冬季限食對樹麻雀能量代謝的影響及其生理適應

劉佳人 徐興軍* 王有祥 林美含 邵淑麗

(1.齊齊哈爾大學生命科學與農林學院，齊齊哈爾，161006；2.抗性基因工程與寒地生物多樣性保護黑龍江省重點實驗室，齊齊哈爾，161006；3.乳山暢園學校，乳山，264599)

溫度是影響動物產熱的重要因素[1]。在北方，一年四季中，冬季的環境條件最為苛刻，氣候寒冷，食物短缺，對冬季環境條件的適應是鳥類生存的重要前提[2]。鳥類消耗能量的速率可能對其健康產生深遠地影響，從而影響其生理、行為、生態和進化[3]。通過了解鳥類的代謝規律，能進一步理解鳥類在應對環境季節性變化時的應對策略[4]。本研究以樹麻雀(Passermontanus)為試驗材料，探討冬季樹麻雀在限食條件下的能量預算對策，為進一步了解北方小型鳥類的生存機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

樹麻雀于2019年12月捕自黑龍江省齊齊哈爾市扎龍國家級自然保護區(46°52′—47°32′N，123°47′—124°37′E)。

1.2 方法

樹麻雀在齊齊哈爾大學動物學實驗室適應性飼養1周后，按體重隨機分為對照組、半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組，組間體重無明顯差異(P>0.05)。各馴化組均飼喂谷子，以每天每只鳥的正常食量(20.15±1.08)g為標準，半饑餓馴化組投喂標準食量的1/2，1/4饑餓馴化組投喂標準食量的1/4。每組8只，自由飲水，自然光照，馴化4周。

體重和各器官重量測定：采用BS124S型電子天平測量，精確到0.01 g。馴化開始前，分別測定各組樹麻雀的初始體重。馴化結束后，測定各組樹麻雀終體重及主要器官重。

基礎代謝率(basal metabolic rate，BMR)測定：利用動物氣體代謝分析儀測量，每隔7 d測定1次，測量前先將樹麻雀禁食4 h，單只稱量樹麻雀的體重，精確至0.01 g。測定開始前2 h，將氧氣和二氧化碳分析儀打開預熱，然后對其進行標定，硬件與軟件標定完成后分別將樹麻雀放入已編號的4個呼吸室內適應1 h，待樹麻雀呼吸穩定后開始測量，記錄每分鐘的耗氧量，共測定30 min，分別取5個連續穩定的數值進行計算。

體脂質量分數測定：采用索氏抽提法[5]測定。體脂質量分數=(胴體干重-抽提后不含體脂的胴體干重)/個體體重×100%。

個體含水量測定：采用質量差法測定。個體含水量=(胴體的鮮重-胴體的干重)/胴體的干重×100%。

攝入熱量值及消化率的測定：采取全收糞法測定[6]。

糖原質量分數的測定：采用硫酸蒽酮測定法測定肌糖原、肝糖原質量分數[7]。

淀粉酶活性的測定：清除組織內的殘留物，用濾紙吸干并稱重，置于研缽內加入10倍組織量的0.02 mol/L、pH=7.5的磷酸緩沖溶液，在冰盒內充分研磨成糊狀勻漿，將勻漿液轉入離心管置于冷凍離心機，4 ℃、12 000 r/min離心15 min，上清液即為粗酶液。取50 mL的比色管，用記號筆標明對照管與待測管，在2管內分別加入0.04%可溶性淀粉5.0 mL，37 ℃水浴5 min；對照管加0.3 mL蒸餾水，測定管加0.3 mL粗酶液，混勻、37 ℃水浴10 min；再在2管內分別加入0.01 mol/L碘應用液5.0 mL，用蒸餾水稀釋至50.0 mL，立即混勻。于660 nm波長處比色，蒸餾水調零，讀取對照管和測定管光密度。淀粉酶活力=[(OD對照-OD待測)/OD對照×200]/0.3 mL粗酶液中蛋白克數。

腸道組織的測定：采用石蠟切片法對樹麻雀腸道組織進行制片[8]。應用Nikon顯微成像系統在10×40倍視野對腸道組織的絨毛高度、絨毛寬度、黏膜層厚度、腸壁截面積進行測量。

1.3 數據分析

利用SPSS 17.0軟件對數據進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 限食對樹麻雀的體重和器官重的影響

