热应激对鱼类生命活动影响的研究进展

2024-01-03黄天晴董福霖刘恩慧徐革锋王高超姚作春王炳谦谷伟

水产学杂志 2023年2期

黄天晴，董福霖,2，刘恩慧，徐革锋，王高超，姚作春，王炳谦，谷伟

（1.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，农业农村部淡水水产生物技术与遗传育种重点实验室，黑龙江哈尔滨 150070；2.上海海洋大学水产与生命学院，上海 200120）

近年来，随着全球变暖养殖水体温度升高，对鱼类的热应激日愈增加。水温是水产养殖中最关键的环境因素之一，而日常或季节性热波动和培养水温的变化显著影响鱼的生长。水产养殖中高温胁迫造成鱼体疾病爆发频率升高、代谢及免疫能力下降等一系列危害，直接影响养殖的经济效益。本文综述了热应激对鱼类生命活动影响的最新研究成果，包括代谢与生长、抗氧化能力以及热休克蛋白等，以期为鱼类生产实践及相关生理生态研究提供参。

1 应激

1.1 应激的概念

1936 年加拿大麦吉尔大学的病理学家Hans Selye 首次提出[1]：应激是生物在长期进化过程中产生的适应性和保护性的机制，主要作用是维持机体的稳态。机体对应激有一定的适应范围，刺激超出这个范围时，机体的稳态就会被破坏[2]，长期或者过度的刺激对机体的生理[3]和心理[4]产生不利影响。达到一定的强度，引起机体非特异性应答反应的刺激称之为应激源[2]。按照应激源的性质，水产养殖中的应激源可分为三大类：管理胁迫、物理胁迫以及生物胁迫。其中管理胁迫包括养殖病害处理、运输、性别分选、捕捉、分池和养殖的不当操作[5]等。物理胁迫包括盐度、氨氮、pH、光照以及温度等。生物胁迫包括病原生物的入侵以及拥挤等[6]。

1.2 应激的种类

目前，对鱼类应激反应的研究已十分深入和广泛。根据反应发生的组织水平，生理应激反应分为初级、二级和三级应激反应[7]。初级应激反应发生在机体内分泌系统和神经系统水平上。它是在应激源刺激机体后立即出现的反应。与哺乳动物相似，鱼类包括两个应激激素反应系统：交感—肾上腺髓质系统和下丘脑—垂体—肾间组织轴[8]。当鱼类受到应激时，首先激活交感—肾上腺髓质系统。该系统合成和分泌大量去甲肾上腺素。其次，也会激活下丘脑—垂体—肾间组织轴，促进皮质醇的合成与分泌，肾上腺激素和皮质醇分别通过扩散作用和血液流动作用于靶器官或靶组织，引起一系列的代谢和生理变化，起到特定的生物学功能[9]。刺激反应是应激激素调控的生理生化以及免疫过程，包括呼吸系统、心血管系统、能量代谢以及电解质平衡等生物学功能的改变。三级应激反应发生在二级应激反应的基础上，是鱼类个体或群体水平上的变化，鱼体适应了应激源或随着应激水平的提升发生了抗病能力、繁殖能力以及生长能力的变化[5]。

1.3 热应激

热应激是高温下，机体对热刺激所做的一系列非特异性生理反应的总和[10]。鱼类都是变温动物，温度是影响鱼类生存的重要环境因素。它可以影响鱼类的代谢率、生长率以及摄食率等[11]。热应激的影响增加了水产养殖的困难，研究热应激对鱼类的影响十分必要。

2 热应激对鱼类的影响

2.1 热应激对鱼类代谢与生长的影响

温度是显著影响鱼类生长发育的重要因素之一。大多数鱼都是水生变温动物，无法靠自身获取稳定的热量；体表和鳃不停地与外界进行热量交换，无法保持与外界水温不同，所以，温度就成为影响鱼类生长发育和代谢的重要因素之一[12]。水温还通过影响环境中其他生物的生长和物质能量循环来影响鱼类的生长发育和代谢[10,13]。

