南方鲇适应季节温度变化的代谢补偿的研究

摘要

本研究以温带广温性鱼类南方鲇(Silurus meridionalis Chen)为研究对象,为检验其适应季节温度变化的代谢补偿效应,并探讨季节驯化中鱼体组织线粒体水平的调节机制,进行了四个系列的实验。实验一:检验季节驯化对南方鲇的代谢补偿在个体水平与在肝脏线粒体水平之间是否存在一致性。实验二:比较研究南方鲇不同器官组织间线粒体代谢功能的差异及其对急性温度变化的反应。实验三:比较研究季节驯化中南方鲇的心脏、肾脏、肝脏、脑和白肌等5个器官组织线粒体代谢能力的变化,检验实验鱼体所产生的代谢补偿效应的组织特异性。实验四:检测在恒定光周期条件下实验室温度驯化对南方鲇心脏、肾脏和肝脏组织线粒体代谢能力的影响。实验一所取得的主要结果如下:
　　 1.在12.5、17.5、22.5、27.5和32.5℃条件下,南方鲇静止代谢率冬季组都高于夏季组,但仅在32.5℃下差异达到显著(p＜0.05)。冬、夏季组实验鱼体的静止代谢率(Ms:mgO2/H/kg)均分别与温度(T:℃)呈双对数直线相关(lnMs=a+blnT);协方差分析表明,冬、夏季组的静止代谢与温度回归方程的斜率b值之间的差异及截距a值之间的差异均不显著。该现象表明季节驯化中南方鲇个体水平的代谢补偿作用甚微。
　　 2.在12.5、17.5、22.5、27.5和32.5℃条件下,冬季组肝脏线粒体的状态3呼吸率均高于夏季组,统计检验表明,季节组之间的差异在22.5℃和27.5℃下不显著,在其它实验温度条件下,冬季组的状态3呼吸率均显著高于夏季组(p＜0.05)。该指标(Mp:nmolO2/min/mg)与温度(T:℃)呈双对数直线相关(lnMs=a+blnT);协方差分析表明,两个季节组的回归方程的斜率b值之间的差异不显著,但a值之间的显著差异(p＜0.05)。该现象表明季节驯化中南方鲇肝脏线粒体水平的代谢补偿作用明显。
　　 3.冬季组南方鲇的肝指数(HIS)显著高于夏季组(p＜0.05),但肝脏线粒体蛋白含量在冬、夏季节组之间无显著差异。
　　 4.在5个测定温度条件下,冬季肝脏器官的线粒体总耗氧率均高于夏季组,除在22.5℃条件下季节差异不显著外,在其它实验温度条件下,冬季组的值均显著高于夏季组(p＜0.05)。对其(Mo:nmolO2/min)与温度(T:℃)回归关系(lnMo=a+blnT)的统计分析表明,不同季节组回归方程的斜率b值之间的差异不显著,但a值之间的差异显著(p＜0.05)。结果3与结果4的现象表明季节驯化中由于鱼体内线粒体水平的代谢补偿效应与器官质量的补偿效应的叠加,其肝脏器官水平的代谢补偿作用进一步增强。
　　 实验二所取得的主要结果如下:
　　 5.肝脏和脑的线粒体蛋白含量显著高于其它3种组织(p＜0.05);肾脏显著高于心脏和白肌(p＜0.05);肝脏和脑之间的差异不显著,心脏和白肌之间的差异也不显著。在27.5℃条件下,心脏的柠檬酸合酶(CS)活性显著高于其它4种组织(p＜0.05),肝脏、肾脏和脑之间该值差异不显著,但都显著高于白肌(p＜0.05)。
　　 6.心脏线粒体状态3呼吸率、状态4呼吸率和细胞色素C氧化酶活性(CCO)显著高于其它4种组织(p＜0.05),白肌则要显著低于其它4种组织(p＜0.05),肾脏和肝脏之间差异不显著,但均显著高于脑(p＜0.05)。
　　 7.在南方鲇的生存环境温度的自然波动范围内(12.5.32.5℃),实验鱼体的心脏、肝脏、肾脏、脑和白肌5种组织的线粒体状态3呼吸率均随着温度的升高而增加;各个组织线粒体呼吸控制值(RCR)多数在4以上。但在超出该范围的实验检测温度的低端(7.5-10℃)和高端(35.37.5℃),各组织线粒体呼吸RCR值多数小于4。
