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夏眠期間仿刺參生長、腸體比以及RNA/DNA比值變化的研究

2014-12-01 08:15王青林于姍姍董云偉
關(guān)鍵詞:刺參比值階段

王青林,于姍姍,董云偉

(廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院,近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門361102)

仿刺參(Apostichopus japonicus Selenka),又名刺參,主要分布于北緯35~44°N的西北太平洋沿岸[1-2].當(dāng)水溫超過25 ℃時,仿刺參進(jìn)入夏眠(aestivation)狀態(tài)[3-4].夏眠期間,仿刺參會出現(xiàn)代謝減弱,體質(zhì)量減輕,內(nèi)臟器官退化等現(xiàn)象[5-6].夏眠是仿刺參生活史中的一個重要環(huán)節(jié),有研究指出夏眠是仿刺參應(yīng)對夏季高溫期的一種適應(yīng)策略[4,7].但是由于夏眠持續(xù)時間長達(dá)4個月,期間仿刺參體質(zhì)量下降,且死亡率高達(dá)30%~40%,嚴(yán)重影響了仿刺參的生長以及產(chǎn)量的提高[8].因此研究夏眠期間仿刺參的生理有助于了解其夏眠機(jī)制,對仿刺參夏季高溫養(yǎng)殖提供一定的理論指導(dǎo).

動物的生長是通過蛋白質(zhì)生物合成實(shí)現(xiàn)的[9-10].Bulow[11]研究認(rèn)為:在蛋白質(zhì)合成過程中,mRNA和tRNA是重要的參與者,當(dāng)組織中的蛋白質(zhì)合成速度加快時,RNA濃度也增加.組織中的RNA濃度與動物的生長速度、外界食物密度以及溫度等因素相關(guān)[12-13],而 DNA是生物的遺傳物質(zhì),含量一般保持穩(wěn)定,不受外界因子的影響[14].因此,RNA/DNA(簡稱R/D)比值能準(zhǔn)確地反映組織蛋白質(zhì)合成水平.20世紀(jì)70年代以來,人們開始利用R/D比值來判斷魚類生長的優(yōu)劣,認(rèn)為其可以作為魚類生長狀況的評價 指 標(biāo)[15-18].司 亞 東 等[19]通 過 對 比 研 究 表 明 鯉(Cyprinus carpio)白肌中的 R/D比值在饑餓與飽食狀態(tài)下有差異,認(rèn)為R/D比值可以推斷魚幼體的營養(yǎng)狀況.在甲殼動物的研究中也得到了類似的結(jié)果[20].此外,Kobari等[21]指出 R/D比值可以作為辨別橈足類動物是否進(jìn)入休眠狀態(tài)的簡單有效的生理指標(biāo).但是關(guān)于R/D比值在棘皮動物特別是仿刺參方面的研究還尚未見報道.因此,本實(shí)驗(yàn)通過測定分析仿刺參夏眠過程中腸體比以及腸、呼吸樹和體壁中R/D比值變化,研究夏眠期間仿刺參R/D比值與其生理狀況之間的關(guān)系.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所需仿刺參幼參采自山東省即墨市育苗場,平均體質(zhì)量為(50.43±0.11)g.購買的仿刺參在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)16℃暫養(yǎng).暫養(yǎng)期間不間斷充氣,光照周期為14 L∶10D.水源為沙濾自然海水,每天換水1/2,海水鹽度為30左右.換水前對海水進(jìn)行預(yù)加熱,防止換水造成水族箱溫度變化過大.每天4:00pm投喂仿刺參配合飼料,組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:粗蛋白(22.9±0.2)%、粗脂肪(2.1±0.1)%、灰分(34.7±0.6)%,含水量(9.0±0.1)%,能值(10.6±0.0)kJ/g.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 溫度變化模式

實(shí)驗(yàn)分夏眠組和對照組,共持續(xù)49d.夏眠組水溫以每周5℃(0.7℃/d)的速度由16℃逐漸升至26℃,水溫達(dá)到26℃后維持5周.對照組16℃恒溫維持7周.

1.2.2 生長實(shí)驗(yàn)

將仿刺參放置在6個玻璃缸中(長×寬×高:450 mm×250mm×350mm),分夏眠組和對照組,每組3個缸,每缸3只.仿刺參初始平均濕體質(zhì)量為(50.72±1.05)g,對照組和夏眠組沒有顯著性差異(p>0.05).在整個實(shí)驗(yàn)過程中,每7天稱仿刺參體質(zhì)量一次,實(shí)驗(yàn)持續(xù)49d.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,稱仿刺參末體質(zhì)量.稱體質(zhì)量時,先對仿刺參進(jìn)行24h饑餓,然后用滅菌紗布拭去體表水后用MP-120型電子天平進(jìn)行濕體質(zhì)量的稱量.