水温过高或过低都会影响鱼类的正常生长。在最适温度范围内，鱼类的摄食率和生长率随水温的升高而升高，当温度超过了生存上限温度后，生长率就开始下降，甚至大量死亡。鱼类的生长速度依赖于摄食量及鱼类活动代谢和基础代谢后的剩余能量[14]。徐冬冬等[15]研究表明，对褐牙鲆（Paralichthys olivaceus）的最适生长温度为25℃，当超过此温度时，褐牙鲆的特定生长率与摄食率开始下降，并与水温的平方呈显著的负相关，即特定生长率和摄食率随水温的升高而下降。

消化酶活性是反映鱼类消化生理机能的重要指标之一。热应激使美洲鲥（Alosa sapidissima）消化酶活性降低，影响鱼体的代谢速率[16]。而徐奇友[17]的研究表明，水温不仅直接影响消化酶的活性，还间接地通过影响鱼类消化酶的分泌量、体内离子含量等来影响鱼类消化酶的活性。在10℃～40℃内，大黄鱼（Larimichthys crocea）除了前肠外，肝脏、胰脏、胃以及后肠中蛋白酶的活性均先上升、后下降[18]。

在适宜温度范围内，鱼类的代谢速率也随温度的升高逐渐上升[19]。这是因为在水温升高的过程中，维持鱼体生命活动的各种代谢酶活性、呼吸频率[20]增强，新陈代谢加快，代谢速率上升[21]。在陈婉情等对花斑刺鳃鮨（Plectropomus leopardus）、驼背鲈（Chromileptes altivelis）、棕点石斑鱼（Epinephelus fuscoguttatus）等五种海水养殖鱼类的研究发现，虽然对温度变化的敏感性不一致，但是五种鱼类的呼吸频率均随着水温的升高而升高[22]。

2.2 热应激下鱼类血液指标变化

鱼类的血液生理指标与鱼类的营养状况、代谢以及疾病密切相关。当鱼体受到外界应激源刺激发生生理变化时，就会从血液生理指标上反映出来[23]。在不同的环境温度下，血液生理指标可以反映组织器官的功能状态、代谢以及鱼类的健康状况和对环境的适应性[13]。

血细胞在血液中数量最多，是鱼体内运输氧气等物质的最主要媒介。血液中红细胞的数量受多种因素的影响，但Collazos 等[24]研究表明，水温是影响鱼类体内红细胞数量最主要的因素。管标[25]研究表明，虹鳟（Oncorhynchus mykiss）急性热应激后0 h 和6 h 时，血液中红细胞的数量明显低于对照组，直到热应激48 h 后，红细胞数量才恢复正常。

血清当中含有白蛋白和球蛋白，二者合称总蛋白。血清总蛋白主要起维持血浆pH 和渗透压平衡、运输、凝血、供应能量以及免疫等功能[26]。何福林等[28]研究中发现，虹鳟血液中总蛋白的含量随温度升高而升高，而鳙（Hypophthalmichthys nobilis）的总蛋白在23℃时大幅度减少[27]。温度对罗非鱼（Oreochromis mossambicus）血液中总蛋白含量影响不显著，说明了鱼类血液中总蛋白的含量是否受温度影响与鱼的种类有关。

正常情况下，谷草转氨酶（AST）和谷丙转氨酶（ALT）主要存在于各种细胞中，特别是心脏和肝脏中，只有少量在血液中，在脂肪、蛋白质、糖类三大物质循环中起重要作用。鱼受到刺激时，两种酶被释放到血液中，影响鱼类。夏斌鹏等[23]对虹鳟研究显示，AST 和ALT 在26℃时活性显著高于18℃。在冀德伟等[29]对大黄鱼的研究中也发现了AST 和ALT活性随温度升高而升高的现象。

2.3 热应激对鱼类抗氧化能力的影响

在正常状况下，鱼类体内活性氧（ROS）的浓度会保持在一定的范围内，当鱼类受到温度应激时，ROS 产量增加，进一步产生过量脂质过氧化物（LPO），损伤膜和酶活性，影响细胞活性，加速细胞衰老、核酸和蛋白质的凋亡和氧化，进一步伤害鱼体[30]。鱼体内存在两种消除过多ROS 的途径：酶联通路和非酶联通路。前者涉及到多种抗氧化酶，例如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等，以减少鱼类体内氧化代谢时产生的多余ROS[30]。

