冬季限食對(duì)樹(shù)麻雀能量代謝的影響及其生理適應(yīng)

劉佳人 徐興軍* 王有祥 林美含 邵淑麗

(1.齊齊哈爾大學(xué)生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，齊齊哈爾，161006；2.抗性基因工程與寒地生物多樣性保護(hù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，齊齊哈爾，161006；3.乳山暢園學(xué)校，乳山，264599)

溫度是影響動(dòng)物產(chǎn)熱的重要因素[1]。在北方，一年四季中，冬季的環(huán)境條件最為苛刻，氣候寒冷，食物短缺，對(duì)冬季環(huán)境條件的適應(yīng)是鳥(niǎo)類(lèi)生存的重要前提[2]。鳥(niǎo)類(lèi)消耗能量的速率可能對(duì)其健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)地影響，從而影響其生理、行為、生態(tài)和進(jìn)化[3]。通過(guò)了解鳥(niǎo)類(lèi)的代謝規(guī)律，能進(jìn)一步理解鳥(niǎo)類(lèi)在應(yīng)對(duì)環(huán)境季節(jié)性變化時(shí)的應(yīng)對(duì)策略[4]。本研究以樹(shù)麻雀(Passermontanus)為試驗(yàn)材料，探討冬季樹(shù)麻雀在限食條件下的能量預(yù)算對(duì)策，為進(jìn)一步了解北方小型鳥(niǎo)類(lèi)的生存機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

樹(shù)麻雀于2019年12月捕自黑龍江省齊齊哈爾市扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(46°52′—47°32′N(xiāo)，123°47′—124°37′E)。

1.2 方法

樹(shù)麻雀在齊齊哈爾大學(xué)動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后，按體重隨機(jī)分為對(duì)照組、半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組，組間體重?zé)o明顯差異(P>0.05)。各馴化組均飼喂谷子，以每天每只鳥(niǎo)的正常食量(20.15±1.08)g為標(biāo)準(zhǔn)，半饑餓馴化組投喂標(biāo)準(zhǔn)食量的1/2，1/4饑餓馴化組投喂標(biāo)準(zhǔn)食量的1/4。每組8只，自由飲水，自然光照，馴化4周。

體重和各器官重量測(cè)定：采用BS124S型電子天平測(cè)量，精確到0.01 g。馴化開(kāi)始前，分別測(cè)定各組樹(shù)麻雀的初始體重。馴化結(jié)束后，測(cè)定各組樹(shù)麻雀終體重及主要器官重。

基礎(chǔ)代謝率(basal metabolic rate，BMR)測(cè)定：利用動(dòng)物氣體代謝分析儀測(cè)量，每隔7 d測(cè)定1次，測(cè)量前先將樹(shù)麻雀禁食4 h，單只稱(chēng)量樹(shù)麻雀的體重，精確至0.01 g。測(cè)定開(kāi)始前2 h，將氧氣和二氧化碳分析儀打開(kāi)預(yù)熱，然后對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，硬件與軟件標(biāo)定完成后分別將樹(shù)麻雀放入已編號(hào)的4個(gè)呼吸室內(nèi)適應(yīng)1 h，待樹(shù)麻雀呼吸穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)量，記錄每分鐘的耗氧量，共測(cè)定30 min，分別取5個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

體脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定：采用索氏抽提法[5]測(cè)定。體脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)=(胴體干重-抽提后不含體脂的胴體干重)/個(gè)體體重×100%。

個(gè)體含水量測(cè)定：采用質(zhì)量差法測(cè)定。個(gè)體含水量=(胴體的鮮重-胴體的干重)/胴體的干重×100%。

攝入熱量值及消化率的測(cè)定：采取全收糞法測(cè)定[6]。

糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定：采用硫酸蒽酮測(cè)定法測(cè)定肌糖原、肝糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)[7]。