仿刺參特定生長率(SGR)由以下公式計算[22]:

其中,W2和W1分別表示仿刺參的末體質(zhì)量(g)和初始體質(zhì)量(g);D為實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時間(d).

1.2.3 腸體比實(shí)驗(yàn)

將仿刺參放置在10個玻璃缸中(長×寬×高:450mm×250mm×350mm),分夏眠組和對照組,每組5個缸,每缸10只.分別在0,7,14,21,28,35,42和49d每缸隨機(jī)取1只仿刺參,迅速解剖并分離出腸、呼吸樹、體壁,稱量后保存于液氮中,待測.對腸、呼吸樹、體壁進(jìn)行稱量時,先用濾紙吸去表面水分,然后用MP-120型電子天平稱量.

腸體比(viserosomatic index,VI)按照以下公式計算:

其中,Wi為腸質(zhì)量(g);W 為仿刺參體質(zhì)量(g).

1.2.4 R/D比值測定

采用劉存歧等[20]的方法進(jìn)行.

把適量腸、呼吸樹或體壁與緩沖液(0.05mol/L Tris-HCl,pH=7.4)混合,勻漿,取1.4mL勻漿液與0.7mL冷的0.6mol/L HClO4混合.放置冰上冷卻15min后,4℃離心(12 000r/min)10min(GL-20G-II冷凍離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠),棄去上清液.在沉淀中加入1.12mL 0.3mol/L的 KOH 37 ℃水浴1h,然后冰浴30min,4℃離心10min(同上).取上清液,于751G型分光光度計(上海分析儀器廠)上讀取260nm處的吸光值,此為RNA在260nm處的吸光值.將沉淀用2.0mL冷的0.2mol/L的 HClO4洗滌,離心,去掉上清液.在沉淀中加入2.2mL 0.6 mol/L的HClO4,5℃水浴15min后,冰浴15min,離心,沉淀為蛋白質(zhì).取上清液,在260nm處測吸光值,此為DNA在260nm處的吸光值.從而估測RNA和DNA的含量,計算R/D(質(zhì)量比)比值.

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用SPSS 13.0進(jìn)行,同組不同時間點(diǎn)之間仿刺參體質(zhì)量以及R/D比值的差異采用單因子方差分析(one-way ANOVA);同組不同時間點(diǎn)之間腸體比差異采用體質(zhì)量為協(xié)變量的協(xié)方差分析(analysis of covariance);相同時間點(diǎn)不同組之間仿刺參體質(zhì)量、腸體比以及R/D比值的差異采用t檢驗(yàn)進(jìn)行分析,以p<0.05作為差異顯著的標(biāo)準(zhǔn).

2 結(jié) 果

2.1 生 長

如圖1所示,實(shí)驗(yàn)期間對照組仿刺參體質(zhì)量持續(xù)增加,不同時間點(diǎn)仿刺參體質(zhì)量差異顯著(p=0.011).夏眠組仿刺參體質(zhì)量呈下降趨勢,第49天時仿刺參濕體質(zhì)量降至(41.34±0.57)g,且不同時間點(diǎn)差異顯著(p<0.001).從第21天開始對照組和夏眠組仿刺參體質(zhì)量差異顯著(21d:p=0.012;28d:p=0.004;35d:p=0.002;42d:p=0.001;49d:p=0.001).

2.2 腸體比

如圖2,對照組仿刺參的腸體比比較穩(wěn)定,各時間點(diǎn)差異不顯著(p=0.279).夏眠組仿刺參不同時間點(diǎn)腸體比變化差異顯著(p<0.001),可以分成2個階段,在0~28d仿刺參腸體比急劇下降,從(2.73±0.07)%降至(0.34±0.04)%;在28~49d腸體比維持在較低的水平.且體質(zhì)量和取樣點(diǎn)對腸體比的交互作用不顯著(夏眠組:p=0.451;對照組:p=0.553).從第14天開始對照組和夏眠組仿刺參腸體比比值差異顯著(14d:p=0.012;21d:p=0.016;28d:p=0.003;35d:p<0.001;42d:p=0.001;49d:p<0.001).

