李俊偉,胡瑞萍,陳素文,郭永堅(jiān),朱長(zhǎng)波,李 婷,頡曉勇,蘇家齊
(1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510300; 2. 廣州市海威水產(chǎn)科技有限公司,廣東 廣州 510300)
鹽度是影響水生動(dòng)物繁殖、發(fā)育和生長(zhǎng)的重要環(huán)境因素之一[1-2]。受全球變暖、降雨增加以及潮汐變化等因素影響,海水鹽度出現(xiàn)下降趨勢(shì),尤其是雨季形成的地表徑流會(huì)造成潮間帶區(qū)域的海水鹽度急劇下降,進(jìn)而影響海水中喜鹽生物的生長(zhǎng)與繁殖。
星蟲類動(dòng)物是典型的喜高鹽生物,鹽度是影響其分布的主要環(huán)境因子。星蟲類動(dòng)物在繁殖和發(fā)育期對(duì)低鹽的耐受性極差,其繁殖的正常鹽度介于25~44,因此其在封閉的低鹽環(huán)境中無(wú)法正常繁殖和發(fā)育[3-5]。光裸方格星蟲 (Sipunculus nudus) 又稱方格星蟲,為暖水性、世界廣布種,在北部灣沿海灘涂和國(guó)內(nèi)淺海區(qū)域均有分布。由于降雨和地表徑流等因素,潮間帶區(qū)域的方格星蟲易受到鹽度驟變的影響,而滲透調(diào)節(jié)是水生動(dòng)物應(yīng)對(duì)鹽度變化的生存基礎(chǔ),因此關(guān)于鹽度變化對(duì)滲透調(diào)節(jié)器官影響的研究受到廣泛關(guān)注[1]。方格星蟲屬于較低等的無(wú)脊椎動(dòng)物,受滲透壓影響的組織器官主要為體腔液和體壁組織。國(guó)內(nèi)學(xué)者曾研究方格星蟲幼蟲對(duì)鹽度的耐受性[6-7],對(duì)鹽度驟降情況下方格星蟲成體的生物學(xué)結(jié)構(gòu)、免疫能力變化、耐受程度等方面缺乏系統(tǒng)研究。
本研究采用多個(gè)鹽度處理組開展方格星蟲養(yǎng)殖試驗(yàn),針對(duì)其成活率、滲透壓、生物組織結(jié)構(gòu)及免疫酶活性等指標(biāo)研究方格星蟲在鹽度驟降情況下的綜合反應(yīng),以豐富方格星蟲的鹽度變化適應(yīng)機(jī)制,為其增養(yǎng)殖生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)用方格星蟲采自近海灘涂區(qū)域,灘涂底質(zhì)為細(xì)沙質(zhì)。將方格星蟲暫養(yǎng)于循環(huán)流水槽中,水槽內(nèi)鋪設(shè)細(xì)沙,方格星蟲體質(zhì)量為 (4.24±0.95) g,養(yǎng)殖密度為80條·m?2。暫養(yǎng)期間水體鹽度29.8~30.9,水溫 29~31 ℃,水體溶解氧質(zhì)量濃度高于 6.0 mg·L?1,養(yǎng)殖10 d后開展鹽度脅迫試驗(yàn)。
設(shè)置6個(gè)鹽度處理組 (5、10、15、20、25、30),分別記為 S5、S10、S15、S20、S25、S30,每個(gè)處理組設(shè)4個(gè)重復(fù)。采用天然海水和蒸餾水按照不同比例配制各試驗(yàn)組的鹽度。試驗(yàn)用養(yǎng)殖箱為 31 cm×20 cm×17 cm,鋪設(shè)相同厚度的細(xì)沙(14.5 cm),粒徑為 0.1~0.2 mm,養(yǎng)殖箱內(nèi)加入3 L不同鹽度的水,然后將暫養(yǎng)池中的方格星蟲直接轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的養(yǎng)殖箱中進(jìn)行急性鹽度脅迫試驗(yàn),養(yǎng)殖密度為6條·箱?1。試驗(yàn)期間不投喂,連續(xù)微孔充氧96 h。在試驗(yàn)初始時(shí)每個(gè)處理組取4條方格星蟲作為初始樣品,隨后在試驗(yàn)開始后第24、第48和第96 小時(shí)從養(yǎng)殖箱各取1條進(jìn)行肌肉和體腔液取樣,用于測(cè)定免疫酶活性。
