热变异调控中华大蟾蜍代谢可塑性的海拔差异及其对气候变暖的启示

本文通过实验生态学方法，揭示了时空热变异交互调控两栖动物代谢可塑性的新机制。研究发现高海拔种群静息代谢率（RMR）可塑性降低且受热变异抑制，而最大代谢率（MMR）可塑性无海拔差异但受温度驯化调控。研究创新性地发现代谢底物选择依赖先验热经历，为理解全球变暖下生物宏观生理响应提供了重要理论依据。

　　

热变异调控中华大蟾蜍代谢可塑性的海拔差异研究

引言

地球气候的快速变化对生物多样性产生深远影响。面对气候变化，物种或种群的生存取决于其通过迁移、遗传适应或驯化等方式缓解热胁迫的能力。对于扩散能力有限且遗传适应过程缓慢的变温动物而言，生理可塑性是应对全球变暖的关键机制。由于历史热环境驱动的选择塑造了生理可塑性，阐明不同地理区域生理可塑性的变异模式至关重要。

代谢率作为重要生理特征，表现出对环境变化的表型可塑性。气候变异假说（CVH）认为，沿海拔和纬度梯度的气候变异会导致生理耐受性和适应性的类似适应。然而，已有研究表明，与淡水动物相比，来自热稳定环境（热带）的陆生动物比来自变异环境（温带）的动物具有更强的代谢驯化能力。目前尚不清楚这一模式是否适用于其他空间热梯度（如海拔、城市化）。

在当前全球变暖背景下，时间热变异除了区域尺度热变异外，也影响代谢可塑性和个体适合度。有益驯化假说（BAH）认为，生物在稳定温度期后经历热变异阶段时，其性能可能下降，因为它们需要时间适应新的热环境。然而，能够快速驯化的生物可能减少这种不利时期。相反，在“样样通，样样精”框架下，先前的热变异可能对后续长期温度暴露期间的性能产生有益影响。尽管已有研究关注生物本身的代谢性能，但对这些性能特征可塑性的研究仍较缺乏。

静息代谢率（RMR）和最大代谢率（MMR）分别代表基础稳态功能和运动、消化、繁殖、体温调节等多重生理过程的最小和最大能量需求。RMR代表了维持支持MMR所需代谢装置的成本，因此这两个代谢变量通常呈正相关。然而，近期研究发现它们在不同个体间无关联，且不与相同的线粒体功能特征相关。它们对热变异的响应也不同：随着温度升高，其代谢下限（RMR）比上限（MMR）更具可塑性，但也观察到相反模式。这些发现表明代谢下限和上限受不同生理过程控制。

中华大蟾蜍（Bufo gargarizans）是广泛分布于东亚的生态广布种，其分布范围从海平面延伸至青藏高原。先前移植实验发现，幼蟾能量代谢相关功能类别基因表达具有高度可塑性，提示代谢可塑性对该物种的高海拔热适应可能很重要。近期研究也表明，高海拔成蟾的RMR驯化能力低于低海拔个体，证实高海拔更大的温度变异确实有利于整体水平上可塑性较低的表型。然而，该研究未区分主动和被动可塑性。

材料与方法

实验于2022年繁殖季在横断山脉西部三个地点采集60只成年雄性中华大蟾蜍。低海拔种群（LA）采集自海拔1440米的磨西古镇，高海拔种群（HA）采集自海拔3086米的玉模路和3271米的康定墓地。两地直线距离不超过50公里，共享同一河谷。气象数据显示LA种群月均温比HA种群高5°C。

所有蟾蜍运至中国科学院成都生物研究所实验室后，单独饲养于塑料容器中，维持12小时光暗周期。实验期间投喂沾钙粉的蟋蟀和面包虫。为避免热应激，所有蟾蜍先置于10°C环境，随后以每2天1°C的速率升温至21°C驯化温度。

驯化方案采用个体内设计。初始23天适应期后，将每个海拔种群蟾蜍按体重排序后交替分配至15°C和21°C两种热设置中驯化30天。这两个温度分别模拟共同园环境中春季和夏季的热环境。随后在55天内测量所有个体的RMR和MMR。完成首轮代谢测量后，将21°C驯化组转入15°C驯化30天，15°C驯化组转入21°C驯化30天。温度过渡期同样采用每2天1°C的渐变规则。切换驯化结束后再次测量所有蟾蜍的RMR和MMR。该设计使初始驯化于15°C的蟾蜍组经历了更大的热变异。

采用TSE自动流通式呼吸测量系统测定代谢率。每个种群30只蟾蜍在10°C、15°C、20°C、25°C和30°C五个测试温度下随机顺序测量RMR和MMR。每次实验前禁食5天，测量后休息5天。RMR测量持续5小时，取八个循环中最低稳定氧耗值的180秒平均值。MMR通过电动旋转装置诱导运动至氧耗曲线平台期，以最高持续3分钟氧耗值为代表。根据平均体重进行异速生长校正，计算净有氧范围（NAS）和呼吸商（RQ）。

