李 豫,黃建盛,陳有銘,溫震威,歐光海,黃鑒鵬,蔣鑫濤,郭潮安,馬 騫,陳 剛,3
(1.廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,廣東 湛江 524088;2.廣東藍(lán)糧種業(yè)有限公司,廣東 湛江 524000;3.廣東省水產(chǎn)動物病害防控與健康養(yǎng)殖重點(diǎn)實驗室,廣東 湛江 524088)
溫度是影響魚類生長、發(fā)育和繁殖的主要環(huán)境因子。溫度驟降對魚類正常生命活動產(chǎn)生不利影響,甚至導(dǎo)致魚類大量死亡。尼羅羅非魚(Oreochromis niloticus)[1]、雜交石斑魚(Epinephelus moara♀×Epinephelus lanceolatus♂)[2]、點(diǎn)帶石斑魚(Epinephelus coioides)[3]、鯉(Cyprinus carpiovar.wuyuanensis♂×Cyprinus pellegrini pellegrini♀)[4]等在低溫脅迫下,葡萄糖(GLU)、甘油三酯(TG)和谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)等血清生理生化指標(biāo)均發(fā)生顯著變化。此外,低溫脅迫還會導(dǎo)致魚體內(nèi)源性活性氧(ROS)增加,造成氧化損傷[5]。將斑馬魚(Danio rerio)和歐洲綿鳚(Zoarces viviparus)直接轉(zhuǎn)入低溫環(huán)境中導(dǎo)致腦和肝臟發(fā)生氧化損傷[6-7],長期處于低溫脅迫的濱岸護(hù)胸鲇(Teleostei callichthyidae)和歐洲舌齒鱸(Dicentrarchus labrax)中也出現(xiàn)類似情況[8-9]。魚類通過抗氧化防御系統(tǒng)中的過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)等抗氧化酶消除ROS。當(dāng)ROS含量超出機(jī)體清理能力范圍時,將引起氧化應(yīng)激反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷、酶失活以及遺傳物質(zhì)等重要細(xì)胞成分受損[10-11]。氧化應(yīng)激可進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[12]。大多數(shù)凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程與caspase家族、p53、mdm2、bax和bcl-2等凋亡相關(guān)基因有關(guān),關(guān)鍵凋亡相關(guān)基因表達(dá)量的變化可降低細(xì)胞活力,增加細(xì)胞凋亡比例[13-14]。
軍曹魚(Rachycentron canadum)營養(yǎng)豐富,肉質(zhì)鮮美,經(jīng)濟(jì)價值高,是近海浮動式網(wǎng)箱和深海網(wǎng)箱的重要養(yǎng)殖魚種[15]。據(jù)報道,軍曹魚適宜生長水溫為25~32℃,水溫低至21 ℃時攝食量明顯降低,18 ℃時靜止于水底[16]。近年來,我國南方地區(qū)冬春季節(jié)寒潮天氣頻發(fā),對軍曹魚養(yǎng)殖業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。本實驗室前期開展了低溫脅迫影響軍曹魚幼魚脂代謝的相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)軍曹魚通過顯著提高肝臟和腹腔脂肪的多不飽和脂肪酸比例來響應(yīng)低溫脅迫[17]。本研究測定低溫脅迫下軍曹魚的血清和肝臟生理生化指標(biāo),檢測肝臟中凋亡相關(guān)基因表達(dá)量的變化,為軍曹魚健康養(yǎng)殖提供參考。