在热应激期间，吉富罗非鱼（Oreochromis mossambicus）、牙鲆、大菱鲆（Scophthalmus maximus）、虹鳟和硬头鳟等多种鱼的抗氧化酶SOD、CAT、GSH-Px活性均表现出不同程度的升高，对热应激做出应答，以防治氧化损伤。

2.4 热应激下鱼类热休克蛋白（HSP）的表达变化

热休克蛋白（HSP）是一类在多种生物和非生物应激源作用下表达的蛋白质家族，也被称为应激蛋白[32]。主要的热休克蛋白分子质量在15～110 kDa之间，依大小和功能被分成不同的家族[33]。对模式物种的广泛研究揭示了热休克蛋白的三个主要家族：热休克蛋白90（85～90 kDa）、热休克蛋白70（68～73 kDa）和低分子量热休克蛋白（16～47 kDa）[34]。

HSP70 家族蛋白质功能至关重要，包括折叠、细胞内定位、调节、分泌和蛋白质降解等[35]，研究得最广。HSP70 是最保守的热休克蛋白家族之一，在所有被研究的细胞中都发现了它，不同生物间的氨基酸序列同一性值在42%～57%之间[36]。目前已克隆和测序了多种鱼类的HSP70 的基因序列，包括大黄鱼[37]、虹鳟[38]、团头鲂（Megalobrama amblycephala）[39]、罗非鱼[40]以及鲤（Cyprinus carpio）[41]等。自被发现以来，热应激后鱼类HSP70 的表达一直是其研究的热点。强俊等[42]发现，温度显著影响罗非鱼肝脏HSP70 的表达水平。在35℃下，HSP70 的表达呈先上升后下降的趋势，在热应激后12 h HSP70 的表达最高。柳意樊等[43]比较了大菱鲆在热应激后不同组织中HSP70 的表达情况，发现与最初水平相比较，各组织中的HSP70 的表达水平均上调，肌肉中上调最高，其次是肝、肠、鳃、心、脾、胃、肾和脑。同样，Wang 等[44]对鲤热应激的研究中发现，轻度和中度热应激都会导致心脏和肾脏中HSP70 表达上调，也呈现出了先上升后下降的趋势，这与强俊等对罗非鱼的研究相一致。

对鱼类HSP90 的研究晚于对HSP70 的研究，直到2008 年才证实鱼类HSP90 中存在HSP 90α和HSP90β 两种构型[45]。HSP90 是一种丰富的分子伴侣，参与真核细胞的细胞保护。在非应激下，它占总蛋白质的1%～2%[46]。HSP90α 是HSP90 的诱导形式，它折叠、稳定并调节许多细胞蛋白的功能[47]。HSP90β 具有广泛的伴侣功能，是真核细胞中表达量最高的热休克蛋白[48]。Moon-Kyeong Shin 等研究发现，斑点鲈的热应激HSP90α 在肝脏、肌肉以及鳃组织中的表达量均随水温的升高和暴露时间的延长而增加[49]。而虹鳟中的HSP90β 表达在非应激组的脑、肝和心脏的基础表达水平明显高于其他组织，热应激12 h 后，心脏、头肾、脑和鳃的HSP90β水平分别是非应激组的4.76 倍、4.03 倍、3.08 倍和2.70 倍[48]。

2.5 热应激对鱼类免疫的影响

鱼具有完整的非特异性和特异性免疫能力[20]，可以通过黏膜屏障、血液和组织中各种免疫因子和细胞协同抵御外来病原体的侵害[50]。在各种免疫应答中，溶菌酶是鱼类中至关重要的非特异性免疫参数。溶菌酶活性受温度、应激和毒物的刺激[51]。吞噬作用也是一种主要的非特异性免疫应答。它将大颗粒吞噬入细胞液泡内以除去病原微生物，是评价鱼类健康状况和免疫能力的主要免疫学指标[52]。

罗非鱼在持续的高温刺激下，溶菌酶的活性显著低于对照组[53]。在24℃、25℃时，虹鳟溶菌酶的活性也显著低于18～23℃时[23]。半滑舌鳎（Cynoglossus semilaevis）在27℃应激96 h 后，溶菌酶的活性上升[54]，说明溶菌酶同其他的酶相似，在一定的温度范围内，活性随温度升高而增强，当温度超过上限时，机体受到破坏，溶菌酶活性下降。