由圖1可見，馴化開始時，限食組樹麻雀的體重組間無明顯差異，1周后半饑餓馴化組與1/4饑餓馴化組體重較對照組極顯著降低(P<0.01)。隨著馴化時間的延長，半饑餓馴化組與1/4饑餓馴化組的體重在1～3周內大幅度降低，在第4周馴化結束時達到最低值，與初始體重相比分別減少1.06、3.81 g。第4周馴化結束后，3組樹麻雀體重組間差異均極顯著(P<0.01)。

圖1 限食對冬季樹麻雀體重的影響

半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組樹麻雀的心臟、肝臟、肺、胰腺和十二指腸鮮重均比對照組低；大腸、小腸、直腸、肌胃和腺胃鮮重均比對照組高。3組樹麻雀的心臟、肝臟、肺、胰腺、大腸、小腸、直腸、十二指腸、肌胃和腺胃鮮重組間差異均極顯著(P<0.01)(表1)。

表1 限食對冬季樹麻雀器官重量的影響

由表1可見，半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組樹麻雀的心臟、肝臟、肺、大腸、十二指腸、肌胃和腺胃干重均比對照組低；胰腺和小腸干重均比對照組高。半饑餓馴化組直腸干重比對照組高58.44%，1/4饑餓馴化組直腸干重比對照組低9.77%。半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組心臟、肝臟、肺、大腸、小腸、直腸、十二指腸干重與對照組相比組間差異均極顯著(P<0.01)。對照組與半饑餓馴化組胰腺干重組間差異不顯著(P>0.05)，與1/4饑餓馴化組相比組間差異極顯著(P<0.01)。

2.2 限食對樹麻雀BMR的影響

由圖2可見，隨著馴化時間的延長，半饑餓馴化組與1/4饑餓馴化組BMR在0～1周內大幅度降低，在第4周馴化結束時達到最低值，與初始BMR相比分別降低0.98、1.08 mL/(g·h)。第4周馴化結束后，3組樹麻雀BMR組間差異均極顯著(P<0.01)。

圖2 限食對冬季樹麻雀基礎代謝率的影響

2.3 限食對樹麻雀生理指標的影響

由表2可見，1/4饑餓馴化組樹麻雀的含水量分別比半饑餓馴化組、對照組高2.11%、2.87%，且差異極顯著(P<0.01)。饑餓馴化組的消化能和消化率均極顯著高于對照組(P<0.01)。半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組的體脂質量分數均比對照組低，但只有1/4饑餓馴化組與對照差異極顯著(P<0.01)。

表2 限食馴化4周后樹麻雀體內各生理指標

2.4 限食對樹麻雀消化道長度的影響

由圖3可見，限食馴化后，樹麻雀的大腸、小腸、直腸長度由長到短依次為：1/4饑餓馴化組、半饑餓馴化組、對照組，且限食馴化組均極顯著長于對照組(P<0.01)，但限食馴化對十二指腸的長度沒有明顯影響(P>0.05)。

圖3 限食對冬季樹麻雀消化道長度的影響

2.5 限食對樹麻雀淀粉酶活性的影響

由表3可見，1/4饑餓馴化組、半饑餓馴化組樹麻雀肝臟中的淀粉酶活性較對照組高，但只有1/4饑餓馴化組與對照組差異顯著(P<0.05)。1/4饑餓馴化組、半饑餓馴化組胰腺、大腸、小腸、直腸、十二指腸、肌胃和腺胃中的淀粉酶活性較對照組低，其中半饑餓組胰腺、大腸中的淀粉酶活性與對照組差異極顯著(P<0.01)，1/4饑餓馴化組胰腺、大腸、小腸、肌胃和腺胃與對照組差異極顯著(P<0.01)。

表3 限食對冬季樹麻雀淀粉酶活性的影響

2.6 限食對樹麻雀糖原質量分數的影響

由表4可見，冬季對照組樹麻雀肝糖原質量分數比半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組分別高0.697%、0.754%。對照組肌糖原質量分數比半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組分別高0.244%、0.391%。3組樹麻雀肝糖原、肌糖原質量分數組間差異均極顯著(P<0.01)。

表4 限食對冬季樹麻雀糖原質量分數的影響

2.7 限食對樹麻雀消化器官各形態指標的影響

隨著限食程度的加大，半饑餓馴化組和1/4饑餓馴化組的消化道絨毛高度、寬度與對照組相比呈降低趨勢，消化道黏膜厚度呈上升趨勢(圖4)。由表5可見，3組樹麻雀的大腸絨毛高度、直腸絨毛高度和十二指腸壁截面積差異顯著(P<0.05)，1/4饑餓馴化組與對照組差異極顯著(P<0.01)。半饑餓馴化組小腸壁截面積、十二指腸絨毛高度和小腸絨毛高度與對照組差異不顯著，但1/4饑餓馴化組卻極顯著低于對照組(P<0.05)，半饑餓馴化組和1/4饑餓馴化組十二指腸絨毛寬度均顯著低于對照組(P<0.05)。