實驗用軍曹魚幼魚由廣東海洋大學(xué)海洋生物研究基地自繁自育,實驗在廣東恒興飼料股份有限公司863 基地進(jìn)行。實驗開始前將幼魚暫養(yǎng)兩周,養(yǎng)殖設(shè)備為24 h 的流水養(yǎng)殖系統(tǒng),每個水槽300 L,溶氧水平≥5 mg/L,氨氮≤0.02 mg/L,pH 7.6±0.2,溫度(28±1)℃、鹽度29±1。暫養(yǎng)結(jié)束后挑選健康、規(guī)格一致、平均體質(zhì)量(39.11±1.01)g、平均體長(19.71±0.73)cm 的軍曹魚進(jìn)行實驗。實驗設(shè)置(18±0.5)、(21±0.5)、(25±0.5)℃3 個溫度處理組和1個對照組(28±1)℃,每組3個重復(fù),每個重復(fù)20尾魚。降溫程序參考文獻(xiàn)[18-20]并適當(dāng)調(diào)整,水溫高于23℃時以6 h/℃勻速降溫,降至23℃后以12 h/℃勻速降溫。溫度處理組,將冰塊置于4層蝦苗袋,密封,放入水槽,水槽上方覆蓋薄膜,并在水槽周圍粘貼隔熱棉以減少溫度波動;使用氣石連續(xù)充氣保證水體溫度均衡;實驗期間24 h連續(xù)監(jiān)測溫度值(每2 h測量一次水溫),當(dāng)水溫偏離0.3 ℃以上時即調(diào)整冰塊數(shù)量。實驗期間低溫處理組靜水養(yǎng)殖,每天在8:00和17:00投喂飼料(廣東東騰飼料有限公司),每天更換50%的等溫海水,除水溫外,其余水質(zhì)條件與暫養(yǎng)期間保持一致。
當(dāng)溫度處理組水溫降至指定溫度(25±0.5、21±0.5、18±0.5)℃后,在0、4 和7 d 時每組隨機(jī)取魚15尾(每個重復(fù)5 尾),使用40 mg/L 的丁香酚麻醉,用1 mL 注射器尾靜脈處采血,離心(3 500 r/min,15 min,4℃)取上層血清置-80 ℃冰箱中保存,用于檢測生理生化指標(biāo);采血后每組隨機(jī)取12尾,6尾魚肝臟用于酶活測定,6 尾魚肝臟用于基因表達(dá)分析。所取組織經(jīng)液氮速凍后置于-80 ℃冰箱凍存?zhèn)溆谩?/p>
血清葡萄糖、甘油三酯、總膽固醇(T-CHO)、總蛋白(TP)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)、堿性磷酸酶(AKP)指標(biāo)使用全自動分析儀測定(Chemray 240,深圳雷杜生命科技),所用試劑盒購自南京建成生物工程有限公司。肝臟過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶活性和丙二醛(MDA)含量均用南京建成生物工程有限公司試劑盒,參照試劑盒說明書測定。
肝臟總RNA 提取、質(zhì)量檢測、反轉(zhuǎn)錄操作流程均參照文獻(xiàn)[21]。根據(jù)軍曹魚已有的全基因組數(shù)據(jù)(NCBI BioProject ID:PRJNA634421)查找目的基因序列,使用Primer Premier 6.0 設(shè)計實時熒光定量PCR(qRT-PCR)引物(表1)。以獲得的肝臟cDNA為模板,β-actin為內(nèi)參基因,通過qRT-PCR 分析bax、bcl-2、caspase-9、caspase-3、p53、mdm2基因在不同溫度條件下的表達(dá)變化。qRT-PCR 反應(yīng)程序:94 ℃30 s;94 ℃5 s、58 ℃15 s、72 ℃10 s,40循環(huán)。用2-ΔΔCt法計算基因的相對表達(dá)量。
表1 熒光定量引物Table 1 Primers used for quantitative real-time PCR
