信号动态：探究5α- Cyprinol Sulfate (CPS) 诱导昼夜垂直迁移的季节性周转及其生态意义

《Freshwater Biology》：Signals in Flux: Investigating the Seasonal Turnover of the Diel Vertical Migration-Inducing Kairomone 5α-Cyprinol Sulfate

本文系统研究了鲤科鱼类释放的化学信息素5α- Cyprinol Sulfate (CPS) 在自然水体中的动态周转机制，通过实验与模型揭示了温度依赖的排泄与微生物降解过程。研究发现CPS浓度（40–900 ng/L）并非稳定反映捕食者数量，而是动态表征鱼类摄食活动与微生物降解的平衡，深刻影响浮游动物的行为防御（如DVM）与淡水食物网的级联效应。

　　

引言

化学信号驱动水生生态互作，塑造群落结构与生态系统功能。浮游动物^Daphnia作为关键初级消费者与鱼类饵料，演化出包括昼夜垂直迁移（DVM）在内的多种诱导防御机制。鲤科鱼类释放的5α- Cyprinol Sulfate (CPS) 是近年鉴定的关键信息素，可诱导^Daphnia防御性状。CPS作为低分子量（<500 Da）、中等极性阴离子化合物，在极端pH（0.8–14.0）与温度（-20°C至+120°C）下表现高稳定性，其两亲性理论上允许形成胶束，增强在水体中的分散与稳定性。然而，CPS在自然水体中的潜在降解机制尚未明确，微生物与光化学过程可能起重要作用。温度通过影响鱼类代谢与微生物活动，成为调控CPS周转的关键因子。本研究通过整合实验、野外观测与建模，旨在揭示CPS动态的驱动机制。

材料与方法

原位评估CPS降解

2024年6月从Reeser Meer Nord Erweiterung (RMNE) 与Fühlinger See (FS) 湖泊的透光层（1–2 m）采集水样。水样经250 μm浮游生物网过滤后，分装为灭菌对照组与未处理组（NA），在18°C下培养。每24小时取200 mL样品，经1.6 μm玻璃纤维滤膜过滤后，添加内标胆固醇硫酸酯（100 ng），进行固相萃取（C18-SPE）。连续4天监测CPS浓度，拟合指数衰减曲线计算降解速率常数（k）。

CPS排泄速率评估

将个体罗非鱼（^{Rutilus rutilus}）置于20 L暗化水族箱，18°C下 acclimatize 3天使消化道排空。按体重喂食摇蚊幼虫（1/6日粮），转移至新鲜水中孵育20小时后取水样，经SPE处理后质谱定量CPS。

季节性CPS浓度监测

2023年3月至9月每月采集RMNE湖表水，过滤后添加内标，4°C暂存后经SPE处理，UHPLC-Q-Exactive HF质谱分析。使用两种梯度程序（Gradient A与B）进行代谢物分离，负/正离子模式同步检测。

固相萃取与质谱分析

C18-SPE柱经甲醇活化后，以50 μL/s流速上样，1%甲醇洗涤后100%甲醇洗脱。真空离心干燥后复溶于200 μL甲醇进行质谱分析。校准曲线以内标胆固醇硫酸酯为基准。

温度依赖性CPS释放模型

基于Q10缩放整合排泄与降解过程：排泄速率E = E_ref × Q10_exudation^{(温度-T_ref)/10} × 食物摄入；降解速率D = D_ref × Q10_degradation^{(温度-T_ref)/10}。净释放CPS_{net release} = E/D。参考值E_ref = 63.68 ng/h·g食物，D_ref ≈ 0.0778 h^-1，Q10_exudation = 2.4（基于鱼类代谢），Q10_degradation ≈ 2（基于细菌增殖）。

浮游动物采样

2023年每月在RMNE湖中日间（10:00–15:00）与夜间（21:00–23:00）采集5个表底层样品，Schindler-Patalas陷阱（10 L，200 μm网孔）取样，蔗糖-乙醇溶液固定后经ZooScan系统与PkID软件分析^Daphnia丰度。

