气候变暖、淡化和海洋酸化对北大西洋鳕鱼细胞代谢的综合影响：代谢组学揭示的能量代谢重构

《Scientific Reports》：Impact of climate change driven freshening, warming, and ocean acidification on the cellular metabolism of Atlantic Cod (Gadus morhua)

本研究针对气候变暖、海洋酸化和近岸水域淡化对海洋鱼类的复合胁迫效应，通过代谢组学技术系统分析了环境胁迫下大西洋鳕鱼（Gadus morhua）肝脏和肌肉组织的代谢响应。研究发现肝脏代谢比肌肉更敏感，氨基酸代谢普遍增强，特别是谷氨酰胺代谢在能量供应中起关键作用；变暖与酸化对AMP、ADP和NAD+浓度呈现拮抗效应。该研究揭示了未来气候变化下鱼类能量代谢的重构机制，为预测种群适应能力提供了生理学依据。

　　

随着全球气候变化的加剧，海洋生态系统正经历着前所未有的压力。海表温度持续上升，大气中二氧化碳分压的升高导致海洋酸化，而在近岸区域，日益增加的降水则引发了海水淡化。这些变化并非孤立发生，而是共同作用于海洋生物，尤其是那些栖息在近岸关键栖息地的物种。北大西洋鳕鱼（Gadus morhua）作为北大西洋海域重要的经济鱼种，其种群资源已经因过度捕捞而脆弱不堪。如今，它们又必须在沿岸育幼场直面这些复杂的环境胁迫。年轻鳕鱼的生存和生长状况直接关系到整个种群的补充和恢复潜力。然而，当前对于变暖、酸化和淡化这三种主要气候驱动因子如何共同影响鱼类生理，特别是深层次的细胞代谢过程，我们仍知之甚少。传统的生理指标（如呼吸速率）或许能反映整体的能量收支变化，但无法揭示细胞内错综复杂的代谢通路是如何被重塑的。为了填补这一知识空白，Peter Thor和Diana Perry的研究团队决定深入到代谢分子的层面，去探寻气候变化胁迫下鳕鱼细胞的真实反应。

为了揭示气候变化对大西洋鳕鱼代谢的深层影响，研究人员采用了靶向代谢组学这一关键技术。他们从瑞典西海岸采集了幼年鳕鱼，在受控实验室条件下设置了对照、淡化、变暖、海洋酸化和三者复合（All）共五种处理进行为期四周的暴露实验。实验结束后，迅速采集肝脏和肌肉组织，经液氮冷冻后运至专业实验室。利用高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）技术，研究人员对涉及能量代谢的49种关键代谢物进行了精确定量，涵盖了糖酵解、三羧酸循环（TCA cycle）、能量载体以及氨基酸等。后续的数据分析包括多元统计（如PLS-DA）、代谢通路富集分析（Metabolite Set Enrichment Analysis, MSEA）和代谢通路分析（MetPA），以系统揭示代谢物浓度变化背后的生物学通路改变。

代谢物基础浓度与组织差异

在对照组的鳕鱼组织中，葡萄糖和乳酸是糖酵解相关代谢物中浓度最高的，而苹果酸和琥珀酸则是三羧酸循环代谢物中的主要成分。在蛋白质源性氨基酸中，丙氨酸、谷氨酸和甘氨酸的浓度最高。比较肝脏和肌肉组织发现，肌肉中能量载体、糖酵解和三羧酸循环代谢物的浓度普遍高于肝脏。然而，谷氨酸浓度在肝脏中显著高于肌肉，凸显了肝脏在氨基酸代谢中的核心地位。

气候变化胁迫下的代谢物浓度变化

多元统计分析显示，除淡化处理外，变暖、海洋酸化和复合处理均能引起肝脏和肌肉代谢物整体结构的显著改变。

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  变暖的影响：变暖导致肝脏中大多数能量载体、糖酵解和三羧酸循环代谢物上调，但果糖-1,6-二磷酸（fructose 1,6-bisphosphate）显著下调。肝脏中谷氨酰胺和缬氨酸浓度显著上升，而肌肉中大多数氨基酸浓度下降。
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  淡化的影响：淡化引起的代谢变化模式与变暖相似，但程度较轻。肝脏中丙酮酸浓度显著上升，氨基酸普遍下调。
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  海洋酸化的影响：海洋酸化导致肝脏中葡萄糖和乳酸浓度显著上升，但果糖-1,6-二磷酸显著下调。肝脏中所有蛋白质源性氨基酸浓度均下降，其中谷氨酰胺下降显著。β-丙氨酸浓度在肝脏中显著上升。
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  复合胁迫的影响：在三种胁迫因子共同作用下，肝脏中果糖-1,6-二磷酸显著下调，而琥珀酸在肝脏和肌肉中均显著上调。肝脏中几乎所有蛋白质源性氨基酸浓度都下降，肌肉中甘氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸显著下调。肌肉中ATP浓度显著上升。