采集方格星蟲后用吸水紙擦拭并稱質(zhì)量,使用一次性無(wú)菌注射器抽取體腔液,并記錄體腔液體積,樣品采集在冰袋上低溫操作,體腔液于4 ℃靜置 12 h 后,以 3 000 r·min?1進(jìn)行離心,分裝上清液。分裝好的體腔液上清和肌肉組織均于?80 ℃保存,用于測(cè)定免疫酶活性。
采用南京建成生物工程研究所的試劑盒測(cè)定體腔液和體壁肌肉中的蛋白質(zhì)含量、過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化歧化酶 (SOD) 活性。采用組織滲透壓計(jì) (Vapor pressure osmometer) 測(cè)定體腔液的滲透壓。
方格星蟲的體壁組織經(jīng)過(guò)乙醇脫水、二甲苯透明、石蠟包埋、石蠟切片、蘇木素-伊紅染色和中性樹脂封片,采用光學(xué)顯微鏡 (ZEISS Axio Scope A1型) 進(jìn)行觀察和記錄圖像,觀察鹽度驟變后方格星蟲的體壁組織結(jié)構(gòu)變化。
采用 SPSS 17.0 和 Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。不同處理組間的數(shù)據(jù)差異采用One-way ANOVA進(jìn)行分析,顯著性為P<0.05。
不同處理組方格星蟲的成活率見(jiàn)圖1。除S20、S25、S30外,其他各組均出現(xiàn)方格星蟲死亡現(xiàn)象。S5、S10、S15這3組的最終成活率均為0,與其他各組差異顯著 (P<0.05)。3個(gè)低鹽度組(S5、S10、S15) 的成活率分別在 24、72和 96 h 內(nèi)達(dá)到0。觀察發(fā)現(xiàn),較高鹽度組 (S20、S25、S30)方格星蟲鉆沙迅速,且在30 min內(nèi)全部鉆入沙層中,而低鹽度組 (S5、S10) 鉆沙緩慢,分別僅有45.83%、62.50%的方格星蟲完整鉆入沙中。
圖1 不同鹽度處理組在鹽度驟變后方格星蟲的累計(jì)成活率Figure 1 Cumulative survival rate of S. nudus of different salnity groups after salinity fluctuation
方格星蟲體質(zhì)量和體腔液質(zhì)量變化見(jiàn)圖2和圖3。S10、S15、S20處理組方格星蟲的體質(zhì)量和體腔液體積均在第24小時(shí)顯著增加 (P<0.05),體質(zhì)量增加幅度較大的S10、S15組方格星蟲先后死亡,增加幅度較小的S20組全部存活;S25和S30組方格星蟲體質(zhì)量和體腔液質(zhì)量均未表現(xiàn)出明顯變化。體質(zhì)量和體腔液體積的線性回歸分析表明,鹽度驟降后,方格星蟲的體腔液體積變化和體質(zhì)量變化具有較強(qiáng)的相關(guān)性 (R2>0.96)。
圖2 各鹽度處理組在不同實(shí)驗(yàn)階段方格星蟲的體質(zhì)量和體腔液體積變化方柱上不同字母表示處理組間差異顯著 (P<0.05);后圖同此Figure 2 Variation of body mass and coelomic fluid of S. nudus of different salnity groups at different experimental stagesDifferent lowercase letters indicate significant difference (P<0.05). The same case in the following figures.
