朱萬龍, 高文榮

(云南省高校西南山地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)植物生態(tài)適應(yīng)進(jìn)化及保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

熱馴化對大絨鼠的體重和能量代謝的影響

朱萬龍, 高文榮

(云南省高校西南山地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)植物生態(tài)適應(yīng)進(jìn)化及保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

為闡明高溫脅迫對大絨鼠體重和能量代謝的影響，測定了高溫條件下(30℃)大絨鼠的體重、體溫、基礎(chǔ)代謝率、非顫抖性產(chǎn)熱、能量收支和肝臟產(chǎn)熱活性。結(jié)果表明：熱馴化可以使大絨鼠的體重和體溫增加，能量攝入和產(chǎn)熱能力降低，肝臟線粒體呼吸狀態(tài)Ⅲ呼吸顯著下降，而線粒體狀態(tài)Ⅳ呼吸差異不顯著。以上結(jié)果表明大絨鼠在高溫條件下增加體重和體溫，降低能量攝入和產(chǎn)熱能力來適應(yīng)高溫脅迫。

大絨鼠；熱馴化；能量代謝

動(dòng)物的能量代謝水平對其分布、繁殖、生存等具有重要的作用[1-2]。動(dòng)物體重的維持取決于能量獲取和消耗[3]。小型哺乳動(dòng)物的能量代謝水平受許多環(huán)境因子的影響，如溫度和光照，這些生態(tài)因子對動(dòng)物的體重調(diào)節(jié)等有重要作用[3]。很多棲息于溫帶地區(qū)的嚙齒類動(dòng)物的體重和能量攝入等出現(xiàn)季節(jié)性變化。很多小型哺乳動(dòng)物在冬季會(huì)降低體重和體脂含量，而體重的降低是對食物資源短缺或者冷脅迫的一種適應(yīng)方式，即減少絕對能量消耗[4]。也有研究表明低溫使得食物攝入量增加，但是低溫往往和食物數(shù)量和質(zhì)量較差的環(huán)境相對應(yīng)，因此，在野外的小型哺乳動(dòng)物的體重變化往往是可變的[5]。

國外關(guān)于溫度對動(dòng)物體重調(diào)節(jié)的研究較多[6-10]，如長爪沙鼠[11]、根田鼠[12]、布氏田鼠[13]、高原鼠兔[14]、高山姬鼠[15]和中緬樹鼩[16]等。大絨鼠為橫斷山區(qū)的固有種，中國的特有種，大絨鼠棲息的環(huán)境特點(diǎn)為年溫差小，日溫差大，因此每天都要經(jīng)歷高溫和低溫的脅迫。之前本研究組對大絨鼠低溫條件下的適應(yīng)對策進(jìn)行了研究[10]，但是對高溫的適應(yīng)對策沒有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)通過測定熱馴化條件下大絨鼠的能量收支、基礎(chǔ)代謝率、非顫抖性產(chǎn)熱能力、肝臟線粒體呼吸等特征，以理解該物種對橫斷山特殊環(huán)境的生存適應(yīng)機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 動(dòng)物來源

本實(shí)驗(yàn)所用的大絨鼠為實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)繁殖種群，均為成年非繁殖期個(gè)體。共選取62只大絨鼠作為研究對象，在實(shí)驗(yàn)室條件下適應(yīng)2周后開始實(shí)驗(yàn)。隨機(jī)分為2組：熱馴化組(n=56)，馴化條件為30℃，中等光照，馴化49 d，每周測量體重、體溫、基礎(chǔ)代謝率、非顫抖性產(chǎn)熱和能量收支。每周挑選6只動(dòng)物處死，測定褐色脂肪組織重量和肝臟線粒體的活性。對照組(n=6)，馴化條件為25℃，中等光照，馴化49 d，每周測定體重、體溫、基礎(chǔ)代謝率、非顫抖性產(chǎn)熱和能量收支。

1.2 代謝率的測定

每周進(jìn)行基礎(chǔ)代謝率和非顫抖性產(chǎn)熱的測定，在呼吸室內(nèi)靜置30 min左右，進(jìn)入呼吸室后適應(yīng)30 min，采用開放式呼吸儀進(jìn)行代謝率的測定，代謝率的具體方法詳見文獻(xiàn)[17]。

