堿脅迫下“鱘龍1號”(Huso dauricus♀×Acipenser schrenckii♂)鰓組織結構變化及轉錄表達特征

楊合霖，張 穎，王念民，徐 偉，呂偉華

(1．上海海洋大學，農業農村部淡水水產種質資源重點實驗室，上海 201306；2.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，黑龍江省冷水性魚類種質資源及增養殖重點開放實驗室，哈爾濱150070)

鱘隸屬于硬骨魚綱(Osteichthyes)鱘形目(Acipenseriformes)，是現存起源最早的脊椎動物之一，具有極高的科研價值。鱘魚籽營養豐富，制成的魚子醬價格昂貴，素有“黑色黃金”之稱。中國的鱘魚產業發展迅猛，鱘魚養殖產量和魚子醬產量世界領先，20世紀90年代初至今，中國的鱘魚養殖品種不斷增多，其中 “鱘龍1號”(♀×)為中國第一個自主選育獲得的雜交鱘新品種，相比其他鱘科魚類，該品種兼具個體大、生長快與性腺發育早等優勢。

1 材料方法

1.1 試驗材料

“鱘龍1號”幼魚(簡稱雜交鱘)采集于中國水產科學研究院北京房山鱘魚工程繁育中心，并于黑龍江水產研究所呼蘭基地進行試驗，試驗魚約為30日齡，體長為(133.17±16.75) mm，體重為(12.43±3.99) g。本試驗設置了1個對照組(C)與1個脅迫組(T)，每組設三個平行。對照組為自來水，實際測定堿度為3.13 ～ 3.20 mmol/L，脅迫組為自來水添加99%純度的食用小蘇打(哈爾濱市呼蘭區三鑫制堿廠)的穩定溶解液，實際測定堿度為14.4 ～16.67 mmol/L，每個養殖缸養殖15尾，共90尾。

試驗前于自來水中馴養2周，養殖水溫為17～21 ℃，溶氧量大于6 mg/L，日投喂2次(天邦鱘魚顆粒配合飼料)，日投餌率為1%～1.5%。試驗開始后每2日更換相同堿度新水，持續增氧曝氣，并保持水質清潔。于試驗第30天，采集鰓組織，保存于Bouin′s固定液，并于24 h后轉入70%酒精中保存，每個平行各取3尾備用。另取鰓裝入凍存管后用液氮臨時保存，于-80 ℃冰箱保存備用，每個平行各取5尾混合為一個重復，每組共采3個重復。

1.2 試驗方法

1.2.1 鰓的石蠟切片制作與觀察

將鰓修成小塊(3 mm×3 mm×3 mm)，分別置于70%、80%、90%、95%和100%(2次)的酒精中進行梯度脫水，并置于二甲苯 ∶酒精(1 ∶1)、二甲苯(2次)中梯度脫去酒精，再置于二甲苯 ∶石蠟(1 ∶1)、軟蠟和硬蠟除去二甲苯，進行石蠟包埋；用MICROM HM 200切片機切片，切片厚度為4 μm；將獲得的切片置于二甲苯、二甲苯 ∶酒精(1 ∶1)、100%酒精、90%酒精、80%酒精和清水，逐步除去組織內的石蠟、二甲苯和酒精，并進行蘇木精·伊紅(H·E)染色；染色后的切片逐步置于70%酒精、80%酒精、90%酒精、100%酒精、二甲苯 ∶酒精(1∶1)、二甲苯(2次)；采用中性樹膠封片，并用Leica DMI 6000B拍照觀察。

1.2.2 RNA提取及RNA-seq測序

利用 RNA easy Lipid Tissue Mini Kit(QIAGEN，Germany)提取總RNA。利用nanodrop 8000儀器檢測各RNA樣品的純度和濃度，并通過瓊脂糖凝膠電泳極檢測RNA的完整性。RNA-seq測序委托上海歐易生物醫學科技有限公司(上海)完成，利用 Illumina HiseqTM 2500平臺進行高通量測序。

1.2.3 測序數據分析

測序數據去除接頭、重復及低質量數據后，利用Trinity軟件將數據全部混合拼接獲得Unigene，并進行轉錄注釋及表達量的計算。利用 DESeq 進行基因的差異表達分析，并進行聚類分析。使用DEseq2 方法進行差異基因檢測，<0.05視為差異表達。利用GO數據庫對差異表達基因進行功能注釋和富集，運用KEGG數據庫進行通路分析，FDR≤0.01和Fold Change≥2視為顯著富集。使用Cytoscape軟件構建代謝通路互作網絡。

