中华倒刺鲃幼鱼能量代谢特征个体差异及生态关联

罗玉莲 庞 旭 刘蒨莹 张永飞 付 成 付世建

(1.重庆师范大学进化生理与行为学实验室,重庆市动物生物学重点实验室,重庆 401331;2.西南大学水产学院,重庆 400715)

能量代谢是生命体逆熵而行,存在高度有序性的基础,也是束缚生物适应性演化最为基本的法则[1]。在鱼类,常以静止代谢率(Resting metabolic rate,RMR)衡量维持能量消耗[2];常以最大代谢率(Maximum metabolic rate,MMR)衡量有氧代谢的最大功率输出[3]。运动后过量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption,EPOC)指鱼类运动后恢复期内超过RMR的额外耗氧量;与之类似,低氧胁迫后过量耗氧(Excess post-hypoxia oxygen consumption,EPHOC)指鱼类经低氧处理后恢复期内超过RMR的额外耗氧量[4—8]。两者具有相似的生化反应过程,均称为“氧债(Oxygen debt)”,并在一定程度上反映鱼类的无氧代谢能力[4—9],但两者的生态内涵却不尽相同。前者主要作用于短时间、高强度暴发运动,保证逃逸、捕食等功能得以顺利完成;后者主要体现在极端低氧条件下,能短时间内得以幸存[4]。

个体差异是有机体存在的普遍现象,为自然(人工)选择提供了条件,具有重要的进化生态学意义。经典的研究认为,高RMR鱼类个体(或物种)通常具有更大的MMR和更高的游泳能力,而低RMR个体(或物种)具有更强的低氧耐受能力[10,11];在种内水平,RMR与EPOC和EPHOC的关系、MMR与EPOC的关系、EPOC与EPHOC是否具有类似的相互关联等问题尚不清楚。

中华倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)主要分布于我国长江上游及其支流,是营底栖生活,偏好流水生境,主要以水生高等植物为食的杂食性鲤科鱼类[2,12]。该物种偏好流水生境,需要具备相对较高的运动能力以维持身体平衡;营底栖生活,对低氧耐受能力也有所要求;因此该物种可能同时面临两种互为冲突生理功能需求的挑战[4,13]。本研究以中华倒刺鲃幼鱼为对象,测定了RMR、峰值代谢率(Peak metabolic rate,PMR)、EPOC和EPHOC等参数并考察各参数个体差异和它们之间的内在关联;旨在揭示鱼类能量代谢特征(维持代谢、有氧代谢和无氧代谢)的适应机制,并为鱼类生理生态学、功能生态学相关研究提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 实验鱼的获取与驯养

实验用中华倒刺鲃幼鱼购于重庆市合川区当地鱼类水产繁殖基地(E106.27,N30.01),实验前于实验室自净化循环控温水槽中驯化2周。每天在9:00饱足投喂饵料1次,所用饵料为通威特种鱼浮性饲料(粗纤维、粗脂肪、粗蛋白质及灰分的比例分别是:13.0%、28.0%、3.0%和15.0%)。实验用水为曝气后的自来水,驯化及实验过程中水温控制在(25±0.5)℃,溶氧水平不低于7 mg O2/L,每天换水1次,换水量约为驯化水体积的30%。光照制度为自然光周期。驯养两周后挑选身体健康、体重接近的中华倒刺鲃幼鱼作为实验对象。