實驗數(shù)據(jù)采用單因素方差分析和Duncan's 法多重比較進(jìn)行顯著性差異分析,P <0.05 表示差異顯著,采用GraphPad Prism 8軟件作圖。
圖1 可見,脅迫0 d 時,18 ℃組血清GLU 含量顯著高于其他組(P <0.05);4、7 d 時,28 ℃組GLU含量顯著高于溫度處理組(P <0.05)(圖1(A))。18 ℃組血清TG 含量在各個時間點(diǎn)均顯著高于28 ℃和25 ℃組(P <0.05)(圖1(B))。21 ℃和18 ℃組T-CHO 含量在各個時間點(diǎn)均顯著低于28 ℃和25 ℃組(P <0.05)(圖1(C))。0、4 d 時,組間血清TP含量無顯著性差異(P >0.05);7 d時,21℃和18℃組TP 含量均顯著低于28℃和25℃組(P <0.05)(圖1(D))。
圖1 低溫脅迫對軍曹魚幼魚血清葡萄糖、甘油三酯、總膽固醇和總蛋白含量的影響Fig.1 Effects of low-temperatures on contents of glucose(GLU),triglyceride(TG),total cholesterol(T-CHO)and total protein(TP)in serum of juvenile cobia
圖2 可見,脅迫0、4 d 時,18 ℃組血清ALT 活性顯著高于其他組(P <0.05);7 d 時,18 ℃組ALT 活性下降且組間無顯著差異(P >0.05)(圖2(A))。0 d時,28 ℃組血清AST活性顯著低于溫度處理組(P <0.05);4 d 時,21 ℃和18 ℃組AST 活性均顯著高于28 ℃和25 ℃組(P <0.05),而在7 d 時,僅21 ℃組顯著高于其他組(P <0.05)(圖2(B))。0、4 和7 d時,血清AKP 活性在28 ℃和25 ℃組較穩(wěn)定,21 ℃和18 ℃組分別在4 d 和7 d 達(dá)到峰值并顯著高于其他組(P <0.05)(圖2(C))。
圖2 低溫脅迫對軍曹魚幼魚血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶和堿性磷酸酶活性的影響Fig.2 Effects of low-temperatures on activities of alanine aminotransferase(ALT),aspartate aminotransferase(AST)and alkaline phosphatase(AKP)in serum of juvenile cobia
圖3 可見,在0、4、7 d 時,28 ℃和25 ℃組肝臟SOD 活性較穩(wěn)定且顯著高于21 ℃和18 ℃組(P <0.05)(圖3(A))。0 d 時,28 ℃組肝臟CAT 活性顯著高于溫度處理組(P <0.05);4、7 d 時,28 ℃和25 ℃組肝臟CAT 活性顯著高于21 ℃和18 ℃組(P <0.05)(圖3(B))。0 d 時,18 ℃組肝臟GPx 活性顯著高于其他組(P <0.05);21 ℃和18 ℃組GPx 活性在4 d 時顯著高于28 ℃和25 ℃組,而在7 d 時,則顯著低于后者(P <0.05)(圖3(C))。7 d時,21 ℃和18 ℃組肝臟MDA 含量均顯著高于28 ℃和25 ℃組(P <0.05)(圖3(D))。
圖3 低溫脅迫對軍曹魚幼魚肝臟超氧化物歧化酶、過氧化物酶、谷胱甘肽過氧化物酶活性及丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of low-temperatures on activities of SOD,CAT,GPx and contents of MDA in liver of juvenile cobia