圖3 方格星蟲體質(zhì)量與體腔液體積的相關(guān)性Figure 3 Linear-regression analysis between body mass and coelomic fluid volume
方格星蟲體腔液滲透壓和體壁肌肉蛋白質(zhì)含量變化見(jiàn)圖4。隨著鹽度驟降幅度的增加,方格星蟲體腔液滲透壓表現(xiàn)出明顯降低的趨勢(shì)。S5、S10、S15、S20和S25組在第24小時(shí)分別下降至272、359、471、666和 753 mOsm·L?1,S20和 S25組在第48小時(shí)體腔液滲透壓有所回升,但是仍低于初始值,S30組體腔液滲透壓一直保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。S10、S15和S20組在第24小時(shí)體壁肌肉蛋白質(zhì)含量均表現(xiàn)出下降趨勢(shì),但未達(dá)到顯著差異 (P>0.05)。在第48小時(shí),S10、S15、S20和S25組體壁肌肉蛋白質(zhì)含量顯著低于S30組 (P<0.05)。在第72小時(shí),S15、S20和S25組體壁蛋白質(zhì)含量均升高,與S30組無(wú)顯著差異 (P>0.05)。
圖4 各鹽度處理組在不同采樣時(shí)間方格星蟲體腔液滲透壓和體壁肌肉蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Figure 4 Variation of osmotic pressure of coelomic fluid and protein mass fraction of S. nudus of different salnity groups at different sampling time
與S30組相比,S5、S10、S15組方格星蟲體壁縱肌和環(huán)肌結(jié)締組織均明顯變細(xì)、疏松、染色變淺,體腔膜表層的柱狀上皮細(xì)胞染色均變淺,體腔膜與縱肌束基部脫離,空隙明顯變大 (圖5)。S5、S10、S15組觸手表層的柱狀顆粒細(xì)胞核變圓,其分布更加分散,觸手內(nèi)部的血竇體積增加 (圖6)。
圖5 不同鹽度處理組中方格星蟲的體壁結(jié)構(gòu)組織觀察a. 體壁橫切 (10×);b. S30組體壁 (100×);c. S15組體壁 (100×);d. S5組體壁 (100×);LM. 縱肌束;C. 體腔膜;CM. 橫??;CC. 角質(zhì)層;Bgc. 柱狀上皮細(xì)胞Figure 5 Light microscopic observation of body tissue of S. nudus in different salnity treatmentsTransverse section of body wall (10×); b. Body wall (100×) in S30; c. Body wall (100×) in S15; d. Body wall (100×) in S5;LM. Longitudinal muscle; C. Coelarium; CM. Circular muscle; CC. Cuticular; Bgc. Columnar cell
圖6 不同鹽度處理組中方格星蟲觸手的觀察a. 觸手 (10×);b. S30組觸手 (100×);c. S15組觸手 (100×);d. S5組觸手 (100×);M. 肌肉;BS. 血竇;Cgc. 多層柱狀細(xì)胞;T. 觸手;Mf. 肌纖維Figure 6 Observation of tentacle of S. nudus in different salnity treatmentsa. Transverse section of tentacle (10×); b. Tentacle (100×) in S30; c. Tentacle (100×) in S15; d. Tentacle (100×) in S5;M. Muscle; Bs. Blood sinus; Cgc. Columnar cell; T. tentacle; Mf. muscle fiber
