中華倒刺鲃能量代謝和熱耐受特征的體重效應

龐 旭,付世建,劉小紅,蒲德永,張耀光,*

1 西南大學淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室,水產科學重慶市市級重點實驗, 重慶 400715 2 西南大學動物科技學院,重慶三峽生態漁業產業技術研究院, 重慶 400715 3 重慶師范大學進化生理與行為學實驗室,動物生物學重慶市市級重點實驗室, 重慶 401331

體型大小是有機體最明顯,亦是最重要的形態學特征;且具有豐富的生物學內涵,對個體的生理功能及群體的生態效應均存在深遠影響[1-2]。能量代謝是維持一切生命體高度有序的前提條件和生理功能得以正常實現的根本保證[2]。靜止代謝率(Resting metabolic rate,RMR)指動物在安靜、禁食狀態下的代謝能量消耗,在一定程度上反映其維持能量消耗和整體生理狀況[3-4];最大代謝率(Maximum metabolic rate,MMR)指動物最大的代謝能量功率輸出,反映其有氧代謝能力[4];過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption,EPOC)指動物運動后恢復期內超過RMR的額外耗氧量,常作為研究脊椎動物無氧代謝能力的生理學指標并被廣泛關注[4- 6]。已有研究發現,魚體重對這些能量代謝參數具有明顯影響且呈異速度增加的關系而變化,但增速(尺度指數)大小的限制因素和生態內涵尚存爭論[5- 8]。

溫度作為重要的生態因子之一,當超過了環境或生態系統的閾值,生物將無法幸存。在魚類溫度耐受研究中常以臨界溫度(Critical temperature,CT)和致死溫度(Lethal temperature,LT)衡量其熱耐受能力[9]。其中臨界溫度上限(Critical thermal maximum,CTmax)和致死溫度上限(Lethal thermal maximum,LTmax)反映魚類的高溫耐受能力;而臨界溫度下限(Critical thermal minimum,CTmin)和致死溫度下限(Lethal thermal minimum,LTmin)反映魚類的低溫耐受能力。已有研究發現,在魚類某些物種,體重對其熱耐受熱力參數有顯著影響;而另外一些物種,熱耐受特征的體重效應并不明顯[10]。

中華倒刺鲃(Spinibarbussinensis)主要分布于我國長江上游及其支流,是營底棲生活,偏好流水生境,主要以水生高等植物為食的雜食性鯉科魚類[3]。魚類的代謝與熱耐受均存在身體與環境的能量交換,不同體重大小的魚在比表面積(表面積/體積)存在差異,進而可能同步地影響其能量代謝和熱耐受特征[2,10]。本研究以不同大小(0.7—104.2 g)中華倒刺鲃為對象,測定能量代謝(RMR、MMR和EPOC)和熱耐受(CTmin、CTmax、LTmin和LTmax)特征參數并考察與其體重間的關系;旨在揭示不同體重的魚類在能量代謝和熱耐受方面的適應機制,并為魚類生理生態學、功能生態學相關研究提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 實驗魚的獲取與馴養

實驗用中華倒刺鲃幼魚(0.5—2.1 g,n=400)購于重慶合川水產養殖場,購回后在自凈化循環控溫水槽中進行馴養,水溫為(25±0.5)℃。馴養期間每天以商業餌料在9:00飽足投喂1次,投喂1 h后用虹吸管清除殘餌和糞便;馴養用水為經充分曝氣控溫的自來水,并用充氣泵向馴養水體持續泵入空氣以保證水體溶氧始終維持在7.0 mg/L以上,水體中氨氮濃度控制在0.025 mg/L以內。日換水量約為水體總量的20%,晝夜光周期為自然光周期。同批次魚經過為期2、6、12、30周的馴養處理后,獲得不同體重大小的實驗魚(分為1、10、25、>50 g組,每組8尾)進行能量代謝和熱耐受(每組高溫耐受和低溫耐受各4尾)參數測定。為了消除攝食消化對代謝和熱耐受的影響,實驗魚在進行參數測定前禁食24 h以上[11]。

