張宇婷, 楊 建, 耿龍武, 王 雨,姜海峰,李晨宇,徐 偉??
(1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所, 黑龍江 哈爾濱 150070;2. 黑龍江省冷水性魚(yú)類(lèi)種質(zhì)資源及增養(yǎng)殖重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150070;3. 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 上海 201306)
我國(guó)有大量的鹽堿水資源,尤其是東北地區(qū)水體堿度高、硬度大[1]。研究發(fā)現(xiàn),高鹽堿脅迫會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)[2],而魚(yú)類(lèi)在應(yīng)激狀態(tài)下,其機(jī)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的有害的氧自由基或者磷酸化的產(chǎn)物,從而對(duì)魚(yú)體產(chǎn)生危害[3-5]。為了協(xié)調(diào)機(jī)體應(yīng)對(duì)環(huán)境中的鹽堿脅迫,魚(yú)體重新進(jìn)行能量分配和生理調(diào)節(jié),不可避免的削弱魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)、繁殖和免疫等機(jī)能,嚴(yán)重甚至造成魚(yú)類(lèi)的死亡[6-7]。研究表明,不同魚(yú)類(lèi)在鹽堿脅迫下的免疫應(yīng)激反應(yīng)和調(diào)控機(jī)制不盡相同[8-9]。因此,掌握不同養(yǎng)殖對(duì)象在鹽堿脅迫下生理生化變化和應(yīng)激反應(yīng)機(jī)制,可為鹽堿水體中的養(yǎng)殖與生產(chǎn)提供一定的理論基礎(chǔ)。
大鱗鲃(Luciobarbuscapito)原產(chǎn)于烏茲別克斯坦,具有耐鹽堿、抗逆性強(qiáng)以及生長(zhǎng)速度快等特點(diǎn)[10-12]。目前,有關(guān)大鱗鲃的堿度適應(yīng)性研究主要集中在生存[12]、生長(zhǎng)發(fā)育[11]、滲透調(diào)控[2]等方面,而在氧化應(yīng)激響應(yīng)方面,本實(shí)驗(yàn)室前期僅針對(duì)NaHCO3堿度脅迫下大鱗鲃肝、腎和鰓組織中超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶等的活性變化進(jìn)行了初步分析[8],為了更全面地揭示堿度脅迫對(duì)大鱗鲃機(jī)體氧化應(yīng)激水平的影響,本研究檢測(cè)分析了不同堿度脅迫下,大鱗鲃肝、腎和鰓組織中酸性磷酸酶(Acid phosphatase,ACP)、堿性磷酸酶(Alkaline phosphatase,AKP)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-Px)和丙二醛(Malondialdehyde,MDA)等氧化應(yīng)激參數(shù)、血清皮質(zhì)醇和促腎上腺皮質(zhì)激素水平以及組織結(jié)構(gòu)的變化,以期闡明堿度脅迫對(duì)大鱗鲃抗氧化能力和機(jī)體應(yīng)激水平的影響。
實(shí)驗(yàn)魚(yú)取自中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所呼蘭試驗(yàn)站。隨機(jī)挑選300尾體長(zhǎng)(28.7±1.0) cm,體質(zhì)量(246.00±7.56) g的健康、體型正常1齡幼魚(yú)于室內(nèi)暫養(yǎng)3 d。其中,實(shí)驗(yàn)魚(yú)的雌雄比例為1∶1。暫養(yǎng)用水為曝氣2 d的自來(lái)水,水溫23 ℃。
根據(jù)楊建等[8]的報(bào)道和預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)置4個(gè)NaHCO3堿度實(shí)驗(yàn)組(10.0、20.0、30.0和40.0 mmol/L)和淡水對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組(0.5 mmol/L),pH分別為8.28、8.43、8.55、8.63和8.05。每組設(shè)置3個(gè)平行,每個(gè)平行組隨機(jī)放魚(yú)30尾,各實(shí)驗(yàn)組3個(gè)平行共用一個(gè)循環(huán)缸。實(shí)驗(yàn)溶液采用曝氣2 d的自來(lái)水和NaHCO3(國(guó)產(chǎn),分析純)在體積202 L的玻璃缸中進(jìn)行配制[13],并用酸堿滴定法檢測(cè)校準(zhǔn),穩(wěn)定2 d后放魚(yú),開(kāi)始為期7 d的脅迫實(shí)驗(yàn),期間每天換1/3溶液。為減小魚(yú)體在打撈過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng),實(shí)驗(yàn)期間每天投喂1次,水溫為(22.0±1.5) ℃。
