攝食和饑餓對大口黑鱸游泳運動能力和低氧耐受的影響

譚 淦 史函穎 陳擁軍, 林仕梅, 李 云, 龐 旭,

(1.西南大學水產學院,重慶 400715;2.西南大學淡水魚類資源與生殖發(fā)育教育部重點實驗室,水產科學重慶市重點實驗,重慶 400715)

能量代謝是維持有機體高度有序性的基礎,為一切生理活動和生命過程提供了保證[1]。日常代謝率(Routine metabolic rate,RMR)是指動物在相對安靜狀態(tài)下的代謝率,常衡量動物的維持能量消耗和整體生理狀況[2]。最大代謝率(Maximum metabolic rate,MMR)是指動物的最大功率輸出,與代謝范圍(Metabolic scope,MS=MMR?RMR)一并常用以衡量動物的有氧代謝能力[3,4]。就大多數魚類而言,通過游泳運動能誘導其最大功率輸出,即活躍代謝率(Active metabolic rate,AMR,在游泳過程中的MMR)[5]。

游泳運動是魚類最為重要的生理功能之一,它與捕食、逃逸、繁殖等密切相關[6,7]。臨界游泳速度(Critical swimming speed,Ucrit)指魚類最大持續(xù)游泳速度,反映魚類有氧運動能力[8]。由于特殊動力作用(Specific dynamic action,SDA),攝食后在其消化過程中,將會提升魚類的代謝率;在一些物種,攝食后由于功率競爭,其臨界游泳能力招致削弱[9]。由于水體特殊的理化性質,溶解氧(Dissolved oxygen,DO)具有較大時空異質性,因此魚類經常遭遇低氧脅迫。臨界氧壓(Critical oxygen press,Pcrit)是指能維持魚類RMR的最低DO水平;當DO水平低于Pcrit時,魚類必須經由無氧代謝提供能量維持生命活動或者被迫降低能量消耗直至身體失去平衡;因此Pcrit和失去平衡點(Loss of equilibrium,LOE)常作為評估魚類低氧耐受的指標[10,11]。在攝食后,由于代謝需求的增加,魚類的低氧耐受可能被削弱。在魚類遭受饑餓后,由于生理機能的下調,其代謝水平、游泳運動能力等常會下降[12]。然而,由于饑餓后魚類代謝需求也相應下調,對環(huán)境DO要求可能會降低,進而影響其低氧耐受能力[13]。

大口黑鱸(Micropterus salmoides)原產于北美密西西比河流域,20世紀 80年代引入我國,現已成為我國淡水養(yǎng)殖業(yè)的一種重要經濟魚類。本研究以大口黑鱸為對象,考察攝食和饑餓對實驗魚能量代謝特征、游泳運動能力和低氧耐受的影響,揭示其生理適應的能量學機制,旨在為相關領域的研究提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 實驗魚及馴化

從重慶長壽區(qū)魚種場購得大口黑鱸(5—10 g),于循環(huán)水槽中進行馴養(yǎng),馴養(yǎng)水溫(25±1)℃。馴養(yǎng)期間保持水槽中水體氧含量在6 mg/L以上,氨氮含量在0.005—0.025 mg/L,保持自然光周期,每日9:00以鰱(Hypophthalmichthys molitrix)肉塊飽足投喂1次。所有實驗魚經過21d 的馴化后,選取48尾健康魚進行實驗,其中16尾(用于游泳運動能力和低氧耐受測試實驗魚各8尾)為對照組(馴化后禁食2d進行實驗測試),16尾為攝食組(投喂3h 后進行實驗測試),16尾為饑餓組(饑餓16d 后進行實驗測試)。

1.2 游泳能力的測定

Ucrit和游泳代謝率(MR,metabolic rate)采用魚類游泳代謝儀(詳見參考文獻[14,15])進行測定,每個處理組測定8尾魚。在測試前,將實驗魚轉移至代謝儀在6 cm/s 的流速下進行適應3h (攝食組魚類攝食后即進行適應)。在馴化完成后,將流速調至2 cm/s進行RMR的測定。RMR的測定完成后再以每檔6 cm/s 的流速增量和20min 的時間周期測定其臨界游泳速度(起始游泳速度亦第一檔流速為:6 cm/s)。每尾魚臨界游泳速度采取以下公式進行計算[16]:

式中,Ucrit為臨界游泳速度(cm/s),Ui是完成設定時間(20min)游泳所具有的最大速度(魚力竭前一檔速度)(cm/s),Uii是各速度梯度的速度增量(6 cm/s),Tii是在各速度梯度下設定的持續(xù)游泳歷時(T=20min),Ti是在最大速度下未能完成設定歷時的實際持續(xù)時間(Ti＜20min)。實驗魚拒絕游泳并停留在游泳管后置篩板 20s 以上作為判斷其力竭的標準[17]。

在上述測定Ucrit的同時測定其游泳MR。當游泳管的流速調到設定值后每 2min 測定溶氧值,測定儀器為溶氧儀(HQ30d,美國哈希公司)。實驗過程溶氧值始終保持在85%飽和溶氧以上[18],溫度控制在(25±0.5)℃。每尾實驗魚單位體重游泳耗氧率[MO2,mg O2/(kg·h)]的計算公式:

式中,S和S0[mg O2/(L·min)]分別為有魚和無魚(細菌耗氧)測定時間(min)與溶氧值(mg O2/L)之間經直線擬合后方程的斜率的絕對值,V為扣除實驗魚體積后的系統(tǒng)總體積(L),m為實驗魚體重(kg)。在最后一檔游泳過程中,當式2中Ti＞10min 的數據將被采集,反之則舍去,不參加游泳MR的分析。實驗魚游泳MR數據詳見圖 1。

圖1 不同處理的大口黑鱸的游泳運動能力Fig.1 Swimming performance of largemouth bass with different treatments

1.3 低氧耐受的測定

將實驗魚轉移至封閉式呼吸儀(詳見參考文獻[19])適應3h(攝食組魚類攝食后即進行適應),適應結束后將呼吸儀封閉用溶氧儀(HQ30d,美國哈希公司)以每2 min/次的頻率進行溶氧值測定直至身體到達LOE。LOE判別標準為魚體側翻或仰泳20s,此時水中的溶氧量作為該尾魚的LOE。每個處理組測定8尾魚。系統(tǒng)溫度維持在(25±0.5)℃。根據以下公式計算出每一時間間隔的耗氧率[MO2,mgO2/(kg·h)]:

式中,[O2]k為前一時刻點的溶氧值(mgO2/L),[O2]k+1為相鄰后一點時刻的溶氧量讀數,V表示呼吸室內去掉魚體的體積(L),t表示前一個點和后一個點的間隔時間(h),m代表該尾魚的體重(kg)。根據“雙線法(Two-segment linear model)”模型計算每尾魚的Pcrit和該點的代謝率,即臨界代謝率(CMR,Critical metabolic rate)[20]。實驗魚低氧耐受測試過程中的MR數據見圖 2。

圖2 不同處理的大口黑鱸的低氧耐受能力Fig.2 Hypoxia tolerance of largemouth bass with different treatment

1.4 數據處理

用Excel 2003對所有實驗數據作常規(guī)計算,用STATISTICS 6.0軟件數理統(tǒng)計分析,相同參數不同處理間進行單因素方差分析(ANOVA),方差分析通過后進行“多重比較(Duncan’s test)”。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 攝食和饑餓后大口黑鱸的游泳能力

結果顯示,攝食組大口黑鱸RMR顯著高于對照組的RMR(P＜0.001),而饑餓組的RMR與對照組間差異不顯著(P=0.107,表 1)。對照組、攝食組和饑餓組間實驗魚的AMR差異不顯著(P=0.376,表 1)。攝食組的MS顯著低于對照組和饑餓組(P=0.033),而對照組的MS和饑餓組間無顯著性差異(P=0.542,表 1)。對照組實驗魚的Ucrit顯著高于攝食組和饑餓組實驗魚的Ucrit(P=0.017),而攝食組與饑餓組間實驗魚的Ucrit差異不顯著(P=0.771,表 1)。

表1 攝食和饑餓對大口黑鱸游泳能力的影響(平均值±標準誤,樣本數=8)Tab.1 The effect of feeding and fasting on swimming performance in largemouth bass (mean±SE,n=8)

2.2 攝食和饑餓后大口黑鱸的低氧耐受能力

結果顯示,所有處理組間實驗魚的LOE差異不顯著(F2,21=2.319,P=0.123,表 2)。攝食組實驗魚的Pcrit顯著高于對照組和饑餓組實驗魚的Pcrit(P=0.014),而對照組和饑餓組間實驗魚的Pcrit差異不顯著(P=0.745,表 2)。攝食組實驗魚的CMR顯著高于對照組和饑餓組實驗魚的CMR(P＜0.001),而對照組和饑餓組間實驗魚的CMR差異不顯著(P=0.355,表 2)。當DO高于Pcrit時,攝食組實驗魚MR與DO間線性關系的斜率顯著高于對照組和饑餓組實驗魚所對應關系的斜率(P＜0.001),而對照組和饑餓組間實驗魚所對應關系的斜率無顯著性差異(P=0.124,表 2)。當DO低于Pcrit時,饑餓組實驗魚MR與DO間線性關系的斜率顯著低于攝食組和對照組實驗魚所對應關系的斜率(P=0.001),而對照組和攝食組間實驗魚所對應關系的斜率無顯著性差異(P=0.826,表 2)。

表2 攝食和饑餓對大口黑鱸低氧耐受的影響(平均值±標準誤,樣本數=8)Tab.2 The effect of feeding and fasting onhypoxia tolerance in largemouth bass (mean±SE,n=8)