1.2 代谢率的测定

在驯养结束后,选取体形大小相近的100尾实验鱼使用体内PIT(Passive integrated transponder)方法进行电子标签体内标记以便区分实验鱼,随后进行2周的恢复。随后挑选出其中的44尾平均体重为6.88 g(5.01—9.70 g)、平均体长为6.75 cm(5.9—8.0 cm)的实验鱼分别单独放入间歇式呼吸仪[14]适应12h,驯化期间呼吸室呈流通状态,以达到呼吸室内外水体交换的目的。为了消除消化活动对代谢的影响,所有鱼在测定代谢率前禁食24h[15]。以1min的间隔连续60次测定耗氧率(MO2)取平均值作为实验鱼的RMR。在RMR测定完成后,再将实验鱼放入容积约为150 L,最大流速约80 cm/s的环形水道内,采用国际通用的方法用手不断追逐使鱼被迫持续急速运动,当鱼失去平衡或继续追逐不再有明显应激反应时,即可视为达到力竭状态[16]。将达到力竭运动状态的鱼立即放入间歇式呼吸仪内以1min的间隔进行力竭恢复MO2测定60次。在进行恢复耗氧的测定时,实验鱼所使用的呼吸室体积为550 mL。在测定完成后,打开呼吸仪的外循环,使呼吸仪溶氧恢复至正常水平,实验鱼在呼吸室内恢复约12h。然后将呼吸仪封闭,随着鱼呼吸,水中溶解氧不断减少,最终使其身体失去平衡[4]。此时,再次打开外循环,使呼吸仪溶氧恢复至正常水平,以1min的间隔进行低氧恢复MO2测定60次(测定过程中如果溶氧下降至饱和溶氧70%打开呼吸室外循环进行水体交换)。整个实验过程,水温维持在(25±0.5)℃。

每尾鱼单位体重的MO2[mg O2/(kg·h)],计算公式为:MO2=ΔO2×v/m。式中,ΔO2为实验呼吸仪和无鱼的对照呼吸仪溶氧的差值(mg/L),v为通过呼吸仪的水流量(L/h),m就是每尾实验鱼的体重(kg)。通过积差法计算实验鱼的EPOC和EPHOC值(mg/kg)。

1.3 参数统计与分析

采用Excel(2007)进行常规数据计算。数理统计采用SPSS(17.0)进行处理分析;代谢特征参数进行Shapiro-Wilk检验正态性;代谢特征参数之间进行一元线性回归分析;RMR与力竭运动后PMR和低氧胁迫后PMR的关系,RMR与EPOC和EPHOC关系的斜率比较采用协方差分析(ANCOVA);力竭运动后PMR与低氧胁迫后PMR,EPOC与EPHOC的比较采用成对t检验;显著性水平定为P＜0.05。

2 结果

2.1 代谢特征参数的个体变异

结果显示,在实验鱼力竭运动后,代谢率瞬间上升在1min即达到峰值;而在低氧胁迫后代谢率要5min才达到峰值;在达到峰值后,它们的代谢率均相对缓慢回落到RMR水平(图 1)。各代谢特征参数存在普遍差异,RMR、力竭运动后PMR、EPOC、低氧胁迫后PMR和EPHOC最大值与最小值的比率分别为2.4、3.5、9.3、2.4和7.0;所有参数均服从正态分布(表 1)。

表1 中华倒刺鲃代谢率参数个体变异分析Tab.1 Analysis of individual variation of qingbo metabolic rate parameters (n=44)

图1 中华倒刺鲃力竭运动后(a)和低氧胁迫后(b)代谢率恢复曲线(平均值±标准误,样本数=44)Fig.1 The post-exercise (a) and post-hypoxia (b) metabolic rate curve of qingbo (mean±SE,n=44)

2.2 代谢特征参数间的关系

中华倒刺鲃力竭运动后PMR(r=0.348,P=0.010)和低氧胁迫后PMR(r=0.449,P=0.002)与RMR均呈显著正相关(图 2a);两回归直线斜率间差异显著(F2,85=38.085,P＜0.001)。中华倒刺鲃EPOC与RMR呈显著负相关(r=–0.426,P=0.004),而EPOC与RMR的关系不显著(r=–0.292,P=0.054;图 2b);两回归直线斜率间差异显著(F2,85=11.414,P＜0.001)。力竭运动后PMR与EPOC间呈正相关(r=0.424,P=0.004),低氧胁迫后PMR与EPHOC间也呈正相关(r=0.391,P=0.009;图 2c)。

图2 中华倒刺鲃能量代谢特征参数间的关系Fig.2 Relationships among characteristic parameters of energy metabolism of qingbo