1.2.4 數據處理

數據采用平均值±標準差(Mean±SD)表示。為保證試驗的準確性和可重復性，組織顯微結構設3個生物重復，轉錄組測序設3個生物重復，5尾魚混為一個重復。用SPSS 22進行單因素方差分析和Duncan多重比較，顯著性水平設為<0.05。

2 結果與分析

2.1 鰓組織結構的病理變化分析

鰓組織切片觀察顯示，對照組的鰓小片為扁平囊狀，細長，呈梳狀排列，鰓小片由單層上皮細胞、毛細血管和柱狀支持細胞組成，上皮細胞呈扁平狀，核梭形，柱狀支持細胞核大而圓，與基膜相連，鰓絲及鰓小片中含有氯細胞，少量分布(圖1-a)。與對照組相比，脅迫組的鰓絲與鰓小片發生腫脹，鰓絲血管壁上有大量扁平細胞與柱細胞增生，泌氯細胞數量增加，鰓小片發生卷曲、融合，鰓上細胞脫落、游離(圖1-b)。顯微結構測量結果顯示，脅迫組的氯細胞略有膨大，與對照組差異不顯著，鰓小片寬度和鰓小片間距顯著增大，差異顯著(<0.05)(表1)。

圖1 雜交鱘幼魚對照組與脅迫組的鰓絲組織切片(H·E)Fig.1 Tissue section of gill filament of juvenile hybrid sturgeon of control group and stress group(H·E)“a”為對照組；“b”為脅迫組；BC： 血細胞；CSC：氯細胞；GL： 鰓小片；PC： 柱細胞；PVC： 扁平上皮細胞

表1 對照組和脅迫組雜交鱘幼魚鰓絲的顯微結構Tab.1 Gill filaments of Juvenile hybrid sturgeon in microscope of control group and treatment group

2.2 測序數據過濾結果及組裝

對鰓的6個樣品進行轉錄組測序，質控后共獲得有效堿基(CleanData)為40.22 G，各樣品的有效數據量分布為 5.78～7.31 G，去除接頭序列、低質量序列后，各樣品Q30 為96.11%～96.23%，GC 含量為45.65%～74.29%(表2)。結果表明，該測序質量可靠，構建文庫可用于后續分析。使用 Trinity軟件paired-end 的拼接方法，根據序列相似性以及長度，挑選出最長的一條作為Unigene，獲得去冗余的Unigene共 80 422條，總長度為88 658 788 bp，N50為1759 bp，最長序列為32 175 bp，最短序列為301 bp。

表2 測序數據統計表Tab.2 Summary of RNA-seq dates

2.3 差異表達基因聚類分析

差異表達基因的聚類結果顯示，對照組與脅迫組有1 507個基因差異表達，其中694個基因差異表達上調，813個基因差異表達下調(圖2)。此外，差異表達基因分別聚類，同組樣本的不同重復表達相似(圖3)。

圖2 對照組與脅迫組差異表達基因火山圖Fig.2 Volcano map of DEGs between control group and stress group

圖3 對照組與脅迫組差異表達基因熱圖Fig.3 Heat map of DEGs between control group and stress groupC1、C2與C3為對照組；T1、T2與T3為脅迫組。

2.4 GO功能分類

將Unigene比對到GO數據庫進行功能分類，結果顯示，差異表達基因為371個，其中87個基因上調，284個基因下調，富集到的生物過程包括鈉離子跨膜輸出(sodium ion export across plasma membrane)、細胞鉀離子穩態(cellular potassium ionhomeostasis)和精氨酸代謝過程(arginine metabolic process)等，差異基因均顯著表達下調(<0.05)；富集到的細胞組分包括頂端質膜(apical plasma membrane)、微絨毛(microvillus)和鈉/鉀交換ATP酶復合體(sodium:potassium-exchanging ATPase complex)等，其中，頂端質膜組分與鈉/鉀交換ATP酶復合體組分中的差異表達基因均顯著下調，微絨毛組分中包括7個基因顯著下調表達與1個基因顯著上調表達。富集到的分子功能包括鈉/鉀交換ATP酶活性(sodium:potassium-exchanging ATPase activity)、精氨酸酶活性(arginase activity)和硫轉移酶活性(sulfotransferase activity)等，其中鈉/鉀交換ATP酶活性功能與精氨酸酶活性功能的差異表達基因均顯著下調，硫轉移酶活性功能中包括4個基因顯著下調表達與1個基因顯著上調表達(圖4)。