圖1 2種溫度模式下仿刺參體質(zhì)量變化Fig.1 The body weight of the sea cucumber

圖2 2種溫度模式下仿刺參腸體比的變化Fig.2 The viserosomatic index of sea cucumbers

2.3 R/D比值

2.3.1 體壁、呼吸樹、腸中R/D比值

體壁的R/D比值如圖3(a)所示.實(shí)驗(yàn)過程中,對照組R/D比值始終維持在較低的水平,且各時間點(diǎn)之間差異不顯著(p=0.258).夏眠組R/D比值的變化分2個階段:溫度升高的過程中,R/D比值逐漸升高,溫度恒定后R/D比值開始逐漸下降,至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時恢復(fù)到初始水平,不同時間點(diǎn)之間差異顯著(p=0.001).7,14,21和28d夏眠組R/D比值顯著高于對照組(7d:p=0.024;14d:p=0.024;21d:p=0.003;28d:p=0.036).

呼吸樹中R/D比值如圖3(b)所示.對照組R/D比值始終維持在較低的水平,且各時間點(diǎn)之間差異不顯著(p=0.975).夏眠組R/D比值在升溫過程中逐漸升高,然后在14~28d維持在較高的水平,隨后逐漸下降,至49d恢復(fù)至初始水平,各時間點(diǎn)之間差異顯著(p=0.001).7,14,21和28d夏眠組R/D比值顯著高于對照組(7d:p=0.034;14d:p=0.017;21d:p=0.006;28d:p=0.026).

腸中R/D比值如圖3(c)所示.對照組R/D比值始終維持在較低的水平,且各時間點(diǎn)之間差異不顯著(p=0.334).夏眠組 R/D比值變化總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,各時間點(diǎn)之間差異顯著(p<0.001).7,21和28d夏眠組R/D比值顯著高于對照組(7d:p=0.026;21d:p=0.026;28d:p=0.032).

2.3.2 夏眠組仿刺參腸、呼吸樹和體壁中R/D比值的對比

圖3 2種溫度模式下仿刺參體壁(a)、呼吸樹(b)以及腸(c)R/D比值的變化Fig.3 The R/D ratio in body wall(a),respiratory tree(b)and intestine(c)of sea cucumbers A.japonicus in the two treatments in a 49dtrial

如圖4所示,夏眠組腸、呼吸樹和體壁中R/D比值總體呈現(xiàn)相同的變化趨勢,其中呼吸樹變化幅度最小,體壁變化幅度最大,腸表現(xiàn)出了較高的初始值.各取樣點(diǎn)3個部位R/D比值差異不顯著(0d:p=0.148;7d:p=0.086;14d:p=0.224;21d:p=0.051;28d:p=0.680;35d:p=0.486;42d:p=0.812;49d:p=0.806).

圖4 夏眠組仿刺參腸、體壁及呼吸樹R/D比值的對比Fig.4 The R/D ratio in intestine,body wall and respiratory tree of sea cucumbers A.japonicus in aestivation group in a 49dtrial

3 討 論

夏眠是動物應(yīng)對食物缺乏、環(huán)境高溫等極端生存條件的一種生存策略[23-25].夏眠期間仿刺參處于休眠狀態(tài),腸道退化,攝食停止,體質(zhì)量減輕[4,26-27].高溫期仿刺參攝食情況可以作為判斷其是否進(jìn)入夏眠階段的依據(jù)[28-30].實(shí)驗(yàn)過程中,夏眠組仿刺參體質(zhì)量持續(xù)下降(圖1).期間,觀察發(fā)現(xiàn),隨著溫度緩慢升高仿刺參攝食逐漸減少.當(dāng)溫度升至26℃,并維持1周時仿刺參攝食基本為0,因此可以認(rèn)為仿刺參進(jìn)入了夏眠階段.