實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后分別于3 h、6 h、12 h、24 h、48 h、96 h和7 d共 7個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行樣品采集。用40 mg/L的MS-222麻醉,各組在各時(shí)間點(diǎn)分別從3個(gè)平行組隨機(jī)采集1尾實(shí)驗(yàn)魚(yú),共采集3尾。尾部靜脈采集血液樣本,4 ℃條件下3 000 r/min離心10 min,取上清于-80 ℃保存待測(cè);冰上解剖采集實(shí)驗(yàn)魚(yú)肝、腎和鰓組織,并用4 ℃預(yù)冷的生理鹽水潤(rùn)洗,用吸水紙吸干后迅速放入凍存管,液氮保存待測(cè)[13]。此外,取部分肝、腎和鰓組織用Bouin’s液固定,用于組織切片的制備與觀察。
取0.2 g肝、腎和鰓組織樣本,按照質(zhì)量與體積比1∶9加入預(yù)冷的0.86%生理鹽水,用組織研磨儀(MM400,Retsch)10 000~15 000 r/min研磨成10%組織勻漿。將制備好的10%勻漿4 ℃條件下2 500 r/min離心10 min(sigma,德國(guó),離心半徑為13.5 cm),取上清,用于測(cè)定ACP、AKP、GSH-Px和MDA,測(cè)試試劑盒購(gòu)自南京建成生物工程研究所。
采用酶聯(lián)免疫法ELISA和Synergy HTX多功能檢測(cè)儀(Bio Tek)測(cè)定大鱗鲃血清皮質(zhì)醇和促腎上腺皮質(zhì)激素,試劑盒購(gòu)自上海酶聯(lián)生物有限公司(Cat.# m1003467-C)。
石蠟切片采用蘇木精-伊紅染色法(HE染色法)。將固定好的組織在乙醇中梯度脫水,經(jīng)二甲苯透明后,將組織用石蠟包埋、在切片機(jī)上進(jìn)行切片,切片厚度為5 μm。切片用蘇木精溶液、酒精、伊紅染料進(jìn)行染色,染色后切片經(jīng)酒精梯度脫水后再經(jīng)二甲苯透明,最后用樹(shù)膠封片。在光學(xué)顯微鏡(OLMPUS BX53,Japan)下拍照觀察組織結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以Mean±SD表示,并運(yùn)用SPSS 20.0與Graphpad prism 8軟件單因素方差分析(One-Way ANOVA)檢驗(yàn)其顯著性,采用Duncan’s多重比較分析各指標(biāo)的差異(P<0.05.)。
如圖1所示,相同堿度脅迫下,大鱗鲃肝和腎組織中ACP活力變化顯著(P<0.05),其均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì),鰓組織ACP活力則呈現(xiàn)先升后降并逐步趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì);3種組織酶活力均在12 h時(shí)達(dá)到峰值。在脅迫前期,相同時(shí)間點(diǎn),3種組織中ACP活力均隨堿度的升高而顯著升高(P<0.05);隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),各堿度實(shí)驗(yàn)組在脅迫7 d內(nèi),3種組織 ACP活力均恢復(fù)至對(duì)照組水平。此外,淡水對(duì)照組3種組織ACP活力在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)顯著性差異(P>0.05)。在堿度脅迫下,腎組織ACP活力最高,為1.5~3.4 U/g;肝組織和鰓組織次之,分別為1.1~2.5 U/g和0.8~2.5 U/g。
(a、b、c分別表示大鱗鲃肝、腎、鰓組織的ACP活力。圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。a, b, and c represent the ACP activity of liver, kidney, and gill. Different low case letters indicate significant differences (P<0.05).)
由圖2可知,相同堿度脅迫下,大鱗鲃肝、腎和鰓組織中AKP活力均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先上升后下降的顯著變化(P<0.05),而腎和鰓組織AKP活力則在脅迫48 h后逐漸趨于穩(wěn)定;3種組織AKP活力均在脅迫12 h時(shí)達(dá)到最大。堿度脅迫初期,相同時(shí)間點(diǎn),3種組織中AKP活力均隨著堿度的升高而顯著升高(P<0.05);且3種組織AKP活力均在脅迫7 d內(nèi)基本恢復(fù)至對(duì)照組水平。此外,對(duì)照組3種組織AKP活力在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)顯著性差異(P>0.05)。在堿度脅迫下,腎組織AKP活力(0.9~1.6 U/g)最高,肝組織(0.2~1.7 U/g)次之,鰓組織(0.1~0.7 U/g)最小。
(a、b、c分別表示大鱗鲃肝、腎、鰓組織的AKP活力。圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。a, b, and c represent the AKP activity of liver, kidney, and gill. Different low case letters indicate significant differences (P<0.05).)