圖4 可見,在0、4 和7 d 時,21 ℃和18 ℃組肝臟caspase-3和caspase-9基因表達(dá)量均顯著高于28 ℃和25 ℃組(P <0.05)(圖4(A,B))。28 ℃組肝臟p53和bax基因表達(dá)量均顯著低于溫度處理組(P <0.05)(圖4(C,F))。脅迫0 d 時,25 ℃和18 ℃組肝臟mdm2基因表達(dá)量顯著高于28 ℃和21 ℃組(P <0.05);脅迫4、7 d 時,21 ℃和18 ℃組mdm2基因表達(dá)量顯著高于28 ℃和25 ℃組(P <0.05)(圖4(D))。脅迫0、7 d 時,25 ℃組肝臟bcl-2基因表達(dá)量顯著高于其他組,18 ℃組顯著低于其他組(P <0.05);脅迫4 d 時,25 ℃組顯著高于21 ℃和18 ℃組(P <0.05)(圖4(E))。
圖4 低溫脅迫對軍曹魚幼魚肝臟組織凋亡相關(guān)基因caspase-3、caspase-9、p53、mdm2、bcl-2和bax表達(dá)量的影響Fig.4 Effect of low-temperatures on relative expression of genes caspase-3,caspase-9,p53,mdm2,bcl-2 and bax in liver of juvenile cobia
血液是魚體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分,具有生理調(diào)節(jié)、生理防御和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)裙δ?,其生理生化指?biāo)直接反映魚類的營養(yǎng)狀況和代謝水平[22]。GLU 為機(jī)體主要的能源物質(zhì),是魚類維持正常生命活動的能量直接來源[23]。本研究中,軍曹魚幼魚血清GLU 含量在18 ℃和21 ℃水溫脅迫下呈先升高后降低的趨勢,這與鯉(Cyprinus carpio)[4]的低溫脅迫結(jié)果相似,其原因可能是低溫處理初期魚體內(nèi)大量肝糖原轉(zhuǎn)化為GLU以滿足機(jī)體的代謝需求,而后大量GLU 分解成ATP 為機(jī)體提供能量以抵御低溫環(huán)境[4]。TG 和T-CHO 作為血脂的主要成分[24],為魚體提供能量并維持體溫,可作為衡量脂代謝的指標(biāo)[25]。在18 ℃和21 ℃水溫脅迫下幼魚血清TG 含量顯著高于對照組,與本實驗室前期開展的軍曹魚低溫脅迫研究結(jié)果一致,推測低溫脅迫會誘導(dǎo)魚體合成更多的脂肪酸以抵御寒冷[17]。低溫脅迫下魚體肝臟會受到損傷,導(dǎo)致與合成T-CHO 相關(guān)的酶活性受抑制,使T-CHO 合成速度減慢,同時肝臟損傷導(dǎo)致其代謝功能障礙,T-CHO 不能正常通過肝腸循環(huán)被肝臟重新吸收,進(jìn)而引起血清T-CHO含量降低[22]。本研究中,軍曹魚幼魚在低溫脅迫后血清T-CHO 含量降低,推測與低溫導(dǎo)致其在幼魚體內(nèi)合成速度下降及其在肝腸循環(huán)中代謝異常有關(guān)。
血清蛋白質(zhì)水平可反映魚體健康狀態(tài),TP具有穩(wěn)定血液膠體滲透壓和酸堿度的作用[26]。褐籃子魚(Siganus fuscescens)[27]和七帶石斑魚(Epinephelus septemfasciatus)[28]的血清TP 含量隨著低溫作用強(qiáng)度的增強(qiáng)呈降低的趨勢。本研究中,軍曹魚幼魚血清TP 含量在18℃和21℃水溫脅迫到7 d 時顯著低于對照組,推測長時間低溫脅迫可能造成肝臟功能受損,蛋白質(zhì)合成速率下降[28];此外,低溫脅迫后期幼魚攝食量明顯減少,也可能導(dǎo)致血清蛋白水平下降。
