低温胁迫对军曹鱼幼鱼鳃组织...、细胞凋亡和组织结构的影响_李豫.pdf

DOI:10.12131/20220227文章编号：2095 0780（2023）03 0068 10低温胁迫对军曹鱼幼鱼鳃组织抗氧化能力、细胞凋亡和组织结构的影响李 豫1，黄建盛1，陈有铭2，温震威1，欧光海1，黄鉴鹏1，蒋鑫涛1，谢瑞涛3，马 骞1，陈 刚1,41.广东海洋大学 水产学院，广东 湛江 5240882.广东蓝粮种业有限公司，广东 湛江 5242563.广东省水产动物病害防控与健康养殖重点实验室，广东 湛江 5240884.广东恒兴饲料实业股份有限公司，广东 湛江 524094摘要：军曹鱼(Rachycentron canadum)鳃组织对水温变化敏感。为探究低温胁迫对军曹鱼幼鱼鳃组织的影响，揭示该鱼应对低温胁迫的响应机制，实验设置2个低温胁迫组(18、21)和1个对照组(28)，比较分析鳃组织在胁迫后第0、第4和第7天的氧化应激状态、细胞凋亡和组织结构情况。结果显示，低温胁迫下鳃组织超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性显著低于对照组(P0.05)，丙二醛(MDA)浓度显著高于对照组(P0.05)；低温胁迫组鳃组织凋亡相关基因bax、caspase-9、caspase-3、p53和mdm2表达量在第4和第7天时相较于对照组显著升高(P0.05)，bcl-2基因表达量显著降低(P0.05)；TUNEL检测显示低温组鳃组织细胞凋亡率升高；组织学分析表明低温胁迫下鳃组织出现了不同程度的鳃小片排列紊乱、基部增生、融合，上皮细胞和泌氯细胞空泡化等现象。研究表明，低温胁迫抑制了军曹鱼幼鱼的鳃组织抗氧化酶活性，造成氧化损伤，进一步诱导细胞凋亡，破坏鳃组织结构完整性。关键词：军曹鱼；低温胁迫；鳃；氧化应激；细胞凋亡；组织结构中图分类号：Q 178;S 965.399文献标志码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Effect of low temperature stress on antioxidant stress,apoptosis andhistological structure of gills in cobia(Rachycentron canadum)LI Yu1,HUANG Jiansheng1,CHEN Youming2,WEN Zhenwei1,OU Guanghai1,HUANG Jianpeng1,JIANG Xintao1,XIE Ruitao3,MA Qian1,CHEN Gang1,41.College of Fisheries,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China2.Guangdong Blue Granary Seed Industry Co.,Ltd.,Zhanjiang 524256,China3.Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Animal Disease Control and Healthy Culture,Zhanjiang 524088,China4.Guangdong Evergreen Feed Industry Co.Ltd.,Zhanjiang 524094,ChinaAbstract:The gill tissue of cobia(Rachycentron canadum)is sensitive to water temperature changes.In order to investigate theeffect of low temperature stress on juvenile cobia,and reveal its response mechanism to low temperature stress,we designed two第 19 卷第 3 期南 方 水 产 科 学Vol.19，No.32023 年 6 月South China Fisheries ScienceJun.，2023收稿日期：2022-08-24；修回日期：2022-10-15基金项目：国家重点研发计划项目(2022YFD2401203,2020YFD0900200)；广东省科技计划项目(2016B020201009)；国家现代农业产业技术体系(CARS-47)作者简介：李豫(1998)，女，硕士研究生，研究方向为鱼类生物学与遗传育种。E-mail:通信作者：马骞(1983)，女，副教授，博士，研究方向为海水鱼类发育学、生理学与遗传育种。E-mail:陈刚(1961)，男，教授，研究方向为鱼类种子工程与养殖。E-mail:low temperature groups(18 and 21)and one control group(28),to analyze the antioxidant responses,expression of apo-ptosis-related genes and histological structure of the gills on 0,4th and 7th day after the stress.The results show that the activi-ties of superoxide dismutase(SOD),catalase(CAT)and glutathione peroxidase(GSH-Px)in the low-temperature groups were signifi-cantly lower than those in the control group(P0.05),while the malondialdehyde(MDA)mass concentration in the low-tempera-ture