楊倩倩 李迦南 趙星星 蒲佳佳 喬東東 俞曉平

(1. 中國計量大學, 浙江省生物計量及檢驗檢疫技術重點實驗室, 杭州 310018; 2. 中國濕地博物館, 杭州 310013)

福壽螺隸屬于軟體動物門Mollusca腹足綱Gastropoda新進腹足目Caenogastropoda瓶螺科Ampullariidae福壽螺屬Pomacea, 是原產于南美洲亞馬孫流域的一類大型淡水螺[1]。福壽螺最早于20世紀80年代作為食用螺經我國臺灣引入亞洲各地養(yǎng)殖[2],但隨著商業(yè)價值的降低, 被大量棄養(yǎng)或逃逸到田間[3]。由于取食范圍廣、生長速度快、繁殖能力強, 并且具有極強的環(huán)境耐受力, 福壽螺能夠在新生境成功定殖并快速擴散[4], 當前已入侵亞洲、北美、歐洲及大洋洲的許多國家和地區(qū), 嚴重威脅入侵地的農業(yè)生產、生物多樣性及人民身體健康。作為我國首批公布的外來入侵物種之一, 福壽螺在過去40余年已在我國南方稻區(qū)廣泛擴散。

環(huán)境溫度影響生物的生存、生長、發(fā)育和繁殖, 是決定福壽螺地理分布范圍的重要生態(tài)因子。溫度相關的氣候參數是用于預測福壽螺潛在擴散范圍的主要參數之一[5,6]。Lei等[5]基于物種分布模型(SDMs)分析表明最冷月份的最低溫度是限制福壽螺在全球擴散的最關鍵氣候變量, 預計在未來50年福壽螺的全球適生區(qū)將增加3.30%—10.30%,包括在亞洲和北美洲向北部延伸, 在歐洲向東部延伸等。在原產地, 季節(jié)溫度與海拔、土壤有機碳、降水量是決定福壽螺分布范圍的環(huán)境變量[6]; 在亞洲入侵地, 冬季低溫是限制福壽螺持續(xù)向北擴散的關鍵因子[7]。受全球氣候變化影響，福壽螺在全球的擴散趨勢加劇。全球氣候變暖將為福壽螺向我國北方地區(qū)進一步入侵提供有利條件[5]。

當前至少有5種福壽螺從原產地引入到我國,包括小管福壽螺Pomacea canaliculata(Lamarck,1822)、斑點福壽螺Pomacea maculata(Perry, 1810)、隱秘福壽螺Pomacea occulta(Yang & Yu, 2019)、神秘福壽螺Pomacea diffusa(Reeve, 1856)和梯狀福壽螺Pomacea scalaris(d’Orbigny, 1832)[8]。小管福壽螺在我國的入侵范圍最廣, 在已報道的入侵地均有該物種分布[9]; 斑點福壽螺集中分布在四川盆地、浙江及香港[9,10]; 隱秘福壽螺為近年來命名的新種, 已擴散至南方12省/市/區(qū), 并在入侵地與小管福壽螺共同分布[11,12]。神秘福壽螺是水族貿易中的常見寵物螺, 僅在斯里蘭卡發(fā)現該物種的自然種群, 在我國尚無野外分布[9]。梯狀福壽螺僅分布在臺灣南部, 被認為具有較小的生態(tài)危害[2]。當前, 國內外對福壽螺入侵機制的研究主要以小管福壽螺為對象開展, 少量涉及斑點福壽螺[13]。

1 溫度對福壽螺生物學特性的影響

1.1 溫度對福壽螺存活的影響

小管福壽螺的適生溫度為25—30℃, 25℃時存活率最高, 達95.80%; 當溫度為10—35℃時具有活動能力, 低于10℃或高于35℃時, 活動明顯減少[14];當溫度持續(xù)低于10℃或高于35℃時, 小管福壽螺漸入冬眠或夏眠[15,16]。溫度低于0℃或高于40℃時,福壽螺被凍死或灼死[17]; Matsukura等[18]和Deaton等[19]發(fā)現日本和美國地區(qū)的小管福壽螺和斑點福壽螺0℃時存活時間均不超過5d; 潘穎瑛等[20]發(fā)現浙江的小管福壽螺42℃時最長能存活6d; 劉艷斌等[21]發(fā)現廣西的小管福壽螺45℃時可存活1d, 為最高存活溫度記錄。