数据分析采用单变量线性模型检测海拔（Elev）、驯化温度（Ta）、驯化顺序（SE）、测试温度（Tt）、测试顺序（Se）、实验轮次和体重对RMR、MMR、NAS和RQ的影响。使用“MCMCglmm”包进行双变量混合模型分析个体间RMR与MMR的协变。所有连续变量进行标准化处理，通过DIC准则和逐步后退法简化模型。

结果

体重在整个实验期间持续增加，表明蟾蜍体况维持良好。低海拔蟾蜍在21°C驯化下的体重显著高于15°C驯化，且这种差异随驯化热变异增加而增大。高海拔蟾蜍体重不受驯化温度和热变异影响。测试温度升高也引起体重轻微增加。

RMR随测试温度升高而增加，低海拔种群的增加速率更高。仅低海拔蟾蜍对冷驯化（15°C）敏感，且这种增加在先21°C后15°C驯化的蟾蜍中更显著。体重与RMR无关联，RMR条件重复性为0.274。

低海拔蟾蜍MMR总体高于高海拔个体。21°C驯化下MMR对测试温度升高的敏感性高于15°C驯化。每轮测量中测试温度顺序对MMR有负效应。MMR与体重显著相关，条件重复性为0.396。个体间水平RMR与MMR无相关性（0.028），而个体内水平相关性显著（0.360）。

对于先21°C后15°C驯化的蟾蜍，NAS热敏感性在21°C驯化下始终高于15°C驯化。先15°C后21°C驯化的蟾蜍无论海拔高低，冷热驯化间NAS热敏感性无差异。

在先21°C后15°C驯化顺序下，冷驯化RQ（1.06±0.04）高于热驯化（0.81±0.07）。而先15°C后21°C驯化顺序下，两种驯化条件RQ相似（1.05±0.08 vs 1.00±0.08）。RQ与测试温度顺序负相关。

讨论

本研究通过实验方法揭示了时空热变异如何调控变温动物代谢可塑性沿海拔梯度的变异。研究发现RMR驯化能力受热变异和海拔的交互影响：低海拔代谢可塑性高于高海拔，但这种变异被先验热暴露强烈抑制。与RMR不同，MMR不受海拔或先验热变异影响，但热驯化显著增强其热敏感性。重要的是，热变异也显著改变了代谢底物利用类型。

中华大蟾蜍RMR驯化能力的海拔变异反映了变温动物普遍的纬度模式，表明热变异塑造了跨空间梯度的代谢热可塑性。可变热条件下RMR可塑性的丧失表明其相关成本（如线粒体ATP生成增加导致的ROS产生）可能超过适合度收益，有利于固定表型的进化。与纬度梯度相比，中华大蟾蜍RMR驯化能力沿海拔下降更快，在3000米处完全抑制。类似抑制也见于类似海拔的热带无尾类，提示即使存在基因流，沿海拔梯度的适应性代谢分化也可能更快。

时空热变异对代谢可塑性的影响支持有益驯化假说，但否定“样样通，样样精”框架。全球变暖背景下，生存不仅取决于生物性能，更取决于性能可塑性，尤其对低海拔/低纬度物种。时空热变异的交互影响也体现在体况上：低海拔经历先验热变异的个体比未经历个体质量更大，表明维持代谢能力对平衡能量预算至关重要。

与RMR不同，蟾蜍MMR仅对急性温度变化敏感，支持“可塑地板与混凝土天花板”假说。RMR和MMR的差异响应也提示它们可能独立进化。有趣的是，热驯化后MMR热敏感性在高低海拔种群均增加，若该模式可推广，则可能代表气候变暖威胁变温动物种群恢复力的潜在机制。

研究发现蟾蜍仅当驯化前经历稳定热条件时，冷热驯化间RQ才存在差异，表明时间热变异同时扰乱能量支出过程和代谢底物利用，可能改变食物选择。冷驯化下0.81的低RQ提示冷季偏好脂质代谢，而热驯化下1.08的高RQ表明暖季转向碳水化合物代谢，支持快速高强度活动。这种热环境依赖的底物利用与其他无尾类季节性体成分变化一致。

研究局限在于采样样带缺乏重复，无法完全排除可塑性变异仅源于种群分歧的可能性。当前研究模式与既往研究一致支持结论。研究仅包含两个海拔组，缺乏中间海拔样本，限制了对代谢差异是渐进梯度响应还是阈值效应的判断。

本研究为理解全球变暖背景下生物宏观生理响应提供了新视角，强调了时空热变异交互作用对代谢可塑性的重要调控作用，对预测气候变化下物种适应潜力具有重要启示。