1.3 體重和能量收支的測定

每周測定大絨鼠的體重、體溫和能量收支，定時(shí)定量給動(dòng)物喂食，稱量動(dòng)物體重后小心收集剩余食物、糞便及尿液(每次收集時(shí)間均在11：00—13：00之間進(jìn)行)。收集的食物和糞便，在烘箱中干燥至恒重，手工分離剩余食物和糞便；取部分樣品稱量(重量在1.0 g左右，精確到0.0001 g)，用YX-ZR/Q金鷹全自動(dòng)量熱儀測定熱值，能量收支的具體方法詳見文獻(xiàn)[18]。

1.4 線粒體呼吸活性測定

每周測定大絨鼠的線粒體蛋白和呼吸活性測定，采用Hanstech Oxy-Lab Chloroab 2氧電極測定線粒體蛋白含量、呼吸狀態(tài)Ⅲ和狀態(tài)Ⅳ，用Lowry法測定蛋白質(zhì)含量，線粒體蛋白和呼吸活性的具體方法詳見文獻(xiàn)[18]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果

2.1 體重和體溫

大絨鼠的體重在0～49 d內(nèi)逐漸增加(F=49.97，P<0.01)，28 d后大絨鼠體重差異不顯著，28 d平均體重比對照組增加了(7.89±1.44)g，見圖1。實(shí)驗(yàn)前，大絨鼠的體溫差異不顯著(F=0.12，P>0.05)。28 d前，大絨鼠的體溫隨時(shí)間的延長而增加，28 d后維持平穩(wěn)(F=0.08，P>0.05)，28 d大絨鼠平均體溫比對照組增加了(0.68±0.09)℃，熱馴化組與對照組(0 d)比較差異顯著(F=2.60，P<0.01，圖2)。

圖1 熱馴化條件下大絨鼠的體重變化

圖2 熱馴化對大絨鼠體溫的影響

2.2 能量收支

大絨鼠攝入能差異極顯著(F=14.48，P<0.01)，28 d后各實(shí)驗(yàn)組差異不顯著(F=0.124，P>0.05，圖3)。消化能和可代謝能隨熱馴化時(shí)間的延長而降低，28 d后維持在穩(wěn)定水平(圖3)。大絨鼠消化能差異極顯著(F=15.86，P<0.01)，可代謝能差異極顯著(F=16.09，P<0.01)。尿液能和糞便能隨熱馴化時(shí)間的延長差異不顯著。大絨鼠消化率差異不顯著(F=0.90，P>0.05)，可代謝能效率差異不顯著(F=1.37，P>0.05)。

圖3 熱馴化對大絨鼠的能量收支的影響 (能量單位為kJ，k是小寫)

2.3 BMR和NST

馴化前，大絨鼠的BMR差異不顯著(F=0.19，P>0.05)。隨著馴化時(shí)間的延長，大絨鼠的BMR降低(F=11.20，P<0.01)，冷馴化28 d后減速變緩(F=0.34，P>0.05，圖4)，馴化28 d組RMR比對照組平均減少32.3%。馴化前，大絨鼠的NST差異不顯著(F=0.13，P>0.05)。對照組和熱馴化組NST差異極顯著(F=53.81，P<0.01)，28 d后各實(shí)驗(yàn)組差異不顯著(F=0.12，P>0.05，圖5)。隨著熱馴化時(shí)間的延長，大絨鼠BAT相對重量穩(wěn)步減少，對照組和熱馴化組BAT相對重量差異極顯著(F=8.45，P<0.01，圖6)。

圖4 熱馴化對大絨鼠基礎(chǔ)代謝率的影響

圖5 熱馴化對大絨鼠非顫抖性產(chǎn)熱的影響

圖6 熱馴化對大絨鼠BAT相對重量的影響

2.4 肝臟線粒體活性

大絨鼠肝臟總蛋白含量和肝臟線粒體蛋白含量隨時(shí)間延長逐漸降低(總蛋白含量：F=5.30，P<0.05；肝臟線粒體蛋白含量：F=9.53，P<0.05，圖7)。熱馴化影響大絨鼠肝臟線粒體狀態(tài)Ⅲ呼吸(F=3.12，P<0.05，圖8)，但是大絨鼠肝臟線粒體狀態(tài)Ⅳ呼吸維持穩(wěn)定(F7,48=1.39，P>0.05，圖8)。