1.2 代謝率的測定

采用流水式呼吸儀[12]對實驗魚的耗氧率進行測定。測定實驗魚體重、體長后將實驗魚轉移至呼吸管(容積為魚體積的8—20倍),待其在呼吸室內適應12 h后測定以1 h的時間間隔測定實驗魚耗氧率6次,其平均值作為RMR。RMR測定完成后,將每尾實驗魚單獨放入環形水道(內徑56 cm,外徑104 cm,最大流速80 cm/s)并用手進行不斷追趕,使其在10 min以內使其力竭[13],然后立即將力竭狀態的實驗魚放回呼吸室進行恢復耗氧率的測定。監測實驗魚耗氧率的時間點分別為力竭運動后的1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、90、120 min。測定時水溫始終維持在(25±0.5)℃,溶氧值用溶氧儀(HQ20, Hach Company, Loveland, CO, USA)測定,實驗魚單尾耗氧率(mg h-1尾-1)或單位體重耗氧率(mg h-1kg-1)分別由以下公式進行計算：

MO2(mg h-1尾-1)= ΔO2×v

(1)

MO2(mg h-1kg-1)= ΔO2×v/m

(2)

式中,MO2(mg h-1尾-1)為單尾魚耗氧率,MO2(mg h-1kg-1)為單位體重耗氧率,ΔO2為實驗呼吸室和對照呼吸室(沒有魚)溶氧的差值(mg/L),v為呼吸室的流量(L/h),通過測定出水口在1 min內流出的水量,計算其水體流速,m為實驗魚體重(kg)。RMR和運動后恢復耗氧率測定時呼吸室水流量分別為呼吸室系統體積0.5—1和3—5倍/min,經計算每分鐘呼吸室內水體交換率大于95%,但部分個體交換率尚未到達99%,因此對恢復期的耗氧率進行相應的校正[14]。

1.3 熱耐受的測定

代謝率參數測定完成后,下一天進行熱耐受參數測定。熱耐受測定采用臨界溫度法[9],其中每一體重組4尾實驗魚進行低溫耐受測定,另外4尾魚進行高溫耐受測定。測試時,首先將每尾實驗魚單獨轉移到水溫相同(25℃)的熱耐受測試系統中(水體約30 L)進行高溫(或低溫)耐受測試。實驗魚在測試系統中適應1 h后,以0.3℃/min[9]的速率降溫(或升溫),在整個實驗過程中用充氣泵不斷向測試水體泵入空氣以保證水體溶氧飽和度>80%,并且每隔1 min用精密水銀溫度計(有效讀數為0.01℃,紹興市舜光儀器設備有限公司)監測水溫,保證系統水體每3 min的升溫誤差范圍為控制在± 0.1℃。以實驗魚初始失去平衡和鰓蓋停止呼吸時的溫度分別作為臨界溫度(CTmin或CTmax)和致死溫度(LTmin或 LTmax)[9]。

1.4 參數統計與分析

MMR指在實驗魚恢復過程中的最大耗氧率;代謝空間(MS)指MMR與RMR之間的差值;代謝恢復率(Metabolic recovery rate,MRR)指實驗魚在恢復過程中單位時間代謝率恢復比率[15];EPOC指實驗魚在恢復過程中超過RMR的額外耗氧量。

用Excel 2003對所有實驗數據作常規計算,再用STATISTICS 6.0軟件進行方差分析和回歸分析。體重對代謝和熱耐受參數的影響,用單因素方差分析;方差分析通過后,各體重組間進行“多重比較(Duncan′s test)”。代謝參數與體重間的關系經取雙對數后,將冪函數關系轉化為線性關系,進行線性回歸分析;熱耐受參數與體重間的關系進行二次曲線回歸分析。所有數據結果均以平均值±標準誤(Mean ± SE)表示,顯著水平定為P<0.05。

2 結果

2.1 代謝特征

結果顯示,各體重組實驗魚運動后單尾和單位體重代謝率均立即增加到最大值,然后緩慢恢復到運動前水平(圖1)。隨體重的增加,實驗魚單尾RMR、MMR、MS顯著增加,各體重組間差異均顯著(表1,P<0.05);單尾MRR顯著降低,>50 g體重組顯著低于其他體重組(表1,P<0.05);單尾EPOC顯著增加,10 g體重組與1 g和25 g體重組間差異不顯著,其余實驗組間差異顯著(表1,P<0.05)。

單尾實驗魚代謝率特征參數(RMR、MMR、MS、EPOC)和體重經取雙對數后,ln(RMR)、ln(MMR)、ln(MS)、ln(EPOC)與ln(體重)間均呈顯著正相關(圖2,P< 0.001),代謝尺度因子,即方程斜率(括號內為在95%置信區間的數值范圍)分別為0.796(0.757—0.836)、0.834(0.794—0.872)、0.849(0.795—0.904)、1.137(1. 033—1.241)。