實(shí)驗(yàn)期間夏眠組仿刺參的腸體比呈下降的趨勢,按比值下降的程度可分為3個階段:第1階段從0~14d;第2階段從14~21d;第3階段從21~49d.其中第2階段腸體比急劇下降,至第3階段時腸體比維持在較低的水平.腸體比比值的下降表明仿刺參腸的退化,李霞等[31]和蘇琳等[32]根據(jù)消化道外部形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn),將夏眠退化過程分為早、中、晚3個階段,其中中期消化道萎縮現(xiàn)象明顯,組織結(jié)構(gòu)退化嚴(yán)重,此期對應(yīng)本實(shí)驗(yàn)第2階段,到晚期時消化道已經(jīng)萎縮成細(xì)線狀,此時仿刺參進(jìn)入夏眠狀態(tài).因此21d時仿刺參進(jìn)入夏眠狀態(tài).這與根據(jù)攝食情況判斷仿刺參是否進(jìn)入夏眠階段的結(jié)果一致.夏眠期間消化道急劇萎縮,攝食停止,此時沒有外源食物攝入,仿刺參只能消耗自身物質(zhì)來維持基本的代謝活動,導(dǎo)致體質(zhì)量持續(xù)下降(圖1).

本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,從7~28d夏眠組仿刺參腸、體壁及呼吸樹中R/D比值均高于對照組,且21d(夏眠開始)和28d(夏眠狀態(tài)持續(xù)1周)的R/D比值要顯著高于對照組(p<0.05).我們之前的研究表明,當(dāng)水溫由16℃升至26℃的過程中,HSP70的表達(dá)水平隨溫度的升高而上調(diào),進(jìn)入夏眠階段后,初期HSP70表達(dá)維持在較高的水平,隨后隨著夏眠時間的持續(xù)呈現(xiàn)下降的趨勢[4].本實(shí)驗(yàn)中,相同的溫度模式下,HSP70的表達(dá)應(yīng)該具有相同的表達(dá)趨勢,即:從0~14d,熱休克蛋白(HSPs)表達(dá)量逐漸升高,隨后在21~28d維持在較高的水平,然后隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,表達(dá)量逐漸下降至初始水平.HSPs表達(dá)水平與R/D比值呈現(xiàn)出的相同趨勢,說明這種比值的升高與體內(nèi)大量合成用于抵抗高溫脅迫的蛋白質(zhì)有關(guān).HSP70具有幫助變性蛋白重新折疊,防止變性蛋白凝聚沉淀的作用[33-35].在高溫脅迫條件下,機(jī)體會優(yōu)先合成 HSPs,因此HSPs表達(dá)水平和R/D比值有所升高.但是這種過程不能持續(xù)太長時間,這是因?yàn)镠SPs的合成以及發(fā)揮作用需要消耗大量的能量,機(jī)體中存在著熱耐受和代謝輸出之間的一種平衡[35].在夏眠階段為維持生存,必須降低代謝,因此蛋白質(zhì)的合成不能較長時間維持高水平,故在本實(shí)驗(yàn)中后期HSPs和R/D比值逐漸下降.

體壁、呼吸樹以及腸R/D比值不同(圖4),這是因?yàn)椴煌鞴賹囟让{迫的敏感性不同[36].體壁R/D比值變化幅度較大,說明相比呼吸樹和腸,體壁能夠更敏感地反映夏眠狀態(tài)仿刺參R/D比值的變化.夏眠組腸R/D比值在14d較7d下降,且差異顯著(p<0.05),主要是由于升溫過程中,仿刺參腸的退化(圖3(c)).從圖2可以看出14d開始腸體比急劇下降,且與7和21d差異顯著(p<0.05),說明腸在此階段結(jié)構(gòu)退化非常嚴(yán)重,這種組織結(jié)構(gòu)的退化通過R/D比值的降低來體現(xiàn).從14~21d,夏眠組仿刺參仍有少量攝食,到21d時基本為0.攝食活動說明21d時腸仍然具有一定的結(jié)構(gòu)和功能,因此此時R/D比值較實(shí)驗(yàn)后期有較高的水平.

Kobari等[21]通過對比水體表層和中層橈足類R/D比值發(fā)現(xiàn),中層的處于休眠狀態(tài)的橈足類R/D比值顯著低于表層活躍個體,認(rèn)為R/D比值可以作為評價此種動物是否進(jìn)入夏眠的指標(biāo).目前尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)于其他水生動物的相關(guān)報道.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在夏眠初期夏眠組R/D比值顯著高于對照組,表明R/D比值能夠反映夏眠仿刺參的一些特征,但是關(guān)于R/D比值能否作為評價仿刺參進(jìn)入夏眠的指標(biāo)還需要進(jìn)一步的研究.

總體來說,夏眠過程中仿刺參腸道嚴(yán)重退化,R/D比值可以用來反映夏眠階段仿刺參的生長特征,夏眠初期腸、體壁及呼吸樹中R/D比值的升高可能與HSPs的上調(diào)表達(dá)有關(guān).

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