圖7 熱馴化對大絨鼠肝臟總蛋白和線粒體蛋白含量的影響

圖8 熱馴化對大絨鼠肝臟線粒體呼吸的影響

3 討論

動(dòng)物體重的季節(jié)性變化是對能量的獲得與能量支出的一種適應(yīng)方式[19]。溫度對動(dòng)物的體重和能量代謝也有影響，動(dòng)物的體重變化與其提高對環(huán)境的適應(yīng)能力有關(guān)[2]。目前關(guān)于小型哺乳動(dòng)物體重季節(jié)變化的研究較多[20]。動(dòng)物在適應(yīng)新環(huán)境的過程中，形成一個(gè)新的生理穩(wěn)態(tài)的時(shí)間非常重要。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，不同物種其生理特征的反應(yīng)期和形成新穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也是不一樣的[21]。本研究結(jié)果表明在熱馴化條件下，大絨鼠的體重增加，28 d后維持穩(wěn)定，表明大絨鼠在通過28 d熱馴化后可以形成一個(gè)新的生理穩(wěn)態(tài)。此外，小型哺乳動(dòng)物的體溫也具有明顯的季節(jié)性變化，如灰倉鼠[22]和沙鼠[23]。大絨鼠在熱馴化下平均體溫增加，在28 d后維持在一個(gè)相對平穩(wěn)的狀態(tài)。這和之前本研究組在不同溫度條件下測定大絨鼠的體溫一致，大絨鼠在35℃條件下會(huì)出現(xiàn)熱死亡的現(xiàn)象[17]，因此30℃的長期脅迫會(huì)導(dǎo)致大絨鼠的體溫調(diào)節(jié)平衡打破，為了維持生存，只有適當(dāng)?shù)膶Ⅲw溫增加。

動(dòng)物能量代謝水平對其生存至關(guān)重要[1-2]。許多動(dòng)物的能量收支也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化[20]。熱馴化條件下，大絨鼠攝入能、消化能和可代謝能隨馴化時(shí)間的延長顯著降低。而大絨鼠的尿液能和糞便能變化差異不顯著，表明大絨鼠在高溫條件下維持尿液能和糞便能不變，主要通過降低攝入能、消化能和可代謝能來維持生命活動(dòng)。此外，動(dòng)物對食物的利用率與消化道的形態(tài)和食物周轉(zhuǎn)時(shí)間等有關(guān)[24]。本研究表明：大絨鼠在高溫條件下消化率、可代謝能效率差異不顯著，說明大絨鼠可能不是主要采取加快消化道內(nèi)食物周轉(zhuǎn)來適應(yīng)高溫脅迫。

基礎(chǔ)代謝率可以反映物間或種內(nèi)個(gè)體的能量消耗水平，對于動(dòng)物而言具有重要的適應(yīng)意義[2]，它受溫度等生態(tài)因子的影響[20,25-29]。在高溫條件下，大絨鼠的BMR顯著下降，表明降低BMR是大絨鼠應(yīng)對熱馴化的策略之一。此外，大絨鼠在高溫條件下NST也顯著降低，這可能與BAT的相對重量的比例下降是分不開的。大絨鼠在高溫條件下肝臟總蛋白和線粒體蛋白含量顯著下降，這與熱馴化條件下BMR的降低是一致的。大絨鼠肝臟狀態(tài)Ⅲ呼吸在高溫條件下顯著降低，狀態(tài)Ⅲ的下降可能與大絨鼠在熱脅迫下對能量的需求下降有關(guān)。在高溫條件下，大絨鼠肝臟線粒體狀態(tài)Ⅳ呼吸差異不顯著，說明在高溫條件下，大絨鼠不需要?jiǎng)佑酶嗟哪芰縼砭S持生存。

綜上，在熱馴化下，大絨鼠適當(dāng)增加體重和體溫、降低能量攝入和產(chǎn)熱能力等，通過這些適應(yīng)性策略來維持其體重和能量代謝平衡。

[1]SPEAKMAN J R, KRL E. Limits to sustained energy intake IX: a review of hypotheses[J]. Journal of Comparative Physiology, 2005, 175(6): 375-394.