Gamarra-Luques等[22]對采自阿根廷的小管福壽螺研究表明, 當殼高25 mm時雌雄螺的生殖器解剖學和組織學特征均與成螺相同, 可交配受精。Wada等[3]發(fā)現野外越冬的小管福壽螺以殼高<25 mm的個體為主, 表明幼螺的耐低溫水平高于成螺。隨冬季溫度逐漸降低, 福壽螺可通過低溫適應增強耐寒能力[23]。Matsukura等[18]針對小管福壽螺幼螺進行低溫適應處理, 以每5d降低5℃的方式從25℃降至10℃并維持4周, 發(fā)現0℃下5d時未經低溫適應的螺存活率為0, 而經低溫適應的29只螺0℃下11d時仍有11只存活; 當溫度降低至體內結冰的臨界溫度(約–7℃)時, 體內結冰的螺全部死亡, 而不結冰的存活率為41.70%, 表明福壽螺不耐冰凍。

不同地理種群和生境的福壽螺耐低溫水平具有顯著差異。對廣州、鷹潭、寧波、雅安和黃岡地區(qū)的小管福壽螺低溫處理表明, 我國已形成對低溫耐受性不同的地理種群[24]。Yoshida等[25]比較了阿根廷北部和中部地區(qū)的小管福壽螺和斑點福壽螺對低溫和干旱的耐受性, 發(fā)現兩者經低溫適應后均提升了耐低溫水平; 斑點福壽螺池塘種群比湖泊種群表現出更高的耐低溫和耐干旱水平。

1.2 溫度對福壽螺生長發(fā)育的影響

不利溫度對福壽螺生長發(fā)育的影響, 主要表現在降低攝食量和生長速度上。Seuffert等[14]檢測了水溫對小管福壽螺最南部分布區(qū)(阿根廷南潘帕斯)種群的影響, 發(fā)現13—15℃時50%的個體不活動, 10—30℃時活動及取食時長隨溫度升高而增加,高于30℃時活動率下降。劉艷斌等[21]對廣西種群的小管福壽螺開展5—45℃時的攝食率研究, 發(fā)現幼螺和成螺攝食率分別在30℃和35℃時達最高, 幼螺最大攝食率是成螺的7倍; 低于15℃時攝食量明顯減少, 低于12℃或高于43℃時停止攝食。

溫度過低或過高均會降低福壽螺的生長速度。15—30℃時, 小管福壽螺的生長速率隨著溫度的升高而上升[26]; 低于15℃或高于30℃時, 生長速率顯著降低[15]。潘穎瑛等[20]統(tǒng)計了溫度處理下小管福壽螺幼螺的生長速率, 發(fā)現30—42℃時生長緩慢且隨溫度升高生長速率下降, 低溫15℃時可見緩慢生長, 但6—12℃時生長基本停止。Seuffert等[26]研究了溫度與小管福壽螺幼螺的生長速率和存活率的關系, 發(fā)現25℃和30℃時生長速率較快, 但存活率隨溫度升高而降低; 15℃和20℃時存活率為100%, 但生長速率較慢。

1.3 溫度對福壽螺繁殖的影響

溫度對福壽螺繁殖的影響主要包括交配和產卵行為以及卵孵化率。當溫度低于15℃或高于35℃時, 小管福壽螺的交配活動明顯減少, 雌螺停止產卵[16]。Seuffert等[26]發(fā)現25℃是小管福壽螺卵發(fā)育及孵化的最適溫度, 15—35℃時卵均能夠正常發(fā)育和孵化,當溫度低于15℃或高于35℃時, 卵不能正常孵化。

1.4 福壽螺的過冷卻點

變溫動物在外界溫度降低過程中, 體液溫度降低到冰點以下而不結冰以降低結冰造成的損傷, 這一現象稱為過冷卻現象[27]。過冷卻點是動物的體液開始結冰時的溫度, 是測定變溫動物耐寒性的重要指標之一[18,27]。過冷卻點測定在福壽螺抗寒性機制研究中具有重要作用[18,28]。