隨體重的增加,單位體重RMR、MMR、MS顯著降低(表1,P<0.05);1 g體重組單位體重RMR顯著高于其余實驗組(表1,P<0.05);單位體重MMR和MS在10 g體重組與25 g體重組間差異(分別)均不顯著,其余實驗組間差異(分別)均顯著(表1,P<0.05);隨體重的增加,單位體重EPOC顯著增加,僅1g與>50 g體重組間差異顯著(表1,P<0.05)。

表1 體重對中華倒刺鲃力竭運動后過量耗氧的影響(平均值±標準誤,樣本數=8)

圖1 不同體重中華倒刺鲃力竭運動后代謝率恢復曲線 (平均值±標準誤,樣本數=8)Fig.1 The post-exercise metabolic rate curve of Qingbo with different body mass (Mean±SE, n=8)

圖2 中華倒刺鲃代謝特征與體重的關系Fig.2 The relationships between metabolic traits and body mass in Qingbo

2.2 熱耐受特征

結果顯示,體重對CTmin、LTmin均有顯著影響,25 g體重實驗組的CTmin顯著低于1 g和>50 g體重實驗組的CTmin,10 g體重實驗組的CTmin顯著低于>50 g體重實驗組的CTmin(表2,P< 0.05),其余實驗組間差異不顯著;25 g體重實驗組的LTmin顯著低于1 g和10 g體重實驗組的LTmin,>50 g體重實驗組的LTmin顯著低于1 g體重實驗組的LTmin(表2,P<0.05), 其余實驗組間差異不顯著。體重對CTmax、LTmax均有顯著影響,10 g體重實驗組的CTmax顯著高于>50g體重實驗組的CTmax,25 g體重實驗組的CTmax顯著高于1 g和>50 g體重實驗組的CTmax(表2,P< 0.05),其余實驗組間差異不顯著;25 g體重實驗組的LTmax顯著高于>50 g體重實驗組的LTmax(表2,P< 0.05), 其余實驗組間差異不顯著。

CTmin和LTmin與體重間的關系經二次方程擬合均為“下凹”型曲線,其非線性成分(即二次相系數)顯著性分別為：Pquadric<0.001和Pquadric=0.005(圖3)。CTmax和LTmax與體重間的關系經二次方程擬合均為“上凸”型曲線,其非線性成分顯著性分別為：Pquadric=0.083和Pquadric=0.041(圖3)。

表2 體重對中華倒刺鲃熱耐受的影響(平均值±標準誤,樣本數=4)

圖3 中華倒刺鲃熱耐受特征與體重的關系Fig.3 The relationships between thermal tolerance traits and body mass in QingboCTmax：臨界溫度上限 Critical thermal maximum;CTmin：臨界溫度下限 Critical thermal minimum;LTmax：致死溫度上限 Lethal thermal maximum;LTmin：致死溫度下限 Lethal thermal minimum

3 討論

3.1 代謝特征的體重效應

體重是影響動物代謝率的重要因素之一,兩者之間存在一定的定量關系。代謝率與其體重的依賴一般為異速增長的冪函數關系(y=axb,y和x分別為代謝率和體重,a為常數,b為尺度因子)[2]。動物代謝率異速增長關系的核心問題在于尺度因子(b)的大小,早期的研究認為動物的RMR的尺度因子為2/3或3/4[2,16-17]。前者解釋為動物與環境的能量交換近似正比于比表面積(表面積/體積);后者基于大量實驗數據所提出的1/4冪分形理論[18]。機體的能量物質和氧通過體內分形、分級網格結構(如：血管)運輸到全身各處,在進化過程中效率最大化,并認為代謝尺度因子為3/4普適于動物代謝率的種內和種間異速增長,據此提出“生態代謝理論(Metabolic theory of Ecology)”[19]。研究發現,中華倒刺鲃RMR的尺度因子為0.796,與鯽(Carassiusauratus)[6]、鯉(Cyprinuscarpio)[5]、青魚(Mylopharyngodenpiceus)[7]RMR的尺度因子(分別為0.776、0.814、0.833)相似;大于圓口銅魚(Coreiusguichenoti)[5]RMR的尺度因子(0.728);而鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(Aristichthysnobilis)等魚類RMR的尺度因子(分別為0.868、0.860)大于中華倒刺鲃的尺度因子[5]。然而,這些魚類RMR的尺度因子均大于2/3,表明魚類的靜止代謝的異速增長關系的代謝尺度因子并不支持2/3比表面積理論。此外,“動態能量預算(Dynamic energy budget)”理論認為小個體具有相對更強的同化能力,而具有相對更強的單位體重代謝率[20];“活性器官(Organ size)”理論認為小個體具有更高的活性器官比例[21];“細胞代謝(Cell metabolism)”理論認為細胞大小和數量共同作用于RMR的尺度因子[5]。這些理論在一定程度上均能解釋動物RMR對體重依賴性的異速增長,因此中華倒刺鲃RMR異速增長的內在生理機制還有待進一步研究。