2.3 力竭运动后与低氧胁迫后代谢参数的关联

中华倒刺鲃个体间力竭运动后PMR与低氧胁迫后PMR(r=0.673,P＜0.001)和EPOC与EPHOC(r=0.526,P＜0.001)均显著正相关(图 3a和3b);然而,力竭运动后PMR和EPOC分别显著高于低氧胁迫后PMR和EPHOC(图 3c和3d;P＜0.05)。

图3 中华倒刺鲃运动后与低氧胁迫后能量代谢参数的关联Fig.3 The consistency of energy metabolism parameters between post-exercise and post-hypoxia

3 讨论

研究发现通过力竭运动和低氧胁迫均能诱导出额外耗氧,然而力竭运动后PMR高于低氧胁迫后PMR,EPOC也高于EPHOC,因此通过低氧胁迫并不能诱导出中华倒刺鲃的最大有氧(MMR)和无氧代谢能力(过量耗氧量)。已有研究发现,无论是在种间还是在种内水平鱼类的MMR与其游泳运动能力高度正相关[11,17],表明鱼类游泳运动受到两种代谢能力的影响。相关研究理论认为动物若维持相对较大的功率输出其相关器官必须维持相对较强的活性,从而需要消耗能更多的维持能量;在自然界,选择维持代谢较高的个体以支持高强度的运动能力是其重要选择方向之一[18—20]。本研究研究发现,中华倒刺鲃力竭运动诱导的MMR(即PMR)与其RMR呈正相关。这表明中华倒刺鲃高RMR个体能够支持强的运动归结为这些个体能够支持更大的有氧代谢功率输出[21]。

研究认为,鱼类无氧运动能力与EPOC相关[5,22]。已有研究发现鱼类RMR与EPOC在种间水平呈正相关[4];然而,本实验发现中华倒刺鲃EPOC与RMR在个体水平呈负相关。究其原因,一方面该物种MMR的变异(CV为42%)高于EPOC变异(CV为32%),较高的有氧运动能力是满足其剧烈运动的重要因素;另一方面,EPOC与RMR两个实验参数在计算上并非完全独立,实验误差也可能掩盖其内在关联。鱼类在遭受低氧胁迫时,若环境溶氧水平导致机体无法维持其RMR水平,鱼类必须降低能量消耗或依靠无氧代谢提供能量为生命所需[23]。因此,在部分鱼类物种EPHOC与其低氧耐受能力存在关联[4]。已有研究在种间和种内个体尺度水平均发现鱼类的低氧耐受能力与其RMR呈负相关。即,RMR低的物种或个体具有更强的低氧耐受能力[11,24]。本研究发现,中华倒刺鲃EPHOC与RMR呈负相关趋势(P=0.054),因此低RMR个体具有更强的低氧耐受能力是因为相对更大EPHOC所贡献。值得注意的是,EPHOC受RMR负效应弱于EPOC所受RMR的负效应,其具体机制有待进一步研究。

研究发现,中华倒刺鲃个体力竭运动后PMR与低氧胁迫后PMR、EPOC与EPHOC间具有紧密的内在关联(即呈正相关),这归因于两者间均属于“缺氧”而具有相似的生化反应过程。但前者属于功能性缺氧,功能性缺氧常发生于力竭运动后的酸中毒;而后者属于环境缺氧,将使机体功能受到一定损伤,进而造成生存阻碍[6]。中华倒刺鲃力竭运动后PMR高于低氧胁迫后PMR,EPOC也大于EPHOC表明并非所有器官组织(如脑和心脏)都能利用无氧代谢应对环境缺氧,然而在运动后PMR低(或EPOC小)的个体,低氧胁迫后PMR和EPHOC值与运动后对应的值均较为接近;反之,其运动后的值远大于低氧胁迫后所对应的值。一方面,鱼类运动代谢特征参数具有较强的环境可塑性,且身体状况对运动代谢特征参数影响也较大;另一方面,鱼类游泳运动种内变异大于低氧耐受的种内变异,而低氧耐受具有相对保守性[11,22,25]。因为中华倒刺鲃偏好流水生境,具有一定游泳运动能力即能满足其剧烈运动需要[26],而低氧耐受关系其能否幸存。综上所述,中华倒刺鲃能量代谢特征是其经长期自然选择适应环境的结果。