(dá)量作為基準(zhǔn)1,結(jié)果(圖2)顯示:與對(duì)照組27℃相比,白斑狗魚各組織中HSP70基因表達(dá)量在30和33℃均有所上升。在腦組織中HSP70基因的表達(dá)量隨著脅迫溫度的上升呈現(xiàn)先顯著上升(P<0.05),后顯著下降(P<0.05)的趨勢(shì),在30℃時(shí)達(dá)到了最大表達(dá)量;在鰓和心臟組織中HSP70基因的表達(dá)量隨著脅迫溫度的上升呈現(xiàn)先顯著上升(P<0.05),后下降的趨勢(shì),33℃的表達(dá)量與30℃的表達(dá)量無顯著差異(P>0.05),在30℃時(shí)分別達(dá)到了最大表達(dá)量;在肝臟組織中HSP70基因的表達(dá)量隨著脅迫溫度的上升呈現(xiàn)逐步顯著上升(P<0.05)的趨勢(shì),最大表達(dá)量出現(xiàn)在33℃時(shí)。
表3 白斑狗魚仔魚在不同馴化溫度下的CTmaxTable 3 CTmax of E.lucius fry at different acclimation temperatures
采用熒光定量PCR檢測(cè)白斑狗魚在30和33℃高溫脅迫下各組織(腦、鰓、心和肝)中HSP70基因的表達(dá)情況,結(jié)果如圖3所示:在30和33℃高溫脅迫下HSP70基因在腦、鰓、心、肝各組織中的相對(duì)表達(dá)量均存在顯著差異(P<0.05)。在30和33℃高溫脅迫下HSP70基因的相對(duì)表達(dá)量在心臟組織中最低。在30℃高溫脅迫下HSP70基因的相對(duì)表達(dá)量在腦組織中最高。在33℃高溫脅迫下HSP70基因的相對(duì)表達(dá)量在肝臟組織中最高。
圖2 不同溫度高溫脅迫下白斑狗魚HSP70基因在各組織中的表達(dá)Fig.2 Expression of HSP70 gene in E.lucius different tissues under different high temperature stress
圖3 相同溫度高溫脅迫下白斑狗魚HSP70基因在不同組織中的表達(dá)Fig.3 Expression of HSP70 gene in E.lucius different tissues under the same high temperature stress
采用熒光定量PCR檢測(cè)白斑狗魚在30℃高溫脅迫不同時(shí)間(0、6、9、12和24 h)后各組織(腦、鰓、心和肝)中HSP70基因的表達(dá)情況,其中以0h的基因表達(dá)量作為基準(zhǔn)1,結(jié)果如圖4所示:與對(duì)照組0 h相比,高溫脅迫6、9、12和24 h時(shí)HSP70基因表達(dá)量在腦和鰓中均高于對(duì)照組,且差異顯著(P<0.05);心臟組織中HSP70基因表達(dá)量在脅迫6、9、12和24 h時(shí)均高于對(duì)照組,除24 h外其他差異顯著(P<0.05);在肝臟組織中僅在高溫脅迫12 h時(shí)表達(dá)量略高于對(duì)照組0 h,差異不顯著(P>0.05)。在腦、鰓、心臟組織中,隨著高溫脅迫時(shí)間的延長,HSP70基因的表達(dá)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在肝臟組織中則呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)。腦和肝臟在高溫脅迫12 h時(shí)達(dá)到了HSP70基因的最大表達(dá)量;鰓和心臟在9 h時(shí)達(dá)到了最大表達(dá)量。
圖4 不同時(shí)間高溫脅迫下白斑狗魚HSP70基因在各組織中的表達(dá)Fig.4 Expression of HSP70 gene in E.lucius different tissues under different times of high temperature stress
采用熒光定量PCR檢測(cè)白斑狗魚在相同時(shí)間(6、9、12和24 h)高溫脅迫下不同組織(腦、鰓、心和肝)中HSP70基因的表達(dá)情況,結(jié)果(圖5)顯示:在30℃高溫脅迫6、9、12和24 h時(shí)HSP70基因在腦、鰓、心、肝各組織中的相對(duì)表達(dá)量均存在顯著差異(P<0.05)。高溫脅迫6、9 h時(shí)4種組織中心臟的HSP70基因表達(dá)量最大,高溫脅迫12、24 h時(shí)腦的HSP70基因表達(dá)量最大。在高溫脅迫6、9、12和24 h時(shí)肝臟組織的HSP70基因表達(dá)量均小于同一脅迫時(shí)間下腦、鰓、心臟組織的表達(dá)量。
圖5 相同時(shí)間高溫脅迫下白斑狗魚HSP70基因在不同組織中的表達(dá)Fig.5 Expression of HSP70 gene in E.lucius different tissues under the same time of high temperature stress
