中華倒刺鲃幼魚能量代謝特征個體差異及生態關聯

羅玉蓮 龐 旭 劉蒨瑩 張永飛 付 成 付世建

(1.重慶師范大學進化生理與行為學實驗室,重慶市動物生物學重點實驗室,重慶 401331;2.西南大學水產學院,重慶 400715)

能量代謝是生命體逆熵而行,存在高度有序性的基礎,也是束縛生物適應性演化最為基本的法則[1]。在魚類,常以靜止代謝率(Resting metabolic rate,RMR)衡量維持能量消耗[2];常以最大代謝率(Maximum metabolic rate,MMR)衡量有氧代謝的最大功率輸出[3]。運動后過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption,EPOC)指魚類運動后恢復期內超過RMR的額外耗氧量;與之類似,低氧脅迫后過量耗氧(Excess post-hypoxia oxygen consumption,EPHOC)指魚類經低氧處理后恢復期內超過RMR的額外耗氧量[4—8]。兩者具有相似的生化反應過程,均稱為“氧債(Oxygen debt)”,并在一定程度上反映魚類的無氧代謝能力[4—9],但兩者的生態內涵卻不盡相同。前者主要作用于短時間、高強度暴發運動,保證逃逸、捕食等功能得以順利完成;后者主要體現在極端低氧條件下,能短時間內得以幸存[4]。

個體差異是有機體存在的普遍現象,為自然(人工)選擇提供了條件,具有重要的進化生態學意義。經典的研究認為,高RMR魚類個體(或物種)通常具有更大的MMR和更高的游泳能力,而低RMR個體(或物種)具有更強的低氧耐受能力[10,11];在種內水平,RMR與EPOC和EPHOC的關系、MMR與EPOC的關系、EPOC與EPHOC是否具有類似的相互關聯等問題尚不清楚。

中華倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)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[2,12]。該物種偏好流水生境,需要具備相對較高的運動能力以維持身體平衡;營底棲生活,對低氧耐受能力也有所要求;因此該物種可能同時面臨兩種互為沖突生理功能需求的挑戰[4,13]。本研究以中華倒刺鲃幼魚為對象,測定了RMR、峰值代謝率(Peak metabolic rate,PMR)、EPOC和EPHOC等參數并考察各參數個體差異和它們之間的內在關聯;旨在揭示魚類能量代謝特征(維持代謝、有氧代謝和無氧代謝)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購于重慶市合川區當地魚類水產繁殖基地(E106.27,N30.01),實驗前于實驗室自凈化循環控溫水槽中馴化2周。每天在9:00飽足投喂餌料1次,所用餌料為通威特種魚浮性飼料(粗纖維、粗脂肪、粗蛋白質及灰分的比例分別是:13.0%、28.0%、3.0%和15.0%)。實驗用水為曝氣后的自來水,馴化及實驗過程中水溫控制在(25±0.5)℃,溶氧水平不低于7 mg O2/L,每天換水1次,換水量約為馴化水體積的30%。光照制度為自然光周期。馴養兩周后挑選身體健康、體重接近的中華倒刺鲃幼魚作為實驗對象。

1.2 代謝率的測定

在馴養結束后,選取體形大小相近的100尾實驗魚使用體內PIT(Passive integrated transponder)方法進行電子標簽體內標記以便區分實驗魚,隨后進行2周的恢復。隨后挑選出其中的44尾平均體重為6.88 g(5.01—9.70 g)、平均體長為6.75 cm(5.9—8.0 cm)的實驗魚分別單獨放入間歇式呼吸儀[14]適應12h,馴化期間呼吸室呈流通狀態,以達到呼吸室內外水體交換的目的。為了消除消化活動對代謝的影響,所有魚在測定代謝率前禁食24h[15]。以1min的間隔連續60次測定耗氧率(MO2)取平均值作為實驗魚的RMR。在RMR測定完成后,再將實驗魚放入容積約為150 L,最大流速約80 cm/s的環形水道內,采用國際通用的方法用手不斷追逐使魚被迫持續急速運動,當魚失去平衡或繼續追逐不再有明顯應激反應時,即可視為達到力竭狀態[16]。將達到力竭運動狀態的魚立即放入間歇式呼吸儀內以1min的間隔進行力竭恢復MO2測定60次。在進行恢復耗氧的測定時,實驗魚所使用的呼吸室體積為550 mL。在測定完成后,打開呼吸儀的外循環,使呼吸儀溶氧恢復至正常水平,實驗魚在呼吸室內恢復約12h。然后將呼吸儀封閉,隨著魚呼吸,水中溶解氧不斷減少,最終使其身體失去平衡[4]。此時,再次打開外循環,使呼吸儀溶氧恢復至正常水平,以1min的間隔進行低氧恢復MO2測定60次(測定過程中如果溶氧下降至飽和溶氧70%打開呼吸室外循環進行水體交換)。整個實驗過程,水溫維持在(25±0.5)℃。