[2]SPEAKMAN J R. The physiological cost of reproduction in small mammals[J]. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2008, 363(1490): 375-398.

[3]ZHU W L, ZHANG H, WANG Z K. Seasonal changes in body mass and thermogenesis in tree shrews (Tupaiabelangeri) the roles of photoperiod and cold[J]. Journal of Thermal Biology, 2012, 37(7): 479-484.

[4]BING C, FRANKISH H M, PICKAVANCE L, et al. Hyperphagia in cold exposed rats is accompanied by decreased plasma leptin but unchanged hypothalamic NPY[J]. Am J Physiol, 1998, 274(1 Pt2): R62-68.

[5]ABELENDA M, LEDESMA A, RIAL E, et al. Leptin administration to cold acclimated rats reduce both food intake and brown adpose tissue thermogenesis[J]. Journal of Thermal Biology, 2003, 28(6-7): 525-530.

[6]ZHAO Z J, CHI Q S, CAO J, et al. Seasonal changes of body mass and energy budget in Striped hamsters: the role of leptin[J]. Physiological and Biochemical Zoology, 2014, 87(2): 245-256.

[7]ZHU W L, JIA T, CAI J H, et al. The effect of cold-acclimation on energy strategies ofApodemusdracoin Hengduan Mountain region[J]. Journal of Thermal Biology, 2012, 37(1): 41-46.

[8]MCDEVITT R M, SPEAKMAN J R. Central limits to sustainable metabolic rate have no role in cold acclimation of the short-tailed field vole (Microtusagrestis)[J]. Physiol Zool, 1994, 67(5): 1117-1139.

[9]TANG G B, CUI J G, WANG D H. Role of hypoleptinemia during cold adaptation in Brandt′s voles (Lasiopodomysbrandtii) [J]. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol, 2009, 297(5):R1293-1301.

[10]ZHU W L, JIA T, LIAN X, et al. Effects of cold acclimation on body mass, serum leptin level, energy metabolism and thermognesis inEothenomysmiletusin Hengduan Mountains region[J]. Journal of Thermal Biology, 2010, 35(1):41-46.

[11]ZHANG Z Q, WANG D H. Seasonal changes in thermogenesis and body mass in wild Mongolian gerbils (Merionesunguiculatus)[J]. Comp Biochem Physiol A Mol Intger Physiol, 2007, 148(2): 346-353.

[12]WANG J M, ZHANG Y M, WANG D H. Photoperiodic regulation in energy intake, thermogenesis and body mass in root voles (Microtusoeconomus)[J]. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol, 2006, 145(4): 546-553.

[13]ZHANG X Y, WANG D H. Energy metabolic, thermogenesis and body mass regulation in Brandt′s voles (Lasiopodomysbrandtii) during cold acclimation and rewarming[J]. Horm Behav, 2006, 50(1): 61-69.

[14]齊恒玉, 劉殿輝, 林卓強(qiáng), 等. 冷暴露過程中高原鼠兔的產(chǎn)熱變化[J]. 高師理科學(xué)刊, 1999, 19(1): 47-50.

[15]ZHU W L, WANG B, CAI J H, et al. Thermogenesis, energy intake and serum leptin inApodemuschevrieriin Hengduan Mountains region during cold acclimation[J]. Journal of Thermal Biology, 2011, 36(3): 181-186.

[16]ZHU W L, HUANG C M, ZHANG L, et al. Changes of energy metabolism, thermogenesis and body mass in the tree shrew (TupaiabelangerichinensisTupaiidae,Scandebtia) during cold exposure[J]. Italian Journal of Zoology, 2012, 79(2): 175-181.

[17]ZHU W L, JIA T, LIAN X, et al. Evaporative water loss and energy metabolic in two small mammals, voles (Eothenomysmiletus) and mice (Apodemuschevrieri) in Hengduan mountains region[J]. Journal of Thermal Biology, 2008, 33(6): 324-331.