　　 实验三所取得的主要结果如下:
　　 8.冬季实验鱼心脏、肝脏、肾脏和脑的器官指数均显著高于夏季组(p＜0.05),但线粒体蛋白含量和CS活性仅在心脏中有季节间的差异(p＜0.05)。
　　 9.在12.5、17.5、22.5、27.5和32.5℃条件下,冬季组实验鱼体的心脏、肾脏和肝脏的线粒体状态3呼吸率和CCO活性均高于夏季组;脑和白肌的这两种指标在冬夏季节组之间差异不显著。
　　 10.在12.5、17.5、22.5、27.5和32.5℃条件下,冬季组心脏和肝脏器官总耗氧率均分别显著高于夏季组(p＜0.05);除22.5℃条件下的肾脏器官线粒体总耗氧率在季节组之间的差异不显著外,在其余4个检测温度条件下,冬季组肾脏器官的该指标均显著高于夏季组(p＜0.05);而脑器官总耗氧率在各温度条件下的季节之间的差异均不显著。
　　 11.在7.5-37.5℃范围内,冬季组心脏、肝脏和肾脏组织线粒体CCO活性的温度曲线均在32.5℃出现了随温度升高而降低的拐点;而夏季组心脏和肾脏的拐点在35℃出现,肝脏的CCO活性在37.5℃时仍呈上升趋势。脑和白肌组织线粒体CCO活性的温度曲线在冬夏两季均未出现拐点温度。
　　 实验四所取得的主要结果如下:
　　 12.恒定光周期条件下,实验室低温驯化组(12.5℃)实验鱼的心脏、肝脏和肾脏的器官指数均显著高于高温驯化组(27.5℃)(p＜0.05),但各组织线粒体蛋白含量和CS活性在不同温度驯化组之间均无显著性差异。
　　 13.12.5、20和27.5℃条件下,低温驯化组实验鱼的心脏、肾脏和肝脏组织线粒体状态3呼吸率均高于高温组,但只有心脏在12.5和27.5℃条件下的温度驯化组之间的差异达到显著(p＜0.05);心脏、肾脏和肝脏线粒体CCO活性在温度驯化组之间差异不显著。
　　 14.12.5、20和27.5℃条件下,低温驯化组的肾脏和肝脏器官线粒体总耗氧率均显著高于高温驯化组(p＜0.05);低温驯化组心脏的器官总耗氧率在所有测定温度下均高于高温驯化组,在20和27.5℃条件下两组间的差异达到了显著(p＜0.05)。
　　 通过讨论本研究得出以下结论:
　　 1.南方鲇不同器官组织间线粒体含量,代谢能力存在较大的差异。心脏表现出高含量、高代谢能力和低的耐受高温能力;白肌为低含量、低代谢能力和低的耐受低温能力;肝脏、肾脏和脑表现为中等含量、中等活性和较高的耐受极端温度能力。
　　 2.南方鲇经季节驯化后,在肝脏线粒体水平和肝器官水平均产生代谢补偿作用,而在整体代谢水平没有出现补偿效应,表明季节驯化对南方鲇代谢机制的调节程度在不同的组织结构水平是不一致的。
　　 3.在季节驯化中,南方鲇的心脏、肝脏和肾脏产生了明显的代谢补偿效应,而脑和白肌组织的线粒体没有明显的补偿效应。本研究的结果验证了季节驯化中该种鱼代谢补偿的适应性调节机制存在着器官组织特异性,这应当也是季节驯化作用的强度在鱼体不同的组织结构水平存在不一致性的原因。
　　 4.季节驯化作用改变了南方鲇器官组织线粒体代谢对极端温度的耐受能力:夏季高温驯化提高了器官组织线粒体代谢的耐受上限温度,冬季低温驯化增强了器官组织线粒体代谢的耐受下限温度。
　　 5.温度因子的变化对南方鲇代谢补偿的产生具有明显的诱导作用;但在季节驯化过程中,温度并非是唯一的影响因子,光周期因素对于线粒体代谢机制的调控应当具有重要的协同作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 前言