每尾魚單位體重的MO2[mg O2/(kg·h)],計算公式為:MO2=ΔO2×v/m。式中,ΔO2為實驗呼吸儀和無魚的對照呼吸儀溶氧的差值(mg/L),v為通過呼吸儀的水流量(L/h),m就是每尾實驗魚的體重(kg)。通過積差法計算實驗魚的EPOC和EPHOC值(mg/kg)。

1.3 參數統計與分析

采用Excel(2007)進行常規數據計算。數理統計采用SPSS(17.0)進行處理分析;代謝特征參數進行Shapiro-Wilk檢驗正態性;代謝特征參數之間進行一元線性回歸分析;RMR與力竭運動后PMR和低氧脅迫后PMR的關系,RMR與EPOC和EPHOC關系的斜率比較采用協方差分析(ANCOVA);力竭運動后PMR與低氧脅迫后PMR,EPOC與EPHOC的比較采用成對t檢驗;顯著性水平定為P＜0.05。

2 結果

2.1 代謝特征參數的個體變異

結果顯示,在實驗魚力竭運動后,代謝率瞬間上升在1min即達到峰值;而在低氧脅迫后代謝率要5min才達到峰值;在達到峰值后,它們的代謝率均相對緩慢回落到RMR水平(圖 1)。各代謝特征參數存在普遍差異,RMR、力竭運動后PMR、EPOC、低氧脅迫后PMR和EPHOC最大值與最小值的比率分別為2.4、3.5、9.3、2.4和7.0;所有參數均服從正態分布(表 1)。

表1 中華倒刺鲃代謝率參數個體變異分析Tab.1 Analysis of individual variation of qingbo metabolic rate parameters (n=44)

圖1 中華倒刺鲃力竭運動后(a)和低氧脅迫后(b)代謝率恢復曲線(平均值±標準誤,樣本數=44)Fig.1 The post-exercise (a) and post-hypoxia (b) metabolic rate curve of qingbo (mean±SE,n=44)

2.2 代謝特征參數間的關系

中華倒刺鲃力竭運動后PMR(r=0.348,P=0.010)和低氧脅迫后PMR(r=0.449,P=0.002)與RMR均呈顯著正相關(圖 2a);兩回歸直線斜率間差異顯著(F2,85=38.085,P＜0.001)。中華倒刺鲃EPOC與RMR呈顯著負相關(r=–0.426,P=0.004),而EPOC與RMR的關系不顯著(r=–0.292,P=0.054;圖 2b);兩回歸直線斜率間差異顯著(F2,85=11.414,P＜0.001)。力竭運動后PMR與EPOC間呈正相關(r=0.424,P=0.004),低氧脅迫后PMR與EPHOC間也呈正相關(r=0.391,P=0.009;圖 2c)。

圖2 中華倒刺鲃能量代謝特征參數間的關系Fig.2 Relationships among characteristic parameters of energy metabolism of qingbo

2.3 力竭運動后與低氧脅迫后代謝參數的關聯

中華倒刺鲃個體間力竭運動后PMR與低氧脅迫后PMR(r=0.673,P＜0.001)和EPOC與EPHOC(r=0.526,P＜0.001)均顯著正相關(圖 3a和3b);然而,力竭運動后PMR和EPOC分別顯著高于低氧脅迫后PMR和EPHOC(圖 3c和3d;P＜0.05)。