圖4 Top 30差異表達基因GO富集結果Fig.4 GO enrichment of top 30 of DEGs 顯著性水平為P<0.05。

2.5 KEGG通路富集及主效應表達通路分析

將Unigene比對KEGG數據庫進行富集，結果顯示，在主要富集通路中，近曲小管碳酸氫鹽再生(ko04964:Proximal tubule bicarbonate reclamation)中8個基因顯著表達下調；礦物吸收(ko04978:Mineral absorption)中7個基因顯著表達下調；胃酸分泌(ko04971：Gastric acid secretion)中10個基因顯著表達下調。篩選21個顯著富集的KEGG代謝通路，構建代謝通路互作網絡，結果顯示，近曲小管碳酸氫鹽再生途徑為主效應途徑(圖5)。

圖5 KEGG顯著富集通路相互作用網絡Fig.5 Network of significantly enriched pathways in KEGG紅色代表顯著上調通路，綠色代表顯著下調通路(P<0.05)。大圓形圖標代表主效應途徑，小圓形圖標代表次效應途徑。

參考KOG數據庫，近曲小管碳酸氫鹽再生代謝通路的主要差異表達基因為3、1、1和，分別參與合成鈉/氫交換蛋白3型(NHE3)、鈉/鉀ATP酶α亞基(NKAα)、鈉/鉀ATP酶β亞基(NKAβ)和谷氨酸脫氫酶(GLDH)等(表3)。

表3 近曲小管碳酸氫鹽再生通路(ko0496)差異表達基因及編碼蛋白Tab.3 The DEGs and protein of Proximal tubule bicarbonate reclamation pathway(ko0496)

3 討論

研究表明，低堿條件下，魚類可以改變氯細胞等鰓上細胞的形態來適應水質的變化，但隨著堿度上升，魚類在堿的刺激下會分泌大量粘液，粘液凝結于鰓絲表面，會直接抑制氯細胞的生理功能，當鹽堿濃度超過魚類的承受力時，魚類的鰓組織結構會造成器質性損傷，甚至威脅到魚類的生存。本研究中，堿脅迫下“鱘龍1號”的鰓組織已經發生了明顯的病理損傷，鰓小片發生卷曲、融合，鰓上細胞發生脫落、游離，該結果與黑龍江泥鰍()、大鱗副泥鰍()、和奧尼羅非魚和黃河鯉()等相似，表明堿度為14.4 ～16.67 mmol/L的條件下，“鱘龍1號”的滲透壓平衡與呼吸功能已經受到影響。

進行GO富集與KEGG富集，并構建基因共表達網絡，差異表達基因主要富集到鈉離子跨膜輸出與細胞鉀離子穩態等生物進程，以及礦物質吸收與近曲小管碳酸氫鹽再生等代謝通路，其中3、1、1與等基因主要參與了調控。NHE3是鈉/氫交換蛋白家族的第三個亞型，由3編碼，主要存在于上皮細胞基底膜，可對細胞內外H和Na進行電中性跨膜交換，對魚類適應非等滲環境有重要作用。研究發現，NHE3參與尿鈉的重吸收，敲除小鼠()的3后，小鼠對碳酸氫鈉的重吸收減少了50%～60%。本研究中3基因響應表達下調，推測“鱘龍1號”采取減少重吸收的策略來降低血液離子濃度，從而維持滲透壓平衡，該結果符合魚類在高滲水環境的滲透調節規律，但關于堿脅迫下“鱘龍1號”的血清離子變化模式仍有待研究。NKA是動物細胞膜上普遍存在的跨膜結合蛋白，主要由α與β亞基構成，分別由1與1基因編碼，可通過亞基的構象變化，泵入3個Na同時釋放2個K，從而參與調節靜息電位與滲透壓的平衡。研究發現，尼羅羅非魚()的基因響應堿度變化，堿脅迫下，尼羅羅非魚的血清離子濃度迅速升高，基因的mRNA表達水平隨離子濃度而產生變化，隨著離子濃度下降，的 mRNA表達水平又趨于恢復。大鱗鲃()在高鹽堿下，由于堿度高于耐受范圍，離子轉運體系負荷，NKA酶活力降低甚至低于正常水平。 本研究1與1基因均顯著表達下調，表明堿度已高于耐受范圍，離子轉運功能下降，可能與鰓損傷有關。 GLDH是一種重要的線粒體酶，由基因編碼，可催化谷氨酸的氧化分解，生成產物α-酮戊二酸與氨，促進魚類的排氨作用。本研究中，基因顯著下調表達，表明鰓損傷已導致排氨功能下降，排泄功能也受到了影響。綜上，堿脅迫下，“鱘龍1號”的鰓組織發生了病理損傷，鰓上細胞的礦物質重吸收、鈉/鉀離子轉運與排氨等功能下降。