3 討論

3.1 攝食和饑餓對大口黑鱸游泳運動能力的影響

研究發(fā)現,大口黑鱸攝食后MR顯著提升,這是因為攝食后食物消化、物質合成等過程需要消耗能量,即“特殊動力作用(SDA)”所致[21]。當攝食和運動兩種生理功能同時進行時,它們必須爭奪“心鰓系統(tǒng)”提供的氧氣以維持較高的代謝水平[22]。當魚類在攝食后游泳,如果中心“心鰓系統(tǒng)”能力足以支持兩種生理活動,那么這兩者間不存在功率競爭,即攝食和運動可以同時完成[14];攝食后運動其AMR顯著增加,為SDA和非攝食魚類運動MR之和,該種模式稱為“代謝添加模式(Additive model)”,如大鱗大麻哈魚(Oncorhynchus tshawytscha)、鯉(Cyprinus carpio)、鱸鯉(Percocypris pingi)和 草魚(Ctenopharyngodon idella)等物種[23—26]。否則,要么犧牲運動能力來維持消化[“消化優(yōu)先模式(digestion prioritization model)”],例如虹鱒(Oncorhynchus mykiss)和南方鲇(Silurus meridionalis)等物種[27,28];要么犧牲消化能力來維持運動[“運動優(yōu)先模式(Activity prioritization model)”],如裸蓋魚(Anoplopoma fimbria)和中華倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)等物種[23,29]。本研究發(fā)現大口黑鱸在攝食后Ucrit顯著降低,而AMR沒有變化,因此大口黑鱸屬于“消化優(yōu)先模式”。此外,攝食代謝相對較高的物種均為“消化優(yōu)先模式”,而攝食代謝較低的魚類多為“代謝添加模式”,與系統(tǒng)分類、食性等因素沒有直接關聯[30]。

在自然界,魚類在面臨食物資源短缺時通常有兩種應對措施,一種是通過降低代謝水平減少能量消耗,以使有限的身體貯能維持更長的生存時間;另一種是盡可能將代謝保持在相對較高的水平,以保證在重新獲得食物供應或面臨其它環(huán)境脅迫時能產生適當的應激反應[31]。在本研究中,大口黑鱸遭受短期饑餓(16d)后其RMR和AMR與對照組相比并未顯著下降;因此,大口黑鱸遭受饑餓時可能會選擇維持較高的代謝水平來面對環(huán)境脅迫。盡管如此,較高的代謝水平意味著較高的維持消耗;而在大口黑鱸遭受2周饑餓后,其Ucrit顯著降低,這可能與能量底物消耗從而導致其無氧代謝能力下降相關。其具體生理生化機制有待進一步研究。

3.2 攝食和饑餓對大口黑鱸低氧耐受的影響

研究發(fā)現大口黑鱸攝食后Pcrit和CMR顯著上升,表明攝食后大口黑鱸的低氧耐受能力有所下降,這是因攝食后大口黑鱸“特殊動力作用”代謝率提升所致[32]。在各實驗組,CMR均高于RMR(僅饑餓組差異顯著),這是因為低氧耐受測試所采用呼吸室體積遠小于游泳代謝測試所采用呼吸室體積,而所受脅迫更大所致。此外,當水中DO高于Pcrit時,攝食組實驗魚MR與DO間線性關系的斜率顯著高于對照組實驗魚所對應關系的斜率,表明攝食后大口黑鱸在遭受“禁閉”的應激反應在飽和氧水平時要強于非攝食實驗魚,而隨溶氧水平的下降,其這種應激反應有所削弱與非攝食實驗魚趨同。由于大口黑鱸“心鰓系統(tǒng)”供氧能力有限,SDA增加其氧消耗可能導致攝食后動物比空腹動物對“禁閉”和缺氧環(huán)境更為敏感[32]。盡管如此,大口黑鱸攝食后其LOE與對照組實驗魚LOE并沒有變化,這似乎與其“攝食優(yōu)先模式”(SDA不可關閉)相沖突;綜合分析表明,在極端低氧條件下為了生存大口黑鱸消化生理功能仍可關閉。此外,大口黑鱸的LOE(0.94 mg O2/L)總體而言高于鯉形目和鲇形目魚類物種的LOE(0.12—0.80 mg O2/L),表明大口黑鱸低氧耐受能力相對較弱[33]。

在面臨低氧脅迫時,魚類可能通過降低非必需組織中代謝來滿足關鍵部位的氧氣供應;這與遭受饑餓時機體選擇降低代謝水平減少能量消耗類似。當魚類遭受饑餓和低氧兩種脅迫時,一方面由于代謝需求的下降其低氧耐受可能有所增強;另一方面,由于生理調節(jié)能力被削弱其低氧耐受又可能下降。本研究發(fā)現,饑餓后大口黑鱸的LOE下降28%(t14=1.790,P=0.110),與圖麗魚(Astronotus ocellatus)研究結果一致[34];并且在DO高于Pcrit時,饑餓組實驗魚MR與DO間線性關系的斜率顯著高于對照組實驗魚所對應關系的斜率。這些結果表明大口黑鱸經饑餓后其低氧耐受能力有所增強。

綜上所述,攝食和饑餓將會削弱大口黑鱸的游泳運動能力;攝食也將削弱大口黑鱸的低氧耐受能力,而饑餓對其低氧耐受有所增強;但總體而言,大口黑鱸低氧耐受能力趨于保守。