圖4 樹麻雀消化道石蠟切片(HE×40)

表5 限食對冬季樹麻雀消化道絨毛高度、寬度、黏膜層厚度及腸壁截面積的影響

3 討論

冬季是鳥類覓食壓力最大的季節，而覓食壓力是鳥類在生存中面臨的必然挑戰，鳥類生存能力受到能量處理及分配速率的影響[9]。本研究限食條件下，樹麻雀體重表現出明顯的下降趨勢，由于限食使外源性營養物質供應不足，內源性營養在機體代謝中占據主要地位，機體內的儲能分子被分解以維持正常的生理活動，最終使體重下降，這與Bales等[10]和趙田等[11]的研究結果相一致。

脂肪用于維持糖異生作用[12]，隨著限食程度的增加，體內的脂肪被逐漸消耗，使體脂質量分數不斷下降。限食條件下，樹麻雀消化能增高的原因可能是樹麻雀通過提高消化速率增加了有限食物的能量攝入，進而使其增高。由于樹麻雀攝食量急劇下降，各組織器官的生理指標也隨之發生相應變化以維持基礎能耗。

本研究中，限食組樹麻雀肝臟、心臟、肺、胰腺鮮重降低，或因為在饑餓脅迫下，大多數動物為維持其基礎代謝消耗機體儲存的糖原和脂類物質從而使得各器官鮮重有所降低[13]。各代謝器官鮮重的降低直接導致了BMR的降低，表明樹麻雀通過減少呼吸代謝，以減少能量的消耗。Aharon-Rotman等[14]研究表明鳥類總代謝率與體重成正比。

由于肌胃具有較強的收縮能力，通過增加重量及容量使食物進行充分混合，促進有限食物的充分消化，故限食組樹麻雀肌胃、腺胃鮮重增高。石蠟切片表明，饑餓促使大腸形態結構發生改變，通過降低大腸絨毛高度、寬度，使單位面積內有效的絨毛數量增多，增加有效的吸收面積進而對營養物質充分地吸收，大腸黏膜層厚度的增加是鮮重增加的主要原因。

淀粉酶的分泌量及活力大小與攝食數量的多少密切相關[15]，淀粉酶作為消化道內專一的消化酶，其活力的高低決定了對營養物質消化吸收的能力。本研究表明，淀粉酶在各消化器官中均有分布，腸道中的淀粉酶活力的變化幅度較肌胃、腺胃大，說明腸道對限食條件比肌胃、腺胃更敏感，隨著限食程度的增加，大腸、小腸、直腸和十二指腸的淀粉酶活力不斷下降，可能由于樹麻雀在限食條件下，體內代謝發生適應性變化，通過調整各種消化酶的活性，達到合理利用體內貯存物質以維持生命的目的[16-17]，這與丁立云等[18]的研究結果相一致。胰臟分泌的胰液中含有大量胰淀粉酶[19]，在腸道中分解淀粉等物質，由于限食導致攝入的食物較少，胰淀粉酶的分泌量降低，進而淀粉酶活力降低。肝臟中淀粉酶活性隨饑餓程度的增加表現出較高活力的原因，可能是肝糖原在機體內酶促作用下分解為葡萄糖[20-22]進入血液使血糖濃度升高，維持血糖正常水平。限食組樹麻雀肝糖原質量分數降低，以此推測，限食使血糖濃度降低[23]，腎上腺素和胰高血糖素分泌增加[24]，這2種物質與肝臟組織細胞膜受體結合，使無活性的糖原磷酸化酶轉化成有活性的磷酸化酶，促進糖原分解為機體提供能量。肝糖原質量分數的變化幅度大于肌糖原質量分數的變化幅度，肝糖原分解用于供能，而肌糖原分解主要維持肌肉收縮。Nord等[25]的研究也表明季節性環境中的動物必須謹慎地管理能源支出以度過冬天，可通過減少用于各種目的的能量分配來實現。限食條件下樹麻雀體內消化酶活性的變化可能還與機體本身的能量分配機制及體內能量利用的比例有關，但具體分配機制還有待于進一步研究。

本研究結果顯示：冬季限食條件下，樹麻雀通過降低BMR，增加消化道長度和黏膜厚度，降低消化道絨毛高度和寬度，加快肝糖原和肌糖原的分解，以及增加消化能來補償能量消耗等一系列生理生化反應，以適應饑餓寒冷的生存環境。