不同體型和性別的福壽螺的過冷卻點具有差異。趙本良等[28]采用萬用電表聯(lián)接熱敏電阻法檢測殼高5—45 mm的小管福壽螺的過冷卻點, 表明過冷卻點為–7.32— –6.21℃, 呈隨螺高的增大而升高的趨勢。郭靖等[29]針對中大螺測定表明, 雌雄性福壽螺的過冷卻點分別為–7.50— –6.50℃和–7.00—–5.50℃, 均值分別為–6.83℃和–6.26℃; 雌螺的過冷卻點顯著低于雄螺, 表明雌螺較耐低溫。這與越冬種群中, 雌螺比雄螺存活率高的結論相一致[30]。

2 福壽螺溫度適應的生理生化機制

福壽螺耐低溫能力的增強與體內糖、脂代謝產物的積累和含水量的調節(jié)有關, 并可通過調節(jié)抗氧化酶及相關代謝酶的活性提升耐溫水平。

2.1 小分子化合物

低溫能夠引起福壽螺體內的小分子化合物, 如自由水、結合水、甘油、葡萄糖和糖原等的含量變化[30,31]。Matsukura等[31]發(fā)現在冬季前隨著外界溫度降低, 野外種群小管福壽螺體內的葡萄糖和糖原含量減少, 甘油含量增多; 實驗室種群經低溫適應后, 外套膜和腎臟的葡萄糖含量、腹足和肝胰腺的甘油含量明顯升高, 腹足和腎臟的糖原含量降低,小分子化合物的含量變化可能與糖脂代謝途徑的改變有關, 并在耐低溫中發(fā)揮重要作用。Guo等[30]研究了低溫-干旱處理下雌雄性小管福壽螺體內小分子化合物的含量變化, 結果表明在低溫-干旱適應過程中, 雌螺的結合水和甘油含量高于雄螺, 而自由水含量低于雄螺, 表明雌螺比雄螺更能適應耐低溫-干旱環(huán)境, 使得雌螺比雄螺更容易越冬。

2.2 蛋白酶

抗氧化酶低溫和高溫能夠誘導生物體內產生過量的活性氧自由基(ROS), 破壞機體的分子結構和功能, 導致代謝紊亂[32]。抗氧化酶能夠消除過量的ROS, 達到保護細胞的作用。因此, 抗氧化酶的活性變化能夠反映出機體ROS的代謝及組織氧化損傷情況, 對判斷免疫防御能力及健康狀況具有重要參考價值[33]。

Liu等[34]通過轉錄組數據分析了不同溫度下小管福壽螺抗氧化酶基因的表達模式, 發(fā)現在10℃和37℃時不同組織的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和過氧化物氧化還原酶(PRX)基因的表達水平均升高。陳煉等[33]針對小管福壽螺在15℃和36℃溫度條件下分別處理72h, 發(fā)現高低溫處理過程中鰓與肝胰腺中的SOD、CAT和GSH-Px酶活性及丙二醛含量均先升高后降低, 并在72h時恢復正常水平, 抗氧化物酶活性在鰓中的變化快于在肝胰腺中的變化, 表明溫度引起的氧化應激具有組織特異性。

小管福壽螺在冬眠-覺醒周期中, 肝胰腺中SOD活性沒有顯著變化而CAT活性在冬眠期顯著下降并在覺醒期恢復; 腎臟中的SOD活性在覺醒30min時短暫下降而CAT活性在覺醒30min及24h時均顯著下降; 腹足中SOD和CAT變化均不顯著[35]。此外, 小管福壽螺在夏眠-覺醒周期中各組織中SOD和CAT活性均無明顯變化[36]。這表明福壽螺在冬眠及夏眠過程中可通過維持抗氧化酶的基礎水平抵御氧化應激的影響。

代謝途徑相關酶經低溫適應后, 0℃處理可使小管福壽螺肝胰腺中的甘油激酶和甘油-3-磷酸脫氫酶基因的表達量顯著升高, Na+/K+-ATP酶基因的表達量顯著下降[37]。此外, 基于轉錄組數據分析我國廣東和湖南地區(qū)小管福壽螺的耐低溫差異,表明與能量代謝相關的糖原合成酶基因上調、6-磷酸葡萄糖脫氫酶和二?；视图っ富蛳抡{, 與氨基酸代謝相關的丙酮酸脫氫酶激酶和谷氨酰胺合成酶基因下調, 與細胞膜代謝相關的肌醇-3-磷脂合成酶基因下調等[38]。

