(文献解读:徐婷婷)较高的驯化温度通过抑制 GH 和 IGF 基因表达驱动应激反应来影响露斯塔野鲮的生长

论文题目：Higheracclimation temperature affects growth of rohu (Labeo rohita) throughsuppression of GH and IGFs genes expression actuating stress response

通讯作者：Md Shahjahan

研究单位：孟加拉农业大学、新潟大学、吉大港兽医与动物科学大学

发表时间：2021年

发表期刊：Journal ofThermal Biology

DOI:10.1016/j.jtherbio.2021.103032

 

摘要

水温能影响水生生物的生长、代谢速率和生理反应。早期的研究报告显示，较高的温度影响罗湖南亚黑鲮的细胞和血液生化反应。在此背景下，本研究揭示了不同温度条件下(30℃、33℃和36℃)高驯化温度对南亚黑鲮幼鱼生长和胁迫响应的调节机制。通过实时荧光定量PCR检测生长激素(GH)、胰岛素样生长因子(IGF-1、IGF-2)和热休克蛋白(hsp70、hsp90)基因的相对表达量。结果表明，与30℃(对照)相比，最高驯化温度(36℃)显著降低了增重和特定生长率，提高了饲料系数(FCR)，与此同时，中间驯化温度（33℃）却提高了增重和特定生长率，降低了饲料系数。同样，与 30℃时相比， 36℃和 33℃时垂体GH基因表达表现出显著降低和增加现象。在36℃时，鱼体肝脏中IGF-1和IGF-2的表达显著降低，但hsp70和hsp90的基因表达显著升高。本研究结果表明，轻度高温虽能促进南亚黑鲮幼鱼的生长，但较高的驯化温度可能通过抑制GH/IGF系统而引起应激反应，从而影响生长性能。

 

引言：

水产养殖行业作为农业中一门极具潜力的行业，通过技术进步和现代化方法提高鱼类产量，其中集约化可以提高产量并降低生产成本，但同时会导致饲料转化率(FCR)较低，影响环境影响和其他问题。集约化养殖中,温度作为代谢活动的调节器至关重要的，影响所有生物的生存和生理。有文献表明在一个生产周期内的最佳温度阈值内，平均温度的小幅上升可以对某些可培养物种的生长产生积极的影响(Reid et al., 2015; Islam et al., 2019; Asha-f-Ud-Doulah, 2020;Islam et al., 2020a)。一些物种可能具有补偿生长的潜力，而其他一些物种在较低温度下培养可能比在较高温度下生长得更快(sfaakianakis et al.， 2013)。因此，了解环境温度、生理应激和鱼类生长之间的潜在机制是如何在变化的气候中调节水产养殖系统尤其是对生长的影响尤为重要。因此，在水产养殖系统中，分子研究可能是寻找特定物种在个体发育任何阶段的最适温度的合适方法。

下丘脑-垂体-肝脏轴是鱼类生长发育的主要代谢过程。在脊椎动物中，受内源性和外源性因素影响，通过垂体生长激素(GH)和肝脏胰岛素样生长因子(IGFs)来调节生长(Rousseau and Dufour, 2007; Reinecke, 2010)。内外因素刺激下丘脑产生垂体腺苷酸环化酶激活多肽(PACAP)， PACAP刺激垂体产生GH(Montero et al.，2000)。垂体生长激素反过来形成有肝脏、肌肉参与的信号通路，还有其他激素如IGF (Chang和Wong, 2009)，最终能作用于肌肉肥厚和增生(Cerda-Reverter和Canosa, 2009)。生长激素是一种来自细胞因子家族的激素，在硬骨鱼中被归类为单链多肽蛋白。GH由垂体前叶合成，通过与位于靶组织细胞膜上的生长激素受体(GHRs)结合，参与调控体细胞的生长和代谢(Canosa et al.， 2007;Fuentes et al.， 2013)。IGF是生长激素诱导的生长的关键介质，在鱼类中以自分泌、旁分泌和内分泌的方式发挥作用(Le Roith et al.， 2001)。IGF在脊椎动物中存在两种(IGF-1和IGF-2)(Reindl和Sheridan, 2012)，并调节许多关键的生物学过程，如蛋白质水解的合成和抑制、增殖、分化、细胞迁移和生存以及骨骼肌伸长(Duan etal .，2010;Reinecke, 2010)。热休克蛋白(HSPs)是在各种细胞和代谢应激中参与蛋白质稳态、细胞保护和细胞存活的一大类蛋白(Lanneau等，2008)。HSPs受鱼类生长发育的显著影响，由多基因家族成员编码，在应对应激条件中发挥关键作用(Han et al.， 2017;Junprung et al，2019)。HSPs可分为小HSPs、hsp40、hsp60、hsp70、hsp90和hsp110六大类(Yanet al.，2017;Dubrez等人，2019)。hsp70和hsp90在自然界中具有高度保守性，在应对不利环境变化时能快速表达，是适宜的温度相关胁迫指标分子标记(Luft et al.， 1996)。

孟加拉国是世界主要淡水水产养殖业生产国。罗湖南亚黑鲮作为种类之一，在孟加拉国、印度、缅甸、越南等国占据重要地位(粮农组织，2020年)。对于鱼类养殖者来说，由于其高市场需求、多元养殖潜力和高消费者接受度，该物种是一种具有重要商业价值的热带淡水物种(Shahjahan et al.， 2020)。该物种的最佳温度范围为28-33℃，最近的研究发现，高驯化温度改变了该物种的生长性能、血液生化指标等(Ashaf-Ud-Doulahet al，2019,2020)。然而，目前还没有关于在高温下罗湖南亚黑鲮的GH和IGFs基因表达的全面研究。因此，本研究的目的是研究高温诱导GH和IGF(IGF-1, IGF-2)基因以及热休克蛋白(hsp70, hsp90)基因表达作为胁迫指标的作用。