圖3 中華倒刺鲃運動后與低氧脅迫后能量代謝參數的關聯Fig.3 The consistency of energy metabolism parameters between post-exercise and post-hypoxia

3 討論

研究發現通過力竭運動和低氧脅迫均能誘導出額外耗氧,然而力竭運動后PMR高于低氧脅迫后PMR,EPOC也高于EPHOC,因此通過低氧脅迫并不能誘導出中華倒刺鲃的最大有氧(MMR)和無氧代謝能力(過量耗氧量)。已有研究發現,無論是在種間還是在種內水平魚類的MMR與其游泳運動能力高度正相關[11,17],表明魚類游泳運動受到兩種代謝能力的影響。相關研究理論認為動物若維持相對較大的功率輸出其相關器官必須維持相對較強的活性,從而需要消耗能更多的維持能量;在自然界,選擇維持代謝較高的個體以支持高強度的運動能力是其重要選擇方向之一[18—20]。本研究研究發現,中華倒刺鲃力竭運動誘導的MMR(即PMR)與其RMR呈正相關。這表明中華倒刺鲃高RMR個體能夠支持強的運動歸結為這些個體能夠支持更大的有氧代謝功率輸出[21]。

研究認為,魚類無氧運動能力與EPOC相關[5,22]。已有研究發現魚類RMR與EPOC在種間水平呈正相關[4];然而,本實驗發現中華倒刺鲃EPOC與RMR在個體水平呈負相關。究其原因,一方面該物種MMR的變異(CV為42%)高于EPOC變異(CV為32%),較高的有氧運動能力是滿足其劇烈運動的重要因素;另一方面,EPOC與RMR兩個實驗參數在計算上并非完全獨立,實驗誤差也可能掩蓋其內在關聯。魚類在遭受低氧脅迫時,若環境溶氧水平導致機體無法維持其RMR水平,魚類必須降低能量消耗或依靠無氧代謝提供能量為生命所需[23]。因此,在部分魚類物種EPHOC與其低氧耐受能力存在關聯[4]。已有研究在種間和種內個體尺度水平均發現魚類的低氧耐受能力與其RMR呈負相關。即,RMR低的物種或個體具有更強的低氧耐受能力[11,24]。本研究發現,中華倒刺鲃EPHOC與RMR呈負相關趨勢(P=0.054),因此低RMR個體具有更強的低氧耐受能力是因為相對更大EPHOC所貢獻。值得注意的是,EPHOC受RMR負效應弱于EPOC所受RMR的負效應,其具體機制有待進一步研究。

研究發現,中華倒刺鲃個體力竭運動后PMR與低氧脅迫后PMR、EPOC與EPHOC間具有緊密的內在關聯(即呈正相關),這歸因于兩者間均屬于“缺氧”而具有相似的生化反應過程。但前者屬于功能性缺氧,功能性缺氧常發生于力竭運動后的酸中毒;而后者屬于環境缺氧,將使機體功能受到一定損傷,進而造成生存阻礙[6]。中華倒刺鲃力竭運動后PMR高于低氧脅迫后PMR,EPOC也大于EPHOC表明并非所有器官組織(如腦和心臟)都能利用無氧代謝應對環境缺氧,然而在運動后PMR低(或EPOC小)的個體,低氧脅迫后PMR和EPHOC值與運動后對應的值均較為接近;反之,其運動后的值遠大于低氧脅迫后所對應的值。一方面,魚類運動代謝特征參數具有較強的環境可塑性,且身體狀況對運動代謝特征參數影響也較大;另一方面,魚類游泳運動種內變異大于低氧耐受的種內變異,而低氧耐受具有相對保守性[11,22,25]。因為中華倒刺鲃偏好流水生境,具有一定游泳運動能力即能滿足其劇烈運動需要[26],而低氧耐受關系其能否幸存。綜上所述,中華倒刺鲃能量代謝特征是其經長期自然選擇適應環境的結果。