研究發現,中華倒刺鲃的MMR、MS均呈異速增長,尺度因子分別為0.834、0.849,這些代謝率尺度因子均大于2/3。“代謝水平界限(Metabolic-level boundaries)”理論認為動物的比表面積和體積共同限定了尺度因子(前者限定值為2/3,后者限定值為1)[2]。而代謝水平決定了這兩個因子的相對重要性,動物運動時肌肉能量的消耗決定MMR,而肌肉占魚體比例較大,導致在劇烈運動時MMR、MS的尺度因子有所增加[2]。根據流體力學的相關原理,物體在流體中運動的功率與其表面積和速率的立方均呈正比,而表面積與其體積(體重)之間呈冪函數(冪為2/3)的關系。中華倒刺鲃EPOC尺度因子為1.137,也大于2/3,因此魚類功率輸出的尺度因子如果大于2/3,隨體重的增加,魚類的游泳速度也將隨之增加;這些結果表明,魚類個體變大能增強游泳能力,使其捕食、逃逸、繁殖等生理功能得以順利實現以提高其生存適合度[22]。

研究發現,中華倒刺鲃單位體重MMR、MS(尺度因子小于1)隨體重增加而下降,單位體重EPOC(尺度因子大于1)則相反;表明中華倒刺鲃在早期生活史階段偏向于有氧代謝的功率輸出,而在成熟階段偏向于無氧代謝的功率輸出。此外,研究發現隨體重增加,中華倒刺鲃的MRR下降,表明隨體重增加盡管能增強無氧代謝能力,但同時也削弱其代謝恢復能力。因此,提示魚類的無氧代謝能力與其代謝恢復能力間可能存在權衡[23]。

3.2 體重對熱耐受特征的影響

對于變溫動物魚類而言,在遭受溫度劇烈變化時,熱耐受與代謝相比較是更為直接和劇烈的能量交換,同時也是被動的能量交換。理論上分析,不同大小的魚類歸因于比表面的不同,影響能量效率和傳導,因此大體重魚將會具有更強的熱耐受能力[9]。研究發現,體重對中華倒刺鲃的熱耐受(CTmin、LTmin、CTmax、LTmax)具有顯著影響,但對這些參數在不同體重間變化相對較弱,CTmin組間變化范圍為1.12 ℃,其余組間變化范圍均未超過1.0 ℃。該結果與其他魚類物種研究結果相似,表明在種內,魚類對極端溫度承受能力變異較小,相對保守[9-10,24]。盡管如此,發現中華倒刺鲃的CTmin和LTmin與體重的關系呈非線性的“微笑型”曲線;而CTmax和LTmax與體重的關系呈非線性的“鐘型”曲線(圖3)。表明中等體重中華倒刺鲃具有更寬的熱耐受范圍(CTmax-CTmin和LTmax-LTmin),因此具有更強的熱耐受能力。中華倒刺鲃在早期生活史階段其生理調節功能發育尚未完善,因此可能具有更為敏感的熱耐受反應。已有研究發現,波動性溫度馴化可以在一定程度上提高魚類的熱耐受能力[9],而長時間穩定溫度馴化并未經歷相應的選擇與適應[24],其熱耐受范圍相對較窄;本研究50g以上體重的中華倒刺鲃經歷了更長時間的穩定溫度馴化,應對溫度聚變的生理調節功能可能遭到弱化,進而引起熱耐受能力削弱。

綜上所述,中華倒刺鲃能量代謝和熱耐受特征與體重間存在復雜多變的關系,能量交換的比表面積效應不是重要成因;內在的生理機制和潛在的生態內涵才是其關鍵。