由圖3可知,相同堿度脅迫下,大鱗鲃肝、腎和鰓組織中GSH-Px活力變化顯著(P<0.05),其均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì),且3種組織酶活力均在脅迫12 h時(shí)達(dá)到峰值。堿度脅迫初期,相同時(shí)間點(diǎn),3種組織中GSH-Px活力均隨著堿度的升高而顯著升高(P<0.05),且3種組織各堿度處理組均在脅迫7 d內(nèi)恢復(fù)至對(duì)照組水平。此外,淡水對(duì)照組3種組織中GSH-Px活力在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)顯著性變化(P>0.05)。在堿度脅迫下,腎組織GSH-Px活力(13.3~90.3 U/L)最高,肝組織(32.6~88.2 U/L)次之,鰓組織(22.9~60.8 U/L)最小。
(a、b、c分別表示大鱗鲃肝、腎、鰓組織的GSH-Px活力。圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。a, b, and c represent the GSH-Px activity of liver, kidney, and gill. Different low case letters indicate significant differences (P<0.05) .)
由圖4可知,相同堿度脅迫下,大鱗鲃肝、腎和鰓組織中MDA含量均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的顯著性變化(P<0.05),3種組織均在脅迫12 h時(shí)MDA含量達(dá)到頂峰。堿度脅迫初期,相同時(shí)間點(diǎn),3種組織中MDA含量均隨著堿度的升高而顯著升高(P<0.05),3種組織均在脅迫7 d內(nèi)基本恢復(fù)至對(duì)照組水平。在堿度脅迫下,腎組織MDA含量最高,為10.9~58.9 nmol/mg其次是肝組織和鰓組織,分別為3.9~58.6 nmol/mg和11.4~49.1 nmol/mg。
(a、b、c分別表示大鱗鲃肝、腎、鰓組織的MDA含量。圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。a, b, and c represent the MDA content of liver, kidney, and gill. Different low case letters indicate significant differences (P<0.05).)
由圖5可知,相同堿度脅迫下,大鱗鲃血清皮質(zhì)醇激素和促腎上腺皮質(zhì)激素水平均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)先上升后下降的顯著性變化(P<0.05),且激素水平均在脅迫12 h時(shí)達(dá)到最高。此外,堿度脅迫初期,相同時(shí)間點(diǎn),大鱗鲃血清中皮質(zhì)醇激素和促腎上腺皮質(zhì)激素的含量均隨著堿度的升高而顯著升高(P<0.05),且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),2種激素水平均在脅迫7 d內(nèi)恢復(fù)至對(duì)照組水平。堿度脅迫下,皮質(zhì)醇激素和促腎上腺皮質(zhì)激素的變化范圍分別為46.0~209.0 ng/L和1.5~16.0 ng/L。
(圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。Different low case letters indicate significant differences (P<0.05).)
觀察發(fā)現(xiàn),淡水對(duì)照組大鱗鲃肝細(xì)胞飽滿,呈多面體,排列緊密(見(jiàn)圖6a);腎組織的結(jié)構(gòu)完整,界限清晰,腎小管中細(xì)胞飽滿且完整,第一近曲小管(PⅠ)管徑較大,十分發(fā)達(dá),管腔不規(guī)則,上皮細(xì)胞呈柱形,第二近曲小管(PⅡ)管徑較小,管腔呈圓形,上皮細(xì)胞呈錐形(見(jiàn)圖6c);鰓組織鰓絲分布均勻,排列緊密,細(xì)胞飽滿,胞間間隙不明顯,鰓絲血管腔邊界清晰,內(nèi)有血細(xì)胞,鰓小片粗壯,間距較小,尖端膨大(見(jiàn)圖6e)。
(圖中a,c,e分別為7 d后對(duì)照組肝臟、腎臟和鰓組織;圖中b,d,f分別為7 d后40 mmol/L堿度組肝臟、腎臟和鰓組織。 N:細(xì)胞核;LC:肝細(xì)胞;RC:紅細(xì)胞;PⅠ:第一近曲小管;PⅡ:第二近曲小管;RT:腎小管;CC:泌氯細(xì)胞;SL:鰓小片。1:肝細(xì)胞萎縮;2:細(xì)胞核偏移;3:腎小管萎縮;4:鰓小片尖端收縮變??;5:鰓小片基部腫脹膨大。a, c and e showed the liver, kidney and gill tissues of the control group after 7 days, respectively;b, d, and f represent the liver, kidney and gill tissues of the 40mmol/L alkalinity group after 7 days, respectively N: cell nucleus; LC: liver cell; RC: red blood cell; PⅠ: first proximal; PⅡ: second proximal segment; RT: renal tubule; CC: chlorine cells; SL: gill lamellae.1: Hepatocyte atrophy; 2: Nuclear migration; 3: Renal tubules atrophy; 4: The tip of the gill lamella shrinks and becomes smaller; 5: Swelling and swelling of the base of the gill lamella.)