数据分析

R 4.2.0中使用线性混合效应模型分析CPS降解，线性回归评估排泄与食物摄入关系，Q10缩放预测温度效应，ggplot2可视化。

结果

CPS降解动力学

对照组中CPS浓度无显著变化（FS: k = -0.0002, p = 0.9286；RMNE: k = 0.0025, p = 0.4826）。NA处理中FS湖降解常数k = 0.043 h^-1（p < 0.01），每小时衰减4.21%（日衰减64.4%，半衰期16.1 h）；RMNE湖k = 0.081 h^-1（p = 0.0021），每小时衰减7.78%（日衰减85.7%，半衰期8.6 h）。温度升高加速降解，15°C至25°C时FS湖每小时降解率从3.4%增至6.7%（半衰期19.8 h至9.9 h），RMNE湖从6.4%增至12.3%（半衰期10.5 h至5.3 h）。初始浓度估算显示RMNE湖（1651.21 ng/L）显著高于FS湖（325.82 ng/L, p = 0.0069）。

CPS排泄与食物摄入关系

排泄实验表明CPS排泄量（μg/鱼）与食物量（g）线性相关（p < 0.001），鱼类体型无显著影响（p = 0.268）。简化模型为y = -0.8164 + 64.4952x（x为食物量），每克食物增加排泄约64.5 ng/h·鱼。

季节性动态

RMNE湖CPS浓度3月与9月低于检测限，8月达峰值900 ng/L。水温从3月升至8月25°C，透明度（Secchi深度）呈反向趋势。^Daphnia丰度3月未检出，4月0.3 Ind/L，5月37.1 Ind/L，6月峰值80 Ind/L，7月5 Ind/L，8月2.3 Ind/L，9月回升至54.2 Ind/L。模型预测排泄量从3月至8月渐增，9月下降。

讨论

微生物降解主导CPS周转

灭菌对照组无降解证实微生物作用。RMNE与FS湖半衰期差异反映微生物群落组成或环境条件变异，RMNE更快的降解可能源于特化微生物群落利用CPS作为碳源并缓解其两亲性毒性。高初始浓度可能通过底物诱导酶活化刺激微生物活动。

温度调控降解速率

Q10模型显示温度升高显著加速降解，细菌碳降解活性是关键驱动。15°C至25°C时RMNE湖降解率倍增，半衰期减半，表明CPS在自然水体中为短暂信号而非稳定存在。

排泄与摄食活动直接关联

CPS排泄与食物摄入线性相关，独立于鱼类体型，挑战传统代谢缩放理论。胆汁盐作为肠道脂质乳化剂，其排泄受摄食频率而非代谢约束驱动。季节性浮游动物波动通过影响鱼类摄食率塑造CPS排泄模式。

季节性互作与环境效应

CPS浓度峰值（8月）与水温峰值、透明度低谷重合，表明鱼类高温下活动增强加剧对浮游动物的捕食压力，间接促进浮游植物增殖降低透明度。尽管^Daphnia丰度6月峰值时CPS浓度较低，提示鱼类食性转向其他猎物（如^Chaoborus或浮游植物）维持CPS排泄。

CPS快速周转与生态意义

日降解率高达85.7%但浓度稳定，反映排泄与降解间的动态平衡。CPS浓度不再单纯指示捕食者丰度，而是动态表征摄食活动与微生物降解的整合结果。阈值效应研究显示低至5.31 ng/L即可诱导^{Daphnia lumholtzi}形态防御，53 ng/L触发^{D. magna} DVM，4–17 μg/L诱导^{D. longispina} DVM，凸显CPS生态相关性。

模型进展与局限

温度依赖性模型成功预测RMNE湖CPS季节性趋势，但未能解释6月浓度下降，表明需整合食性转换、猎物可用性等因子。当前模型侧重长期月度变化，未来需纳入短期（日尺度）波动与更广生态互作以提升预测力。该框架亦有望通过CPS动态间接估算鱼类种群，弥补自然水体数据稀缺。

本研究通过多学科方法揭示了CPS作为化学信号的动态本质，强调温度与微生物活动在调控生态信号中的核心作用，为理解变化环境下捕食者-猎物互作与生态系统稳定性提供了新视角。