1.1 季节驯化及代谢补偿

1.2 线粒体的结构及代谢功能

1.3 线粒体代谢实验研究的主要指标

1.4 影响线粒体代谢的主要因素

1.4.1 组织间差异

1.4.2 种间差异

1.4.3 体重对线粒体代谢的影响

1.4.4 食物条件的影响

1.4.5 温度急性变化的影响

1.5 进化适应型的代谢补偿机制—不同纬度近缘种的比较研究

1.5.1 线粒体含量的改变

1.5.2 线粒体氧化能力的改变

1.5.3 线粒体膜的组成及性质的改变

1.5.4 质子漏速率的改变

1.5.5 酶活力的改变

1.6 表型适应型的代谢补偿机制—季节温度驯化效应

1.6.1 线粒体数量的调整

1.6.2 线粒体结构及组成的调整

1.6.3 线粒体氧化能力的调整

1.6.4 线粒体氧化酶活性的调整

1.6.5 ABT值的变化

1.7 温度驯化对鱼个体代谢的影响

1.8 在季节温度驯化中鱼体器官水平的代谢补偿机制

1.9 光周期的季节变化对代谢补偿效应的调控作用

1.10 线粒体代谢补偿效应的分子遗传学学调节机制

1.11 本研究的目的和意义

第2章 季节驯化中南方鲇个体及其肝脏线粒体、肝脏器官的代谢补偿

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 实验鱼来源与驯养

2.2.2 静止代谢率测定

2.2.3 线粒体的制备

2.2.4 线粒体呼吸的测定

2.2.5 数据统计分析

2.3 结果

2.3.1 季节驯化对南方鲇静止代谢的影响

2.3.2 季节驯化对南方鲇肝脏线粒体呼吸率的影响

2.3.3 季节驯化对南方鲇肝指数(HIS)及肝脏线粒体蛋白含量的影响

2.3.4 季节驯化对南方鲇肝脏器官线粒体总耗氧率的影响

2.4 讨论

第3章 南方鲇不同组织间线粒体代谢的比较研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 实验鱼来源与驯养

3.2.2 组织线粒体制备

3.2.3 组织线粒体呼吸率的测定

3.2.4 组织线粒体细胞色素C氧化酶(CCO)活性测定

3.2.5 柠檬酸合酶(CS)活性的测定

3.2.6 数据处理方法

3.3 结果

3.3.1 线粒体蛋白含量和CS活性

3.3.2 不同组织中线粒体呼吸率

3.3.3 不同组织中线粒体CCO活性

3.3.4 测定温度对不同组织线粒体呼吸率的影响

3.3.5 测定温度对不同组织中线粒CCO的活性影响

3.4 讨论

3.4.1 不同组织中线粒体含量的差异

3.4.2 不同组织中线粒体代谢能力差异。

3.4.3 温度对各组织线粒体代谢的影响

第4章 季节驯化中南方鲇不同器官组织线粒体的代谢补偿反应

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验鱼来源与驯养

4.2.2 组织线粒体制备

4.2.3 组织线粒体呼吸率的测定

4.2.4 组织线粒体细胞色素C氧化酶(CCO)活性测定

4.2.5 柠檬酸合酶(CS)活性的测定一

4.2.6 数据处理方法

4.3 结果

4.3.1 各器官组织的相对重量

4.3.2 线粒体蛋白含量和柠檬酸合酶(CS)活性

4.3.3 线粒体呼吸率

4.3.4 各器官组织的线粒体总耗氧率

4.3.5 各器官组织线粒体的细胞色素氧化酶(CCO)活性

4.3.6 CCO活性随急性温度改变的变化趋势

4.4 讨论

第5章 恒定光周期下温度驯化对南方鲇线粒体代谢的影响

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 实验鱼来源与驯养

5.2.2 组织线粒体制备

5.2.3 组织线粒体呼吸率的测定

5.2.4 组织线粒体细胞色素C氧化酶(CCO)活性测定

5.2.5 柠檬酸合酶(CS)活性的测定

5.2.6 数据处理方法

5.3 结果

5.3.1 各器官组织的相对重量

5.3.2 线粒体蛋白含量和CS活性

5.3.3 线粒体呼吸率

5.3.4 器官的线粒体总耗氧率

5.3.5 CCO活性

5.4 讨论

参考文献

致谢

在学期间发表的论文