魚類血清酶活性變化可作為判斷組織器官的狀態(tài)和代謝水平的依據(jù)[29]。ALT 和AST 是可用于指示肝細(xì)胞損傷及其程度的轉(zhuǎn)氨酶。機(jī)體處于正常狀態(tài)時肝細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整,僅少量轉(zhuǎn)氨酶進(jìn)入血液,當(dāng)肝細(xì)胞損傷時細(xì)胞膜通透性改變,大量ALT和AST 被釋放到血液中,導(dǎo)致其活性在血液中迅速升高[30]。在云紋石斑魚(Epinephelus moara)的低溫脅迫實驗中,血清ALT 和AST 活性顯著高于對照組[31],符合上述規(guī)律。本研究中,低溫脅迫引起軍曹魚幼魚ALT 和AST 活性顯著升高,脅迫7 d 時降至對照組水平,可能是低溫脅迫前期肝臟合成轉(zhuǎn)氨酶過程沒有受到抑制,肝臟受損后大量轉(zhuǎn)氨酶進(jìn)入血清,而在脅迫7 d 幼魚響應(yīng)低溫刺激時合成轉(zhuǎn)氨酶的過程受到抑制,使血液中轉(zhuǎn)氨酶含量呈下降趨勢[2]。
AKP 是魚類重要的防御因子,廣泛參與到免疫活動中,血清AKP 活性可作為評價機(jī)體免疫能力、代謝水平的指標(biāo)[32]。機(jī)體代謝異常時AKP 通過淋巴道和肝竇釋放到血液中,造成血清AKP 活性升高[28]。本研究中18 ℃和21 ℃水溫脅迫7 d 時軍曹魚幼魚血清AKP活性顯著高于對照組,推測低溫脅迫對軍曹魚幼魚的免疫機(jī)制或代謝造成損傷。
生物機(jī)體在環(huán)境刺激下會產(chǎn)生大量ROS,而過量的ROS 則會造成DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的功能受損[33]。魚體抗氧化防御系統(tǒng)中,抗氧化酶SOD、CAT、GPx 和部分非酶類抗氧化劑可相互協(xié)調(diào)清除ROS,防止或修復(fù)氧化損傷[34]。研究表明,魚類抗氧化系統(tǒng)易受溫度影響,大口黑鱸(Micropterus salmoides)長期處于溫度脅迫狀態(tài)會造成應(yīng)激損傷并降低免疫水平[35];對中華鱘(Acipenser sinensis)進(jìn)行急性低溫脅迫后其氧化酶活性改變并對肝臟產(chǎn)生一定程度的損傷[36];點(diǎn)籃子魚(Siganus guttatus)幼魚肝臟抗氧化酶活性在低溫脅迫(14 ℃)后顯著降低[37];在云紋石斑魚[38]和尼羅羅非魚[39]的研究中發(fā)現(xiàn),低溫脅迫導(dǎo)致魚體內(nèi)MDA 濃度升高,從而對魚體造成傷害。本研究中,18 ℃和21 ℃組軍曹魚幼魚肝臟SOD 和CAT 活性在脅迫期間均顯著低于對照組,其原因可能是低溫脅迫造成肝功能受損,抗氧化防御能力降低,從而導(dǎo)致SOD 和CAT 活性下降。而GPx 活性在低溫脅迫至7 d 時顯著高于對照組,可能是脅迫后期CAT 活性下降誘導(dǎo)GPx活性上升以清除過量的H2O2[40]。MDA 含量在脅迫期間均顯著高于對照組,表明低溫脅迫下軍曹魚幼魚抗氧化防御能力遭到破壞,機(jī)體無法及時清除過量的ROS,體內(nèi)ROS 濃度上升使脂質(zhì)過氧化程度加深。
細(xì)胞應(yīng)對刺激有不同的保護(hù)機(jī)制,但超出細(xì)胞承受范圍的刺激強(qiáng)度會導(dǎo)致細(xì)胞信號中斷、DNA 結(jié)構(gòu)破壞和細(xì)胞凋亡[12]。研究表明,氧化應(yīng)激會改變caspase家族、p53、mdm2、bax和bcl-2等凋亡相關(guān)基因表達(dá)水平,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[13]。細(xì)胞應(yīng)激產(chǎn)生的ROS 會改變p53表達(dá)水平,進(jìn)而啟動細(xì)胞周期停滯或凋亡程序[41]。p53為信號網(wǎng)絡(luò)中心樞紐,可調(diào)控細(xì)胞的活性,其中p53-mdm2信號通路是主要的調(diào)控途徑[42]。