方格星蟲體壁肌肉SOD活性變化較小,S10、S15、S25組在第24小時(shí)有升高趨勢(shì),略高于S30組 (P>0.05),S20組顯著低于 S10組 (P<0.05)。S10、S15組SOD活性在第48小時(shí)均降低,且以上2組方格星蟲分別在72和96 h內(nèi)死亡。從第48到第96小時(shí),S20、S25組與S30組的SOD活性相近 (圖7-a)。方格星蟲體腔液SOD活性變化較大,S10組在第24小時(shí)顯著低于其他處理組 (P<0.05),而S15、S20組在第48小時(shí)也顯著低于S25和S30組 (P<0.05),S10組方格星蟲在第72小時(shí)死亡,S15組方格星蟲體腔液SOD活性在第72小時(shí)有所增加,隨后在第96小時(shí)死亡。S25組體腔液SOD活性在第72小時(shí)增加,隨后恢復(fù)到正常水平 (圖 7-b)。
圖7 不同鹽度處理組方格星蟲體壁肌肉 (a) 和體腔液 (b) 超氧化物歧化酶活性變化Figure 7 SOD activity in body wall tissue (a) and coelomic fluid (b) of S. nudus of different salnity groups
方格星蟲體壁肌肉CAT活性變化范圍較大,S10、S20組在第24小時(shí)顯著低于其他處理組(P<0.05),S10、S15、S20組在第48小時(shí)顯著高于S30組 (P<0.05)。在第96小時(shí),S20、S25組仍高于 S30組 (圖 8-a)。S10、S15、S20組體腔液中CAT活性均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),其中S15組CAT活性在第24小時(shí)顯著增加 (P<0.05),而S10、S20組CAT活性在第48小時(shí)增加,S25組CAT活性相對(duì)穩(wěn)定 (圖8-b)。
圖8 不同鹽度處理組方格星蟲體壁肌肉 (a) 和體腔液 (b) 過(guò)氧化氫酶活性變化Figure 8 CAT activity in body wall tissue (a) and coelomic fluid (b) of S. nudus of different salnity groups
方格星蟲體腔液滲透壓受外界環(huán)境鹽度變化影響較大。以往研究發(fā)現(xiàn),仿刺參(Apostichopus japonicus) 是等滲動(dòng)物,其體腔液的滲透壓與外界水環(huán)境滲透壓接近,屬于變壓性生物[8]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著鹽度驟降幅度的增加,S20、S15、S10處理組方格星蟲體腔液體積也顯著增大,并且滲透壓接近養(yǎng)殖水體,表明方格星蟲的體腔液滲透壓隨外界環(huán)境滲透壓變化而改變,可知方格星蟲也屬于等滲變壓動(dòng)物。
外界環(huán)境滲透壓發(fā)生變化時(shí),動(dòng)物機(jī)體均會(huì)作出滲透調(diào)節(jié)。高滲或低滲脅迫首先影響體腔液中的含水量和離子含量,進(jìn)而對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生脅迫損傷,如改變細(xì)胞形狀、細(xì)胞骨架甚至造成DNA損傷[9-10]。滲透調(diào)節(jié)是機(jī)體細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)水的跨膜流動(dòng)從而維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的能力。鹽度驟降時(shí),外界水進(jìn)入到體腔內(nèi)造成各種離子及其他物質(zhì)濃度下降。