淀粉酶活性的測(cè)定：清除組織內(nèi)的殘留物，用濾紙吸干并稱(chēng)重，置于研缽內(nèi)加入10倍組織量的0.02 mol/L、pH=7.5的磷酸緩沖溶液，在冰盒內(nèi)充分研磨成糊狀勻漿，將勻漿液轉(zhuǎn)入離心管置于冷凍離心機(jī)，4 ℃、12 000 r/min離心15 min，上清液即為粗酶液。取50 mL的比色管，用記號(hào)筆標(biāo)明對(duì)照管與待測(cè)管，在2管內(nèi)分別加入0.04%可溶性淀粉5.0 mL，37 ℃水浴5 min；對(duì)照管加0.3 mL蒸餾水，測(cè)定管加0.3 mL粗酶液，混勻、37 ℃水浴10 min；再在2管內(nèi)分別加入0.01 mol/L碘應(yīng)用液5.0 mL，用蒸餾水稀釋至50.0 mL，立即混勻。于660 nm波長(zhǎng)處比色，蒸餾水調(diào)零，讀取對(duì)照管和測(cè)定管光密度。淀粉酶活力=[(OD對(duì)照-OD待測(cè))/OD對(duì)照×200]/0.3 mL粗酶液中蛋白克數(shù)。

腸道組織的測(cè)定：采用石蠟切片法對(duì)樹(shù)麻雀腸道組織進(jìn)行制片[8]。應(yīng)用Nikon顯微成像系統(tǒng)在10×40倍視野對(duì)腸道組織的絨毛高度、絨毛寬度、黏膜層厚度、腸壁截面積進(jìn)行測(cè)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 限食對(duì)樹(shù)麻雀的體重和器官重的影響

由圖1可見(jiàn)，馴化開(kāi)始時(shí)，限食組樹(shù)麻雀的體重組間無(wú)明顯差異，1周后半饑餓馴化組與1/4饑餓馴化組體重較對(duì)照組極顯著降低(P<0.01)。隨著馴化時(shí)間的延長(zhǎng)，半饑餓馴化組與1/4饑餓馴化組的體重在1～3周內(nèi)大幅度降低，在第4周馴化結(jié)束時(shí)達(dá)到最低值，與初始體重相比分別減少1.06、3.81 g。第4周馴化結(jié)束后，3組樹(shù)麻雀體重組間差異均極顯著(P<0.01)。

圖1 限食對(duì)冬季樹(shù)麻雀體重的影響

半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組樹(shù)麻雀的心臟、肝臟、肺、胰腺和十二指腸鮮重均比對(duì)照組低；大腸、小腸、直腸、肌胃和腺胃鮮重均比對(duì)照組高。3組樹(shù)麻雀的心臟、肝臟、肺、胰腺、大腸、小腸、直腸、十二指腸、肌胃和腺胃鮮重組間差異均極顯著(P<0.01)(表1)。

表1 限食對(duì)冬季樹(shù)麻雀器官重量的影響

由表1可見(jiàn)，半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組樹(shù)麻雀的心臟、肝臟、肺、大腸、十二指腸、肌胃和腺胃干重均比對(duì)照組低；胰腺和小腸干重均比對(duì)照組高。半饑餓馴化組直腸干重比對(duì)照組高58.44%，1/4饑餓馴化組直腸干重比對(duì)照組低9.77%。半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組心臟、肝臟、肺、大腸、小腸、直腸、十二指腸干重與對(duì)照組相比組間差異均極顯著(P<0.01)。對(duì)照組與半饑餓馴化組胰腺干重組間差異不顯著(P>0.05)，與1/4饑餓馴化組相比組間差異極顯著(P<0.01)。

2.2 限食對(duì)樹(shù)麻雀BMR的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著馴化時(shí)間的延長(zhǎng)，半饑餓馴化組與1/4饑餓馴化組BMR在0～1周內(nèi)大幅度降低，在第4周馴化結(jié)束時(shí)達(dá)到最低值，與初始BMR相比分別降低0.98、1.08 mL/(g·h)。第4周馴化結(jié)束后，3組樹(shù)麻雀BMR組間差異均極顯著(P<0.01)。

圖2 限食對(duì)冬季樹(shù)麻雀基礎(chǔ)代謝率的影響

2.3 限食對(duì)樹(shù)麻雀生理指標(biāo)的影響

由表2可見(jiàn)，1/4饑餓馴化組樹(shù)麻雀的含水量分別比半饑餓馴化組、對(duì)照組高2.11%、2.87%，且差異極顯著(P<0.01)。饑餓馴化組的消化能和消化率均極顯著高于對(duì)照組(P<0.01)。半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組的體脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比對(duì)照組低，但只有1/4饑餓馴化組與對(duì)照差異極顯著(P<0.01)。