 

 

结果：

不同驯化温度下罗湖南亚黑鲮的生长性能

    在30 d的试验期内，在最高温度(36℃)下驯化的鱼的增重(WG)、特定生长率(SGR)显著低于，FCR显著高于在30℃(对照)下驯化的鱼。然而，与保持在30℃的鱼相比，33℃饲养的鱼的增重WG、SGR显著升高，饲料系数FCR降低。不同温度条件对鱼的成活率没有影响。

不同驯化温度下鱼垂体GH表达的变化

在最高温度(36℃)下，GH mRNA水平显著低于30◦C和33◦C。然而，GH mRNA水平在驯化温度为33℃时要显著高于30◦C的控制温度。

不同驯化温度下鱼肝脏中IGF-1和IGF-2表达的变化

与其他温度相比，在最高温度(36℃)下，IGF-1和IGF-2 mRNA的表达显著降低。然而，在30℃(对照)和33℃之间，IGF-1、IGF-2mRNA的表达水平没有显著差异。同样，在30◦C和33◦C之间， 水平没有显著差异。

不同驯化温度下鱼肝脏中hsp70和hsp90表达的变化

罗湖南亚黑鲮在适应不同温度时两热休克蛋白(hsp70和hsp90)基因在mRNA水平发生了明显改变。相比于30℃和33℃，hsp70基因只在36℃时表达量明显上升，而相对于30℃，hsp90的mRNA水平在33℃和36℃时都显著升高。

不同驯化温度下饲育池水质参数的变化

随着水温的升高，DO(mg/L)显著降低，游离CO₂ (mg/L)显著升高(p < 0.05)。不考虑温度变化和曝光时间，pH值和总碱度没有表现出明显变化。在7~15天时,NH3(mg/L)水平在36℃显著增加,在30天时,三个温度下NH3的水平没有变化。

讨论：

本研究研究了高温对幼年罗湖南亚黑鲮垂体和肝脏的应激反应、生长性能以及生长相关基因(GH、IGF-1和IGF-2)表达的影响。本研究结果与前人研究结果一致，表明较高的环境温度通过抑制GH和IGF系统，诱导应激反应，影响罗湖南亚黑鲮的生长性能。本研究发现，与对照组(30℃)和更高的驯化温度(36℃)相比，33℃驯化温度下，鱼体生长性能(WG，SGR和FCR)显著增加。在36℃时，罗湖南亚黑鲮的生长性能较低，这可能是由于在较高温度下食欲降低。而略微升高的温度(33℃)在本研究中加速了生长性能，是因为代谢率得以提高。环境温度与鱼类生长呈正相关关系，表现为热生长系数效应(Schulte, 2011)。代谢酶的作用依赖于温度，随着血液中代谢物作用的放大，鱼体内的基础代谢也会增加，鱼通常会感到饥饿，从而引发食欲，最终提高饲料利用率和鱼的生长性能。(Kuzmina et al.， 2008)。

GH/IGFs结合环境和遗传因素的内分泌反应可能是生长相关研究的有用生物标志物(Picha et al.， 2008)。33℃下的罗湖南亚黑鲮垂体中GH的表达显著升高，这可能是由于升高的温度对下丘脑-垂体-肝脏轴的积极影响。而在36℃时GH表达较低，这可能是促生长激素在较高温度下对垂体促生长细胞抑制信号的作用。与对照温度(30℃)相比，33℃时罗湖南亚黑鲮肝脏中IGF-1和IGF-2的表达轻微升高。然而，在36℃检测到IGF-1和IGF-2的表达显著下降，这可能是由于更高的适应温度具有抑制作用。GH的表达依赖于温度，极低或高温会降低血浆GH水平(Gabillard et al.， 2003a)。在本研究中，我们发现在稍微升高的温度下33℃的生长和垂体GH表达增加，而在高温下36℃则表达下降。在30℃和33℃时，罗湖南亚黑鲮的IGF-1和IGF-2 mRNA水平没有显著差异，说明在这个温度范围内，IGF-1和IGF-2能发挥正常生长机制。然而，在36℃条件下，鱼体内IGF-1和IGF-2的mRNA水平显著下降，随后生长性能降低，这表明高温对鱼体内GH/IGF系统具有抑制作用。

36℃的环境对罗湖南亚黑鲮幼鱼肝脏中hsp70和hsp90的表达有显著影响。热休克蛋白是了解鱼类对热变化反应的潜在生物标志物。罗湖南亚黑鲮肝脏中hsp70和hsp90的过度表达表明热应激对鱼体内蛋白质的损伤。在本研究中，罗湖南亚黑鲮肝脏中hsp70和hasp90的显著过表达表明在36℃时激活了细胞结构损伤的保护机制。hsp基因的响应因组织、不同的hsp家族和应激源而异(Kayhan and Duman, 2010)，而调节hsp基因表达能力越强的物种对气候变化的适应性越强(Somero, 2010)。每一种鱼都有一个适宜舒适生活的最佳耐受温度范围，然而，最佳温度范围的不稳定性是应激诱导的，这会破坏鱼的正常生理功能和生长性能(Beitinger et al.， 2000)。进一步的研究将涉及更多的器官特异性基因，以更好地了解罗湖南亚黑鲮在不同驯化时期和温度下的胁迫响应。