鹽度驟降幅度過(guò)大時(shí),細(xì)胞膜受損,鉀、鈣等離子游離到細(xì)胞外,進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)的各種代謝活動(dòng)[11]。研究表明,仿刺參具有一定的滲透調(diào)節(jié)能力,可以適應(yīng)一定的鹽度變化[12],當(dāng)鹽度驟降幅度較大時(shí),其體腔液滲透壓降低明顯[13],生物學(xué)結(jié)構(gòu)和生理代謝均受影響,繼而體細(xì)胞離子交換和蛋白質(zhì)合成過(guò)程被破壞[14],最終導(dǎo)致仿刺參排臟甚至死亡。本試驗(yàn)中,S20、S25處理組滲透壓均表現(xiàn)出先降低后穩(wěn)定的趨勢(shì),且并未出現(xiàn)死亡,表明方格星蟲的機(jī)體調(diào)節(jié)和細(xì)胞自身調(diào)節(jié)能夠抵抗鹽度驟降10的變化。S5、S10、S15處理組方格星蟲的滲透壓均降低,并且死亡率先后達(dá)到100%,表明方格星蟲的機(jī)體和細(xì)胞調(diào)節(jié)不能夠抵抗鹽度驟降15~25的變化,可知方格星蟲具有一定程度的滲透調(diào)節(jié)能力。方格星蟲的滲透調(diào)節(jié)能力與仿刺參存在不同之處,仿刺參體腔液中僅有免疫相關(guān)細(xì)胞,無(wú)血細(xì)胞[8,15],在低鹽脅迫時(shí)仿刺參排出內(nèi)臟和體腔液,降低對(duì)內(nèi)臟組織的脅迫,而方格星蟲缺乏排臟反應(yīng),并且其體腔液中包含血細(xì)胞、白細(xì)胞及多種免疫相關(guān)細(xì)胞和生殖細(xì)胞[16],表明低鹽脅迫對(duì)方格星蟲的呼吸及免疫代謝等方面具有更為嚴(yán)重的危害。
本研究發(fā)現(xiàn)低鹽脅迫會(huì)影響方格星蟲的肌纖維結(jié)構(gòu)和細(xì)胞形態(tài)。方格星蟲和海參類動(dòng)物均缺乏完善的體表防御屏障,外界低鹽環(huán)境容易造成大量水分進(jìn)入到體腔內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn),低鹽脅迫會(huì)造成仿刺參體壁組織中膠原纖維間的空隙增加[17],會(huì)引起三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus) 的鰓絲上皮層變薄甚至破壞、鰓腔增大、血細(xì)胞增多[18],也會(huì)導(dǎo)致三疣梭子蟹和凡納濱對(duì)蝦 (Litopenaeus vannamei)肝胰腺的分泌細(xì)胞增多,柱狀上皮細(xì)胞空泡化明顯[18-19]。本研究發(fā)現(xiàn),正常鹽度中 (S30) 的方格星蟲體壁縱肌纖維致密,體腔膜與縱肌緊密相連,柱狀上皮細(xì)胞體積較小、染色較深,而低鹽處理組(S5、S10、S15) 方格星蟲體質(zhì)量明顯增加,體壁縱肌纖維腫脹、增生,縱肌束基部連接松散,組織切片染色較淺,縱肌和環(huán)肌纖維均變細(xì)、纖維空隙增大。體腔膜表層的柱狀上皮細(xì)胞體積增大,細(xì)胞核HE染色變淺,表明低鹽環(huán)境對(duì)方格星蟲體壁組織結(jié)構(gòu)造成破壞,影響了細(xì)胞核、肌纖維等相關(guān)組織的正常功能。
低鹽處理 (S5、S10、S15) 也造成方格星蟲觸手表層的柱狀顆粒細(xì)胞數(shù)量增加,觸手分支變大、增生,觸手肌纖維變細(xì)、血竇空隙增加。方格星蟲攝食和鉆沙過(guò)程中均需要伸展吻部觸手,利用其固著和黏附能力進(jìn)行攝食和運(yùn)動(dòng)[4],根據(jù)方格星蟲攝食細(xì)微顆粒物質(zhì)的習(xí)性分析,其觸手表層柱狀細(xì)胞的作用之一可能是分泌某種起到黏附作用物質(zhì)。低鹽環(huán)境對(duì)柱狀細(xì)胞的影響導(dǎo)致方格星蟲觸手黏附能力減弱,并且觸手纖維變細(xì)也造成運(yùn)動(dòng)受限,從而限制了方格星蟲迅速鉆沙的能力。低鹽度組 (S15、S20) 方格星蟲體壁肌肉蛋白質(zhì)含量在第24和第48小時(shí)降低明顯,而在后期采集的方格星蟲體壁蛋白質(zhì)含量有升高的趨勢(shì),可能與采集的星蟲樣本鉆沙較深、活力較強(qiáng)、體腔液增加較少有一定關(guān)系。