40 mmol/L NaHCO3堿度脅迫7 d后,肝細(xì)胞出現(xiàn)不同程度萎縮,且少量細(xì)胞出現(xiàn)細(xì)胞核偏移(見(jiàn)圖6b);腎組織中各級(jí)腎小管出現(xiàn)不同程度萎縮,腎小管外圍出現(xiàn)大小不一,形狀不規(guī)則的空白間隙(見(jiàn)圖6d);鰓組織中鰓絲細(xì)胞收縮,血管腔邊界模糊,血細(xì)胞數(shù)量減少,鰓小片基部腫脹膨大,鰓小片尖端收縮變小(見(jiàn)圖6f)。
研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境脅迫會(huì)引起魚(yú)類(lèi)機(jī)體應(yīng)激反應(yīng),為維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài),機(jī)體各組織亦會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)激響應(yīng)[14]。ACP和AKP是衡量機(jī)體免疫能力的重要指標(biāo)[15],通過(guò)催化機(jī)體生物活性物質(zhì)的磷酸化和去磷酸化反應(yīng)調(diào)控機(jī)體的新陳代謝;而GSH-Px是機(jī)體中用于清除過(guò)氧化物的一種酶,將過(guò)氧化物分解為水和氧氣,從而保護(hù)機(jī)體免受過(guò)氧化物的損害[16]。本研究中,堿度脅迫初期,相同脅迫時(shí)間下大鱗鲃肝、腎和鰓組織中ACP、AKP和GSH-Px活力與堿度呈顯著正相關(guān)性。說(shuō)明大鱗鲃在進(jìn)入堿度環(huán)境后,隨著堿度濃度的升高,機(jī)體產(chǎn)生的應(yīng)激響應(yīng)強(qiáng)度隨之增加,機(jī)體的ACP、AKP和GSH-Px水平亦升高從而應(yīng)對(duì)環(huán)境對(duì)魚(yú)體造成的應(yīng)激損傷[13]。在高NaHCO3堿度環(huán)境下3種酶活力恢復(fù)穩(wěn)定所需時(shí)間明顯長(zhǎng)于低堿度環(huán)境,這是由于高堿環(huán)境比低堿環(huán)境對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的損傷更顯著[8],這與王卓等[17]、劉汝建等[18]的結(jié)果一致,與張宇婷等[13]在NaCl鹽度環(huán)境對(duì)大鱗鲃脅迫的研究結(jié)果相似。此外,相同堿度條件下,不同組織ACP、AKP和GSH-Px活力大小亦不相同,其中腎組織3種酶的活力最大,肝次之,鰓組織最??;表明腎組織在應(yīng)對(duì)NaHCO3堿度脅迫過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
MDA是脂質(zhì)過(guò)氧化的終產(chǎn)物之一,可以有效反映機(jī)體脂質(zhì)的過(guò)氧化水平高低,是衡量機(jī)體氧化損傷水平的重要指標(biāo)之一[19]。本研究發(fā)現(xiàn),堿度脅迫初期,相同時(shí)間下,大鱗鲃肝、腎、鰓組織中MDA含量隨NaHCO3堿度的升高而顯著升高;這表明在NaHCO3堿度脅迫下,大鱗鲃體內(nèi)產(chǎn)生大量脂質(zhì)過(guò)氧化物并被分解生成大量的MDA,且堿度越高,機(jī)體中脂質(zhì)過(guò)氧化現(xiàn)象越嚴(yán)重[13,20]。此外,高堿條件下,3種組織MDA含量恢復(fù)初始水平所需時(shí)間顯著高于低堿環(huán)境,這與廖亞麗等[21]的結(jié)果一致。