groups was significantly higher than that in the control group(P0.05).The expression of apoptosis-related genes bax,cas-pase-9,caspase-3,p53 and mdm2 increased significantly in the low-temperature groups,while the expression of Bcl-2 decreasedsignificantly on 4th and 7th day(P0.05).The TUNEL results reveal that low-temperature treatment increased the cell apoptosisrate of the gills,and caused lesions including fusion of secondary lamellae,necrosis of epithelial cell and hyperplasia of chloridecells.The results indicate that low-temperature stress causes oxidative stress,induces apoptosis and damages the structural integ-rity of the gills,which suggests that normal physiological functions of juvenile cobia can be affected by low temperature signifi-cantly.Keywords:Rachycentron canadum;Low temperature stress;Gill;Antioxidant enzyme;Apoptosis;Organization structure温度对于鱼类生长、发育和繁殖等生命活动产生直接影响。据报道，水温骤降导致的低温胁迫对鱼类增养殖业造成的不良影响呈加剧趋势1-3。已有研究表明，水温骤降会导致动物机体产生氧化应激反应4，鱼类可通过激活抗氧化酶活性、释放神经递质和激素等生理过程的调控，减少低温胁迫对其机体造成的氧化损伤5。鱼类含酶和非酶抗氧化防御系统在应对低温胁迫的过程中发挥着关键作用6，例如，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)作为具有抗氧化防御功能的重要酶，可有效清除活性氧(ROS)，将细胞内的 ROS 浓度维持在正常生理水平7。研究表明，低温胁迫下绿腹丽鱼(Etroplus suratensis)8和七彩神仙鱼(Symphysodon spp.)9通过提高SOD、CAT 和 GSH-Px 活性来激活鳃组织的抗氧化反应，降低机体损伤程度。然而，当水温降低程度超出鱼类应对能力范围时，机体内线粒体的ROS 产生和清除间的动态平衡被打破，导致ROS 水平迅速或缓慢升高10-11。ROS 过量累积导致线粒体损伤，进而诱导细胞凋亡12。细胞凋亡是细胞主动发生的程序性死亡，涉及凋亡相关基因的激活、表达和调控，维持组织结构及细胞内环境的稳定13-14。细胞凋亡机制复杂，目前已知的细胞凋亡途径主要有线粒体途径、内质网途径以及死亡受体途径15。研究表明，低温胁迫下水生动物可通过线粒体途径介导细胞凋亡，其主要涉及 bcl-2 和 caspase 基因家族调控16-17。当应激超出细胞应对能力时，细胞线粒体内膜和外膜通透性发生变化，bcl-2 家族中抗凋亡基因(bcl-2、bcl-xl)和促凋亡基因(bax、bad、bid)相互作用调节细胞色素 C 从线粒体释放到细胞质18。在细胞质中，细胞色素 C 与 Apaf1 和 dATP 结合，从而激活 caspase-9，随后激活“执行者”caspase-3，诱发caspase 家族级联反应，最终导致细胞凋亡19。此外，低温环境引发的细胞和组织的生理生化反应，可能会导致组织结构和功能发生变化20。据报道，鱼类处于低温环境下可能会造成鳃组织结构损伤21。例如，尼罗罗非鱼(Oreochromis niloti-cus)3、鲤(Cyprinus carpio L.)22和花鲈(Lateolab-rax maculatus)23通过鳃小片增生、肥大等，增加外界刺激与机体血液间的距离来响应低温胁迫，恶劣的低温环境会使鳃组织出现上皮破裂脱离、细胞空泡化等不可逆损伤，导致机体缺氧死亡24。军曹鱼(Rachycentron canadum)因具有饲料转化率高、生长速度极快、肉质鲜美等特点，已在中国、越南、澳大利亚和美国等多个国家开展人工养殖25-26。然而，作为一种暖水性经济鱼类，军曹鱼对低温较为敏感，其适宜生长水温为 2532，水温低至 21 时摄食量明显降低，18 时静止于水底27。寒潮来临时，水温降低且通常持续时间较长，不利于军曹鱼的生长及生存，造成经济损失。目前关于低温胁迫对军曹鱼影响的研究主要集中在血清生理生化水平28、肝组织脂代谢29和氧化防御28等方面。鳃作为鱼类气体交换、渗透压调节和离子转运的重要器官，与外界环境直接接触且接触面积较大，水温变化会影响鳃组织状态23；因此与其他组织器官相比，鳃组织对于水温变动更为敏感30-32。因此，阐明低温胁迫对鳃组织的影响对于揭示军曹鱼应对低温胁迫的响应机制具有重要意义。本文通过研究军曹鱼鳃组织在低温胁迫下的氧化应激指标，细胞凋亡和凋亡相关基因的表达及组织结构的变化，旨在揭示低温胁迫对其第 3 期李 豫等:低温胁迫对军曹鱼幼鱼鳃组织抗氧化能力、细胞凋亡和组织结构的影响69幼鱼鳃组织功能和结构完整性的影响，为研究军曹鱼低温适应调控机理提供基础数据。1 材料与方法 1.1 实验材料及实验设计军曹鱼幼鱼由广东海洋大学海洋生物研究基地提供，在广东恒兴饲料股份有限公司 863 基地的室内 24 h 流水养殖系统