受影响的代谢通路

通路富集分析表明，气候变化胁迫显著影响了鳕鱼的多条代谢通路。

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  变暖：在肝脏中富集了糖酵解/糖异生、三羧酸循环、丙酮酸代谢以及多种氨基酸代谢通路。在肌肉中，三羧酸循环、丙酮酸代谢以及β-丙氨酸和精氨酸代谢通路受到影响。
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  淡化：在肝脏中影响了多种氨基酸代谢、苯丙氨酸/酪氨酸/色氨酸生物合成以及三羧酸循环。
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  海洋酸化：在肝脏中影响了糖酵解、三羧酸循环、丙酮酸代谢、多种氨基酸代谢、烟酸/烟酰胺代谢和β-丙氨酸代谢。
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  复合胁迫：在肝脏和肌肉中均强烈影响了三羧酸循环和多种氨基酸代谢通路，苯丙氨酸/酪氨酸/色氨酸生物合成通路也在肌肉中富集。

研究结论与意义

本研究系统地揭示了大西洋鳕鱼在面对未来气候变化多重胁迫时，其细胞代谢所发生的深刻而复杂的变化。主要结论可归纳为以下几点：

首先，肝脏作为代谢中枢，其响应远比肌肉组织敏感和强烈，这与其在全身代谢调节、解毒和应激蛋白合成中的核心功能相符。其次，一个最显著的变化是 across all treatments（跨所有处理）的氨基酸浓度普遍下降，尤其是谷氨酰胺。通路分析显示，涉及氨基酸分解代谢的通路显著富集，而生物合成通路很少受影响，这强烈暗示在未来气候胁迫下，鳕鱼可能通过增强氨基酸的分解来获取能量。谷氨酰胺代谢的突出地位（其在肝脏氨基酸总变化中的摩尔贡献在变暖、酸化和复合处理中分别高达49%、16%和29%）进一步证实了氨基酸，特别是谷氨酰胺，作为重要能源的地位将更加凸显。

第三，变暖和海洋酸化均诱导肝脏中乳酸、葡萄糖浓度升高而果糖-1,6-二磷酸浓度降低，同时糖酵解/糖异生通路富集。这提示糖异生过程可能被激活，以为应对应激所需的酶等蛋白质合成提供前体（如核苷酸合成所需的核糖-5-磷酸）。然而，乳酸积累和果糖-1,6-二磷酸下降也可能意味着糖异生过程在某些环节受到抑制。

第四，研究发现了胁迫因子之间可能存在拮抗作用的证据。变暖通常增加能量需求，而酸化可能导致代谢抑制。本研究中，变暖使肝脏AMP、ADP浓度上升，而酸化使其下降，NAD⁺浓度也呈现相反趋势。但在复合处理中，这些变化均不显著，表明变暖带来的能量需求增加与酸化可能引起的代谢抑制在某种程度上相互抵消。

最后，海洋酸化和复合处理下肝脏和肌肉中琥珀酸的显著积累，可能暗示琥珀酸脱氢酶（SDH）活性受到抑制，或者与缓解氧化应激有关。

这项发表于《Scientific Reports》的研究的重要意义在于，它超越了传统生理生态学指标，从代谢组学的微观层面揭示了气候变化胁迫下鱼类的能量代谢重构机制。研究表明，未来的气候情景不仅会改变鱼类的整体能量消耗，更会引发其细胞内代谢网络的重新布线。这种深层次的生理变化很可能影响个体的生长、繁殖和抗逆能力，进而对已经脆弱的鳕鱼种群恢复潜力产生深远影响。该研究为准确预测气候变化下鱼类种群的命运提供了关键的生理学依据，强调了在制定渔业管理和保护策略时，必须充分考虑多重环境胁迫因子对生物体生理基础的复合效应。