方格星蟲體內(nèi)的免疫酶活性受到低鹽脅迫的顯著影響。方格星蟲屬于無(wú)脊椎動(dòng)物,缺乏特異性免疫組織和器官。在非特異性免疫生物中,體腔細(xì)胞既是細(xì)胞免疫的承擔(dān)者,又是體液免疫因子的提供者。SOD和CAT可以清除活性氧自由基,SOD首先將·O2?歧化為H2O2和H2O,隨后CAT將H2O2催化為水和氧氣,使得H2O2不會(huì)進(jìn)一步生成氫氧根離子。一般情況下,SOD和CAT活性升高預(yù)示著機(jī)體內(nèi)需要清除的自由基含量增加[20]。有研究表明,低鹽脅迫會(huì)造成海馬 (Hippocampus kuda)、黃姑魚 (Nibea albiflora)、毛蚶 (Scapharca subcrenata)等體內(nèi)SOD活性升高[21-23],也會(huì)引起克氏雙鋸魚 (Amphiprion clarkii) 體內(nèi) Na+-K+-ATP酶活性升高[24],而鹽度脅迫會(huì)造成無(wú)脊椎動(dòng)物如凡納濱對(duì)蝦、仿刺參體內(nèi)SOD活性降低[25-27],主要原因可能是鹽度驟降導(dǎo)致仿刺參機(jī)體大量吸水,滲透壓變化改變了免疫細(xì)胞的相關(guān)活性,進(jìn)而降低了酶的催化效率和酶蛋白的合成[27-28]。本研究發(fā)現(xiàn)低鹽度組體腔液中的SOD活性表現(xiàn)出先降低后升高 (S15、S20) 或先降低然后失活 (S10) 的現(xiàn)象,表明方格星蟲不能耐受鹽度驟降10及以上的低鹽環(huán)境,會(huì)由于體內(nèi)免疫系統(tǒng)紊亂而導(dǎo)致免疫酶活喪失。本研究發(fā)現(xiàn)方格星蟲體壁肌肉中的SOD活性比體腔液中的變化小,表明體腔液中的SOD更易受到低鹽環(huán)境影響。
本研究發(fā)現(xiàn)S10、S15、S20組體壁肌肉中的CAT活性先降低后升高,隨后又降低,而體腔液CAT活性表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),主要原因可能是鹽度驟降幅度大,低鹽水快速進(jìn)入體腔內(nèi),體腔液中的CAT活性迅速增加以清除自由基,但是由于大量低鹽水進(jìn)入體腔內(nèi),最終導(dǎo)致CAT失活。其他研究發(fā)現(xiàn),低鹽脅迫會(huì)造成黃姑魚肝臟CAT活性先降低后升高而后再降低[22],與本研究中的體壁肌肉CAT變化趨勢(shì)相同;低鹽環(huán)境也會(huì)造成脊尾白蝦 (Exopalaemon carinicauda)、青蛤(Cyclina sinensis) 產(chǎn)生 1 000~3 000個(gè)差異表達(dá)基因[29-30];低鹽脅迫也會(huì)造成斑節(jié)對(duì)蝦 (Penaeus monodon) 能量代謝相關(guān)基因表達(dá)量升高,分析其原因可能是斑節(jié)對(duì)蝦需要加速能量分解和轉(zhuǎn)運(yùn)以適應(yīng)滲透壓的變化[31]。方格星蟲棲息于沉積物內(nèi)部,其對(duì)鹽度變化的耐受機(jī)制可能與其他無(wú)脊椎動(dòng)物有相似之處,其在低鹽脅迫下的基因水平變化仍需進(jìn)一步研究。
方格星蟲屬于等滲變壓動(dòng)物,可以耐受鹽度驟降10的水體環(huán)境,鹽度驟降超過(guò)15將會(huì)影響其體壁組織結(jié)構(gòu),并引起體壁和體腔液中免疫酶的活性變化。因此,在方格星蟲增養(yǎng)殖生產(chǎn)中,為減少環(huán)境應(yīng)激,提高成活率,應(yīng)盡量避免鹽度驟降超過(guò)10的灘涂區(qū)域。