3 福壽螺溫度適應的分子機制

3.1 福壽螺HSPs的表達調控

福壽螺溫度適應的分子機制主要集中于熱休克蛋白(Heat shock proteins, HSPs)基因的表達調控研究, 涉及HSP90、HSP70、HSP60和HSP40基因家族成員[39—42]。福壽螺不同HSP基因的表達量表現出明顯的組織特異性。例如, 小管福壽螺在正常條件下HSP90在腹足和腎臟中的表達水平較高,HSP70在肝胰腺中的表達水平顯著高于其他組織,HSP40的表達水平在肝胰腺中最高而在腎臟中最低[41,42]。

Zheng等[39]從小管福壽螺中克隆鑒定了第一個HSP基因HSC70(Heat shock cognate 70), 高溫下該基因在肝胰腺、鰓、腎臟和腹足中的表達量顯著升高, 而低溫下在肝胰腺、腎臟和腹足中的表達量無顯著變化, 表明HSC70可能在高溫下的生理過程中發(fā)揮重要作用。Xu等[41]克隆鑒定了小管福壽螺的HSP90、HSP70和HSP60基因, 其中HSP90和HSP70是響應高溫的關鍵基因, 高溫下HSP90在腹足和鰓中的表達量及HSP70在鰓、腎臟和腹足中的表達量均顯著升高,HSP60在各組織中的表達量變化不顯著; 3個HSP基因在低溫下的表達量變化均不顯著。Song等[40]基于HSP70表達差異揭示了雌雄性小管福壽螺的耐溫差異, 高溫下雌螺和雄螺腹足中HSP70的表達量分別在48h和12h時最高, 且雌螺中的表達量是雄螺的1.60倍, 表明雄螺比雌螺更容易受到高溫的影響, 而在低溫下雌螺和雄螺的表達差異不顯著。Xu等[42]從小管福壽螺中克隆了首個小分子熱休克蛋白基因HSP40, 不同組織中的HSP40在低溫下顯著上調而在高溫下變化不顯著。

3.2 溫度適應的組學研究

近年來, 隨著高通量測序技術及分子生物學技術的快速發(fā)展, 蛋白質組、基因組和轉錄組等在福壽螺入侵機制研究中陸續(xù)開展。

Mu等[43]發(fā)現小管福壽螺比近緣的非入侵種神秘福壽螺具有更強的耐高溫能力, 通過比較蛋白質組分析在急性高溫下(37℃, 3h)從小管福壽螺和神秘福壽螺中分別鑒定出27個和23個差異表達蛋白;在慢性高溫下(35℃, 3 weeks)從兩種螺中分別鑒定出58個和118個差異表達蛋白, 許多與受損分子的修復、泛素化功能失調及儲備能量的利用有關; 在高溫處理下僅神秘福壽螺從糖代謝向脂代謝轉變。此外, Sun等[44]通過小管福壽螺夏眠周期中比較蛋白質組學研究表明, 短期夏眠(3d)中僅有9個差異表達蛋白, 其中2個免疫相關蛋白表達上調; 長期夏眠(45d)相比短期夏眠, 有31個上調蛋白和16個下調蛋白, 其中糖代謝相關的淀粉酶和1, 4-葡聚糖酶、脂質合成相關的磷脂酶下調, 脂代謝相關的低密度脂蛋白受體蛋白、脂質蛋白受體、抗氧化蛋白、鐵蛋白和嘌呤合成蛋白等上調, 表明長期夏眠期間增加了脂質消耗及抗氧化防御需求。

Liu等[34]針對我國深圳種群的小管福壽螺進行了全基因組測序, 并注釋了13個HSP70、6個HSP90、7個HSP40和11個熱休克轉錄因子(Heat shock factors,HSFs), 表明福壽螺HSP基因家族成員及熱休克轉錄因子均是多拷貝的; 通過對肝胰腺、鰓、腎臟、卵巢和睪丸等組織的轉錄組分析表明, 高低溫能夠顯著誘導HSP90和HSFs基因的表達。Sun等[45]測序了原產地阿根廷種群的小管福壽螺、斑點福壽螺、非洲螺Lanistes nyassanus(Dohrn, 1865)和大羊角螺Marisa cornuarietis(Linnaeus, 1758)4種瓶螺的全基因組, 比較基因組學研究發(fā)現4種瓶螺共有28個基因家族發(fā)生明顯擴張, 包括具有化學感應功能的G蛋白偶聯(lián)受體基因家族和纖維素酶基因家族等, 表明瓶螺科物種在進化過程中形成了對環(huán)境的高敏感度及對植物纖維素的強消化力。