全球氣候變暖對(duì)地球生物產(chǎn)生越來越多不良的影響,高溫對(duì)魚類的不利影響后果顯而易見[18]。耐溫性個(gè)體的生理特質(zhì)在熱適應(yīng)性上的優(yōu)勢(shì)調(diào)控,為耐溫選育工作在分子和蛋白水平上提供了理論依據(jù)[19]。高溫對(duì)白斑狗魚受精卵、仔魚及幼魚均有不同程度的影響。
水溫對(duì)魚類胚胎發(fā)育及其生存、生長和發(fā)育都有十分重要的影響,不同魚類胚胎發(fā)育要求的溫度不同[20-21]。在額爾齊斯河流域的白斑狗魚產(chǎn)卵溫度為8-15℃[22],齊遵利等[23]認(rèn)為白斑狗魚胚胎發(fā)育的適溫范圍在14-16℃,當(dāng)水溫超過18℃時(shí),白斑狗魚仔、稚、幼魚成活率下降。本研究結(jié)果顯示白斑狗魚受精卵在15和17℃的水溫中孵化時(shí),魚苗上浮率無明顯的差異,而當(dāng)孵化水溫上升至19℃以上時(shí)魚苗上浮率明顯下降,這與上述研究結(jié)果基本一致。在生產(chǎn)中,將白斑狗魚受精卵孵化水溫提高至17℃,可縮短孵化時(shí)間,減少水霉病的發(fā)生,一定程度上提高成活率。
魚類的熱耐受性通常是通過急性或緩慢升溫實(shí)驗(yàn)來研究的[3,24]。急性升溫實(shí)驗(yàn)是使魚類從適應(yīng)的溫度突然暴露于實(shí)驗(yàn)溫度,統(tǒng)計(jì)某一特定時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)魚類的死亡情況[25]。緩慢升溫實(shí)驗(yàn)是以某種特定的升溫速率持續(xù)升溫,直至魚體達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)[26-27]。大量的研究采用緩慢升溫的方法,這可使實(shí)驗(yàn)生物有充足的時(shí)間對(duì)改變的環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)適應(yīng),能更客觀地反映出實(shí)驗(yàn)生物本身的熱忍耐力,建議采用 1℃/ d 的溫升速率[1]。
24hUILT50和CTmax是生物熱耐受性研究中兩個(gè)最基本的指標(biāo)。對(duì)白斑狗魚仔魚的急性升溫和緩慢升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:適當(dāng)提高白斑狗魚仔魚的馴化水溫可提高其在高溫脅迫下的24hUILT50值并推遲CTmax出現(xiàn)的時(shí)間,表明其對(duì)高溫的耐受力能夠在馴化后得以逐漸提高。
本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用熒光定量PCR檢測(cè)了30、33℃高溫脅迫下白斑狗魚各組織(腦、鰓、心和肝)中HSP70基因的表達(dá)情況。結(jié)果表明,隨著溫度的上升,HSP70的表達(dá)量在腦、鰓、心臟組織中下降,而在肝臟組織中則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。
在30℃高溫脅迫下,白斑狗魚幼魚腦、鰓、心臟組織HSP70基因的表達(dá)量均隨著高溫脅迫時(shí)間的延長表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì),即先升高后下降。說明調(diào)節(jié)熱應(yīng)激蛋白的表達(dá)量是機(jī)體細(xì)胞應(yīng)對(duì)熱應(yīng)激的反應(yīng)之一[28]。通過研究發(fā)現(xiàn),HSP70基因的表達(dá)量達(dá)到峰值的時(shí)間點(diǎn)有兩個(gè),即9 h和12 h。根據(jù)這一特點(diǎn),可將這3個(gè)組織分為兩組:9 h組包括鰓和心臟,12 h組包括腦。而肝臟在30℃高溫脅迫下,隨著脅迫時(shí)間的延長,呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì),在12 h時(shí)達(dá)到峰值,但波動(dòng)幅度不大。
為了綜合比較高溫脅迫對(duì)白斑狗魚幼魚影響的組織間差異,以高溫脅迫下各時(shí)間點(diǎn)為基準(zhǔn),橫向比較了相同時(shí)間高溫脅迫下各組織HSP70基因表達(dá)量的差異。研究結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)組中腦和心臟是HSP70基因表達(dá)較豐富的組織,也是HSP70基因表達(dá)量升高最為顯著的組織。
白斑狗魚能對(duì)高溫脅迫做出反應(yīng)。適當(dāng)提高馴化水溫,可提高高溫脅迫下白斑狗魚仔魚的24hUILT50值并推遲CTmax出現(xiàn)的時(shí)間。在不同溫度和不同時(shí)間的高溫脅迫下,白斑狗魚腦、鰓、心和肝4種組織中HSP70基因的表達(dá)量均表現(xiàn)出不同程度的變化,具有時(shí)間特異性和組織特異性,但應(yīng)答幅度不盡相同。經(jīng)過高溫馴化后,白斑狗魚提高了溫度耐受性,可能是通過HSP70參與重要調(diào)控作用。