表2 限食馴化4周后樹(shù)麻雀體內(nèi)各生理指標(biāo)

2.4 限食對(duì)樹(shù)麻雀消化道長(zhǎng)度的影響

由圖3可見(jiàn)，限食馴化后，樹(shù)麻雀的大腸、小腸、直腸長(zhǎng)度由長(zhǎng)到短依次為：1/4饑餓馴化組、半饑餓馴化組、對(duì)照組，且限食馴化組均極顯著長(zhǎng)于對(duì)照組(P<0.01)，但限食馴化對(duì)十二指腸的長(zhǎng)度沒(méi)有明顯影響(P>0.05)。

圖3 限食對(duì)冬季樹(shù)麻雀消化道長(zhǎng)度的影響

2.5 限食對(duì)樹(shù)麻雀淀粉酶活性的影響

由表3可見(jiàn)，1/4饑餓馴化組、半饑餓馴化組樹(shù)麻雀肝臟中的淀粉酶活性較對(duì)照組高，但只有1/4饑餓馴化組與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)。1/4饑餓馴化組、半饑餓馴化組胰腺、大腸、小腸、直腸、十二指腸、肌胃和腺胃中的淀粉酶活性較對(duì)照組低，其中半饑餓組胰腺、大腸中的淀粉酶活性與對(duì)照組差異極顯著(P<0.01)，1/4饑餓馴化組胰腺、大腸、小腸、肌胃和腺胃與對(duì)照組差異極顯著(P<0.01)。

表3 限食對(duì)冬季樹(shù)麻雀淀粉酶活性的影響

2.6 限食對(duì)樹(shù)麻雀糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表4可見(jiàn)，冬季對(duì)照組樹(shù)麻雀肝糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)比半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組分別高0.697%、0.754%。對(duì)照組肌糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)比半饑餓馴化組、1/4饑餓馴化組分別高0.244%、0.391%。3組樹(shù)麻雀肝糖原、肌糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)組間差異均極顯著(P<0.01)。

表4 限食對(duì)冬季樹(shù)麻雀糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.7 限食對(duì)樹(shù)麻雀消化器官各形態(tài)指標(biāo)的影響

隨著限食程度的加大，半饑餓馴化組和1/4饑餓馴化組的消化道絨毛高度、寬度與對(duì)照組相比呈降低趨勢(shì)，消化道黏膜厚度呈上升趨勢(shì)(圖4)。由表5可見(jiàn)，3組樹(shù)麻雀的大腸絨毛高度、直腸絨毛高度和十二指腸壁截面積差異顯著(P<0.05)，1/4饑餓馴化組與對(duì)照組差異極顯著(P<0.01)。半饑餓馴化組小腸壁截面積、十二指腸絨毛高度和小腸絨毛高度與對(duì)照組差異不顯著，但1/4饑餓馴化組卻極顯著低于對(duì)照組(P<0.05)，半饑餓馴化組和1/4饑餓馴化組十二指腸絨毛寬度均顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。

圖4 樹(shù)麻雀消化道石蠟切片(HE×40)

表5 限食對(duì)冬季樹(shù)麻雀消化道絨毛高度、寬度、黏膜層厚度及腸壁截面積的影響

3 討論

冬季是鳥(niǎo)類(lèi)覓食壓力最大的季節(jié)，而覓食壓力是鳥(niǎo)類(lèi)在生存中面臨的必然挑戰(zhàn)，鳥(niǎo)類(lèi)生存能力受到能量處理及分配速率的影響[9]。本研究限食條件下，樹(shù)麻雀體重表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，由于限食使外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)不足，內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)在機(jī)體代謝中占據(jù)主要地位，機(jī)體內(nèi)的儲(chǔ)能分子被分解以維持正常的生理活動(dòng)，最終使體重下降，這與Bales等[10]和趙田等[11]的研究結(jié)果相一致。

脂肪用于維持糖異生作用[12]，隨著限食程度的增加，體內(nèi)的脂肪被逐漸消耗，使體脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷下降。限食條件下，樹(shù)麻雀消化能增高的原因可能是樹(shù)麻雀通過(guò)提高消化速率增加了有限食物的能量攝入，進(jìn)而使其增高。由于樹(shù)麻雀攝食量急劇下降，各組織器官的生理指標(biāo)也隨之發(fā)生相應(yīng)變化以維持基礎(chǔ)能耗。