[18]ZHU W L, CAI J H, LIAN X, et al. Adaptive character of metabolism inEothenomysmiletusin Hengduan Mountains region during cold acclimation[J]. J Therm Biol, 2010, 35(8): 417-421.

[19]CHAPPELL M A, HAMMOND K A. Maximal aerobic performance of deer mice in combined cold and exercise chanllenges[J]. J Comp Physiol B, 2004, 174(1): 41-48.

[20]KLINGENSPOR M, NIGEMANN H, HELDMAIER G. Modulation of leptin sensitivity by short photo period acclimation in the Djungarian hamsterPhodopussungorus[J]. J Comp Physiol, 2000, 170(1): 37-43.

[21]REZENDE E L, CHAPPELL M A, HAMMOND K A. Cold-acclimation inPeromyscus: temporal effects and individual variation in maximum metabolism and ventilatory traits[J]. The Journal of Experimental Biology， 2004, 207(Pt2): 295-305.

[22]HAIM A, MARTINEZ J J. Seasonal acclimatization in the migratory hamsterCricetulusmigratorius: the role of photoperiod[J]. J Therm Biol, 1992, 17(6): 347-351.

[23]FEIST D D, MORRISON P R. Seasonal changes in metabolic capacity and norepinephrine thermogenesis in the Alaskan red-backed vole: environmental cues and annual differences[J]. Comp Biochem Physiol, 1981, 69(4): 697-700.

[24]LYNCH G R. Seasonal changes in thermogenesis, organ weights, and body composition in the white-footed mousePeromyscusleucopus[J]. Oecologia, 1973, 13(4): 363-376.

[25]ZHAO Z J, WANG D H. Short photoperiod enhances thermogenic capacity in Brandt′s voles[J]. Physiol Behav, 2005, 85(2): 143-149.

[26]KR L E, REDMAN P, THOMSON P J, et al. Effect of photoperiod on body mass, food intake and body composition in the field vole,Microtusagrestis[J]. J Exp Biol, 2005, 208(Pt3): 571-584.

[27]LI X S, WANG D H. Photoperiod and temperature can regulate body mass, serum leptin concentration, and uncouling protein 1 in Brandt′s voles (Lasiopodomysbrandtii) and Mongolian gerbils (Merionesunguiculatus)[J]. Physiol Biochem Zool, 2007, 80(3): 326-334.

[28]ZHAO Z J. Serum leptin, energy budget and thermogenesis in striped hamsters exposed to consecutive decrease in ambient temperatures[J]. Physiol Biochem Zool, 2011, 84(6): 560-572.

[29]HAMMOND K A, KRISTAN D M. Responses to lactation and cold exposure by deer mice (Peromyscusmaniculatus)[J]. Physiol Biochem Zool, 2000, 73(5): 547-556.

Effect of warm acclimation on body mass and energy metabolism inEothenomysmiletus

ZHU Wan-long, GAO Wen-rong

(Key Laboratory of Ecological Adaptive Evolution and Conservation on Animals-Plants in Southwest Mountain Ecosystem of Yunnan Province Higher Institutes College； School of Life Sciences， Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

In order to investigate the effect of warm acclimation on body mass and energy metabolism, parameters like body mass, body temperature, basal metabolic rate(BMR), non-shivering thermogenesis(NST), energy budgets and thermogenic activity of liver inE.miletuswere measured. The results showed that warm acclimation increased body mass and body temperature, decreased energy intake and thermogenic activity, as well as decreased state Ⅲ of mitochondrial respiration of liver, but it did not affect state Ⅳ of mitochondrial respiration of liver. All of the results indicated thatE.miletusunder warm acclimation increased body mass and body temperature, reduced energy intake and heat production capacity as to adapt to high temperature stress.

E.miletus; warm acclimation; energy metabolism

2016-03-17；

2016-04-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 31560126；31260097)；云南師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目

朱萬龍，副教授，研究方向?yàn)閯?dòng)物生理生態(tài)，E-mail: zwl_8307@163.com；朱萬龍，高文榮并列第一作者

Q955；Q493.8

A

2095-1736(2017)04-0025-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.04.025