mdm2在調(diào)控p53表達(dá)水平、維持機(jī)體的穩(wěn)態(tài)發(fā)揮著重要作用,p53被激活后促進(jìn)mdm2表達(dá),mdm2表達(dá)產(chǎn)物對p53具有負(fù)調(diào)控作用[43]。本研究中,18 ℃和21 ℃水溫脅迫導(dǎo)致軍曹魚幼魚p53表達(dá)量顯著高于對照組,提示p53可能在低溫誘導(dǎo)幼魚細(xì)胞凋亡中起關(guān)鍵作用,其表達(dá)量變化可能啟動細(xì)胞凋亡程序,同時mdm2的激活可能是受p53表達(dá)上調(diào)的影響。
p53可通過上調(diào)bax和下調(diào)bcl-2表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。bax和bcl-2均屬bcl2家族,但基因功能完全不同[44]。研究表明,低溫脅迫導(dǎo)致四川華鳊(Sinibrama taeniatus)細(xì)胞凋亡,其凋亡相關(guān)基因p53和bax表達(dá)上調(diào)以及bcl-2表達(dá)下調(diào),本研究檢測的基因表達(dá)趨勢與此結(jié)果相似,推測低溫脅迫下軍曹魚發(fā)生了細(xì)胞凋亡[45]。
細(xì)胞凋亡可由多種刺激觸發(fā),但凋亡途徑主要有外源性死亡受體途徑和內(nèi)源性線粒體途徑[46]。內(nèi)源性線粒體途徑通過激活caspases-9啟動凋亡程序,caspases-9表達(dá)上調(diào)可以激活下游caspases-3促使細(xì)胞凋亡,caspases-3是兩種凋亡途徑的“執(zhí)行者”。本研究中,在18 ℃和21 ℃水溫脅迫下軍曹魚幼魚肝臟caspases-9和caspases-3表達(dá)顯著高于對照組,說明低溫脅迫下最終激活caspases-3表達(dá),進(jìn)而激活內(nèi)源性線粒體途徑引發(fā)細(xì)胞凋亡[47]。此結(jié)果與低溫脅迫下暗紋東方鲀(Takifugu obscurus)[48]和點(diǎn)帶石斑魚[3]caspases-9和caspases-3表達(dá)顯著上調(diào)結(jié)果相似。魚類受到外來刺激時,會造成體內(nèi)ROS 代謝紊亂,細(xì)胞組分及生物合成機(jī)制發(fā)生異常,進(jìn)而可能誘發(fā)細(xì)胞凋亡[49]。推測可能是低溫脅迫軍曹魚幼魚過程中,抗氧化防御能力降低,細(xì)胞不斷受到氧化損傷,從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[11]。
低溫脅迫顯著影響魚類生理過程,降溫速率對于魚類響應(yīng)低溫脅迫過程的形態(tài)、生理、基因表達(dá)水平的變化有決定性作用;因此,需依據(jù)目標(biāo)物種的溫度適應(yīng)性等特征選取合適的降溫速率。例如,花鱸(Lateolabrax maculatus)[20]、七彩神仙魚(Symphysodon aequifasciatus)[19]、四帶無須鲃(Puntius tetrazona)[50]等分別選取1 ℃/h、1 ℃/d及2 ℃/d 的降溫速率開展低溫脅迫處理。軍曹魚廣泛分布在水溫較高的海域[51],對低溫較為敏感,過快的降溫速率(2 ℃/h)會導(dǎo)致軍曹魚不攝食[17],故本研究首先以6 h/℃勻速降溫至23 ℃后,再以12 h/℃勻速降溫。此外,上述研究中低溫處理組的首次取樣均選取在溫度降至目標(biāo)溫度后開始,因此,本研究也采取相似的取樣策略,以保證研究結(jié)果的可比性。
本研究表明,低溫脅迫會顯著抑制軍曹魚幼魚代謝水平,降低其抗氧化相關(guān)酶活性,造成氧化損傷,從而誘導(dǎo)凋亡相關(guān)基因表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞凋亡。