皮質(zhì)醇和促腎上腺皮質(zhì)激素水平的高低是反映魚(yú)類(lèi)應(yīng)激狀態(tài)的重要指標(biāo)[22]。在環(huán)境因子脅迫下,魚(yú)類(lèi)機(jī)體可通過(guò)其下丘腦-垂體-腎間腺軸(HPI),釋放促腎上腺皮質(zhì)激素和皮質(zhì)醇等激素,進(jìn)而促進(jìn)機(jī)體糖類(lèi)、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的代謝和免疫水平等,以應(yīng)對(duì)機(jī)體的應(yīng)激反應(yīng)。本研究顯示,脅迫初期,在同一脅迫時(shí)間下,大鱗鲃機(jī)體血清中皮質(zhì)醇和促腎上腺皮質(zhì)激素的含量在高堿脅迫下(40和30 mmol/L)明顯高于低堿度組(10和20 mmol/L)且隨著堿度梯度的升高急劇上升;而隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),皮質(zhì)醇激素和促腎上腺皮質(zhì)激素的濃度在7 d內(nèi)均逐漸恢復(fù)至對(duì)照組水平,表明大鱗鲃在堿度環(huán)境中通過(guò)機(jī)體自身的調(diào)控,逐步適應(yīng)了堿度環(huán)境,這與Albert等[23]對(duì)鹽度脅迫下花鰻鱺(Anguillamarmorata)的結(jié)論一致。
環(huán)境脅迫下,魚(yú)類(lèi)機(jī)體除產(chǎn)生相應(yīng)的生理生化變化外,機(jī)體某些組織的結(jié)構(gòu)亦會(huì)發(fā)生適應(yīng)性變化[24]。研究表明,NaHCO3堿度會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)肝組織造成組織學(xué)病變[25]。本研究顯示,在NaHCO3堿度脅迫下,大鱗鲃肝細(xì)胞出現(xiàn)輕微萎縮并伴有細(xì)胞核偏移等病理性變化,但實(shí)驗(yàn)期間并未出現(xiàn)細(xì)胞壞死現(xiàn)象。
腎臟是魚(yú)類(lèi)重要的滲透調(diào)控器官,在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[26]。淡水魚(yú)類(lèi)的腎組織的結(jié)構(gòu)完整,界限清晰,腎小管中細(xì)胞飽滿且完整;而海水魚(yú)類(lèi)的腎臟退化,腎小球變小,腎小管縮短;這一差異主要是由外界環(huán)境的滲透壓差異所導(dǎo)致的。本研究亦發(fā)現(xiàn),40 mmol/L高NaHCO3堿度脅迫下,大鱗鲃腎組織各級(jí)腎小管均出現(xiàn)不同程度萎縮,這與楊建等[27]的結(jié)果相一致。
鰓是魚(yú)類(lèi)與其生存環(huán)境直接接觸的器官,易于受到環(huán)境因子的干擾而影響其正常的生理功能。本研究表明,在高堿度(40 mmol/L)脅迫下,大鱗鲃鰓絲細(xì)胞收縮,鰓小片基部腫脹膨大,鰓小片尖端收縮變小,比表面積增大,在一定程度上增加了水體與鰓絲的接觸面積,有利于鰓組織與外界環(huán)境的離子交換和溶氧的獲取[27]。隨著環(huán)境堿度的進(jìn)一步升高,鰓小片進(jìn)一步萎縮,鰓上皮細(xì)胞壞死和脫落,鰓小片比表面積減小,生理機(jī)能亦受到影響,進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體的死亡[25,27]。
在本研究中,大鱗鲃的肝、腎和鰓組織在40 mmol/L NaHCO3堿度脅迫下雖發(fā)生了病理性變化,但并未出現(xiàn)病理性表現(xiàn)或者死亡現(xiàn)象。由于本實(shí)驗(yàn)為短期脅迫試驗(yàn),大鱗鲃的組織結(jié)構(gòu)是否為適應(yīng)性變化還需進(jìn)行長(zhǎng)期脅迫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。
在大鱗鲃剛進(jìn)入堿度環(huán)境時(shí),對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生了劇烈的反應(yīng),在曝露12 h內(nèi)機(jī)體抗氧化能力逐步達(dá)到最強(qiáng),之后隨著時(shí)間的延長(zhǎng),逐步適應(yīng)相應(yīng)的堿度環(huán)境,7 d內(nèi)各指標(biāo)均基本穩(wěn)定,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象,表明大鱗鲃在高堿度(40 mmol/L) NaHCO3環(huán)境表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力。