4 展望

經過國內外學者20余年的努力, 有關溫度對福壽螺生物學特性的影響及適應機制研究取得一定進展。福壽螺的溫度適應及內在機制研究成果, 對于福壽螺的田間監(jiān)測、風險預警等提供了重要支撐。例如, 利用福壽螺在冬季低溫下不能越冬的特性, 韓國曾在水稻移栽7d后引入福壽螺幼螺用于防控稻田雜草, 但福壽螺的低溫適應性及逐漸向北擴散的現象已引發(fā)韓國環(huán)境部的密切關注[46]。當前,福壽螺高低溫適應的機制研究主要集中在生理生化機制及分子機制兩方面。耐溫的生理生化機制研究主要針對代謝化合物及酶活性變化開展, 其中許多化合物與響應殺螺劑作用所產生的化合物相同[47]; 分子機制研究主要集中在HSP基因表達差異上。隨著高通量測序技術和分子生物學技術的快速發(fā)展, 相關分子機制研究有待深入開展。例如,福壽螺HSP基因表達差異研究主要針對于一個或幾個基因, 這些基因是通過與近緣種的同源比對、設計引物和擴增克隆獲得。然而, 小管福壽螺的全基因組中注釋出多拷貝的HSP基因家族成員, 有待從全基因組對HSP基因家族進行系統(tǒng)鑒定, 并深入分析不同HSP在溫度適應中的作用。Wang等[48]從入侵昆蟲煙粉虱Bemisia tabaci(Gennadius, 1889)基因組中鑒定出3個HSP90、17個HSP70、1個HSP60和5個sHSP基因, 并明確了HSP基因家族中與溫度適應密切相關的關鍵基因, 揭示出同一HSP基因家族的不同成員在溫度適應中的作用不同。

長期以來的分類鑒定難題嚴重制約了對福壽螺生物學、生態(tài)學及入侵危害的準確認識。近年來基于分子與形態(tài)特征結合分析, 從世界入侵性福壽螺中鑒別出小管福壽螺、斑點福壽螺與隱秘福壽螺3個種[8,11,49]。然而, 已有的福壽螺耐溫機制研究主要針對小管福壽螺開展, 早期研究的對象可能由于未準確鑒定而被歸并為小管福壽螺。為準確判斷不同福壽螺物種的擴散范圍, 有必要開展種間耐溫差異比較研究。例如, 小管福壽螺比斑點福壽螺具有較高的耐低溫水平, 在日本低溫北部地區(qū)僅分布有小管福壽螺, 而斑點福壽螺分布于中部及南部且種群比例隨緯度升高而逐漸降低[50]。此外, 福壽螺種間存在復雜的漸滲雜交, 在原產地及入侵地均檢測到漸滲雜交種群, 且入侵地雜交種的比例比原產地高, 這可能是由于入侵過程中雜交更密集發(fā)生[12,50,51]。種間雜交能夠提升基因變異進而提升種群適合度, 促進外來物種的入侵擴散[52]。然而,福壽螺種間雜交產生的進化效應對溫度適應產生怎樣的影響, 仍有待深入研究揭示。

在氣候變化背景下, 外來物種通過生理適應、生態(tài)位空間拓展、改變種間互作關系等途徑減少環(huán)境因素的制約, 從而影響進化及入侵進程并改變入侵種的地理分布格局, 促進生物入侵[53,54]。早期以氣溫與福壽螺世代數量為參數構建模型結合GIS繪圖, 預測2020年小管福壽螺在我國最北將擴散至約31°N。然而, 2019年的田間調查表明福壽螺最北分布區(qū)已達32.43°N的江蘇省泰州市[55]。在全球氣候變化下, 福壽螺在全球進一步擴散, 其快速適應性進化的生理生態(tài)耐受性機制及表型可塑性機制研究仍有待深入開展。在染色體水平基因組測序的基礎上, 結合多組學分析及遺傳操作技術的綜合應用, 福壽螺對溫度的適應機制研究將逐漸深入, 并將為理解福壽螺的擴散規(guī)律及制定科學的防控措施提供理論指導。