本研究中，限食組樹(shù)麻雀肝臟、心臟、肺、胰腺鮮重降低，或因?yàn)樵陴囸I脅迫下，大多數(shù)動(dòng)物為維持其基礎(chǔ)代謝消耗機(jī)體儲(chǔ)存的糖原和脂類(lèi)物質(zhì)從而使得各器官鮮重有所降低[13]。各代謝器官鮮重的降低直接導(dǎo)致了BMR的降低，表明樹(shù)麻雀通過(guò)減少呼吸代謝，以減少能量的消耗。Aharon-Rotman等[14]研究表明鳥(niǎo)類(lèi)總代謝率與體重成正比。

由于肌胃具有較強(qiáng)的收縮能力，通過(guò)增加重量及容量使食物進(jìn)行充分混合，促進(jìn)有限食物的充分消化，故限食組樹(shù)麻雀肌胃、腺胃鮮重增高。石蠟切片表明，饑餓促使大腸形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，通過(guò)降低大腸絨毛高度、寬度，使單位面積內(nèi)有效的絨毛數(shù)量增多，增加有效的吸收面積進(jìn)而對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分地吸收，大腸黏膜層厚度的增加是鮮重增加的主要原因。

淀粉酶的分泌量及活力大小與攝食數(shù)量的多少密切相關(guān)[15]，淀粉酶作為消化道內(nèi)專(zhuān)一的消化酶，其活力的高低決定了對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的能力。本研究表明，淀粉酶在各消化器官中均有分布，腸道中的淀粉酶活力的變化幅度較肌胃、腺胃大，說(shuō)明腸道對(duì)限食條件比肌胃、腺胃更敏感，隨著限食程度的增加，大腸、小腸、直腸和十二指腸的淀粉酶活力不斷下降，可能由于樹(shù)麻雀在限食條件下，體內(nèi)代謝發(fā)生適應(yīng)性變化，通過(guò)調(diào)整各種消化酶的活性，達(dá)到合理利用體內(nèi)貯存物質(zhì)以維持生命的目的[16-17]，這與丁立云等[18]的研究結(jié)果相一致。胰臟分泌的胰液中含有大量胰淀粉酶[19]，在腸道中分解淀粉等物質(zhì)，由于限食導(dǎo)致攝入的食物較少，胰淀粉酶的分泌量降低，進(jìn)而淀粉酶活力降低。肝臟中淀粉酶活性隨饑餓程度的增加表現(xiàn)出較高活力的原因，可能是肝糖原在機(jī)體內(nèi)酶促作用下分解為葡萄糖[20-22]進(jìn)入血液使血糖濃度升高，維持血糖正常水平。限食組樹(shù)麻雀肝糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，以此推測(cè)，限食使血糖濃度降低[23]，腎上腺素和胰高血糖素分泌增加[24]，這2種物質(zhì)與肝臟組織細(xì)胞膜受體結(jié)合，使無(wú)活性的糖原磷酸化酶轉(zhuǎn)化成有活性的磷酸化酶，促進(jìn)糖原分解為機(jī)體提供能量。肝糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度大于肌糖原質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度，肝糖原分解用于供能，而肌糖原分解主要維持肌肉收縮。Nord等[25]的研究也表明季節(jié)性環(huán)境中的動(dòng)物必須謹(jǐn)慎地管理能源支出以度過(guò)冬天，可通過(guò)減少用于各種目的的能量分配來(lái)實(shí)現(xiàn)。限食條件下樹(shù)麻雀體內(nèi)消化酶活性的變化可能還與機(jī)體本身的能量分配機(jī)制及體內(nèi)能量利用的比例有關(guān)，但具體分配機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

本研究結(jié)果顯示：冬季限食條件下，樹(shù)麻雀通過(guò)降低BMR，增加消化道長(zhǎng)度和黏膜厚度，降低消化道絨毛高度和寬度，加快肝糖原和肌糖原的分解，以及增加消化能來(lái)補(bǔ)償能量消耗等一系列生理生化反應(yīng)，以適應(yīng)饑餓寒冷的生存環(huán)境。