饮食源硫胺素酶对两种湖鳟品系生存、生长及肝脏转酮醇酶活性的影响研究

《Journal of Great Lakes Research》：The effect of diet-derived thiaminase on survival, growth, and liver transketolase activity in two strains of lake trout ( Salvelinus namaycush)

本研究针对入侵性高硫胺素酶饵料鱼导致湖鳟（Salvelinus namaycush）硫胺素缺乏这一生态修复难题，通过比较具有不同硫胺素酶暴露史的Seneca品系（高暴露）与Slate Islands品系（低暴露）在摄食含细菌源性硫胺素酶实验饲料后的生理响应。研究发现，硫胺素酶饲料显著降低了湖鳟的生长速率（TGC）和饲料转化效率（FCE），并影响了生存率，且两种品系的肝脏转酮醇酶潜伏期均高于硫胺素缺乏阈值（>6%），表明实验条件可能诱发了普遍性硫胺素缺乏。研究结果为基于品系选择以缓解硫胺素缺乏效应、促进大湖區湖鳟种群恢复提供了关键实验依据。

　　

在北美五大湖区域，湖鳟（Salvelinus namaycush）的种群恢复一直面临着一个看似无形的障碍——硫胺素（维生素B₁）缺乏症。这种营养缺乏并非源于食物中硫胺素的绝对含量不足，而是与湖鳟摄食的特定饵料鱼有关。历史上，湖鳟主要以白鱼属（Coregonus spp.）鱼类为食，但生态系统的变化导致引入了新的优势饵料鱼，如美洲西鲱（Alosa pseudoharengus）和彩虹胡瓜鱼（Osmerus mordax）。这些入侵鱼类的体内含有较高活性的硫胺素酶（Thiaminase），这是一种能够分解硫胺素的酶。当湖鳟捕食这些鱼类后，硫胺素酶在其消化道内发挥作用，破坏了摄入的硫胺素，从而导致消费者出现硫胺素缺乏。这种缺乏会引发一系列严重后果，包括早期死亡综合征（EMS）、生长迟缓、繁殖失败以及神经系统和心血管功能异常等，严重阻碍了湖鳟的种群重建努力。

一个有趣的假设是，长期暴露于高硫胺素酶环境的湖鳟种群可能已经演化出一定的耐受性。例如，源自纽约塞内卡湖（Seneca Lake）的湖鳟品系（Seneca strain），其环境中美洲西鲱丰度较高，历史暴露于硫胺素酶的时间较长；而源自苏必利尔湖斯莱特群岛（Slate Islands）的品系（Slate strain），其环境中的美洲西鲱丰度较低，历史暴露程度也较轻。如果存在本地适应，那么Seneca品系可能对硫胺素酶具有更强的抵抗力。为了验证这一假设，并评估不同品系在应对硫胺素酶挑战时的潜力，由Christian A. Therrien等人组成的研究团队在《Journal of Great Lakes Research》上发表了他们的研究成果。

研究人员设计了一项严谨的对照实验。他们从安大略省自然资源部的孵化场获得了Seneca和Slate两个品系的幼年湖鳟，在一个共同的花园环境中进行饲养。实验的关键在于饲料：一组湖鳟投喂含有源自美洲西鲱内脏中分离的硫胺素酶产生菌——解硫胺素芽孢杆菌（Paenibacillus thiaminolyticus）的实验饲料（硫胺素酶饲料），另一组则投喂成分相同但不含该菌的对照饲料。实验持续了232天，期间密切监测湖鳟的生存率、生长情况（通过热单位生长系数TGC衡量）、饲料转化效率（FCE）等指标。在实验结束时，采集部分湖鳟的肝脏组织，测定其转酮醇酶（Transketolase）的活性。转酮醇酶是依赖硫胺素二磷酸（TDP）的酶，其“潜伏期”（Latency）是判断机体硫胺素是否缺乏的灵敏指标。潜伏期越高，表明硫胺素缺乏越严重（通常>6%即认为缺乏）。

研究主要采用了以下几种关键技术方法：1) 实验饲料制备：基于前人方法，精确配制含与不含解硫胺素芽孢杆菌的等营养组成饲料，并测定其硫胺素酶活性和硫胺素含量。2) 受控环境实验：将两个品系的湖鳟幼鱼在标准化的孵化场条件下（控制水温、溶氧、光周期）进行分组饲养，分别投喂两种实验饲料。3) 生理指标监测：定期测量个体体重和体长以计算热单位生长系数（TGC），根据投喂量计算饲料转化效率（FCE），并记录生存率。4) 生化分析：实验末期取肝脏样本，通过酶动力学方法测定转酮醇酶的基线活性和TDP补充后的活性，从而计算潜伏期，作为硫胺素缺乏的功能性指标。

3.1. 品系间初始性状比较

实验开始时，Slate品系的湖鳟比Seneca品系年长一个月，因此初始体重和体长均显著大于Seneca品系。然而，在经历了232天的实验后，尽管Seneca品系更年轻，其质量增加却显著多于Slate品系。饲料类型（对照 vs. 硫胺素酶）对质量增加没有显著影响，且品系与饲料之间不存在交互作用。

3.2. 生存率

生存分析显示，Slate品系湖鳟的死亡风险总体上比Seneca品系低16%。虽然投喂硫胺素酶饲料的湖鳟生存率有降低的趋势，但这一差异在统计上不显著。然而，品系与饲料之间存在重要的交互作用趋势：具体而言，在Seneca品系中，投喂硫胺素酶饲料的鱼其生存概率低于投喂对照饲料的鱼；而在Slate品系中，两种饲料之间的生存率没有显著差异。值得注意的是，Seneca品系投喂硫胺素酶饲料的多个水箱出现了较高的死亡率。

3.3. 热单位生长系数和饲料转化效率

无论哪个品系，投喂硫胺素酶饲料的湖鳟其生长速率（TGC）均显著低于投喂对照饲料的湖鳟。同时，Seneca品系的生长速率显著高于Slate品系。品系与饲料之间没有交互作用，表明硫胺素酶饲料对生长的负面影响在两个品系中是相似的。在饲料转化效率（FCE）方面，投喂硫胺素酶饲料的湖鳟其FCE显著低于投喂对照饲料的湖鳟。同样，Seneca品系的FCE显著高于Slate品系，且没有显著的品系与饲料交互作用。

3.4. 转酮醇酶活性

出乎意料的是，无论是基线转酮醇酶活性、TDP补充后的活性，还是计算得出的转酮醇酶潜伏期，在两个品系之间以及两种饲料处理之间均未发现显著差异。更值得注意的是，所有实验鱼（包括投喂对照饲料的鱼）的肝脏转酮醇酶潜伏期值都非常高，均超过了通常认为的硫胺素缺乏阈值（>6%）。此外，研究发现转酮醇酶潜伏期与生长速率（TGC）呈显著正相关，即生长越快的鱼，其潜伏期越高。基线转酮醇酶活性与生长速率呈显著负相关。

研究的讨论部分对上述结果进行了深入分析。硫胺素酶饲料对生长和饲料转化效率的负面影响与预期一致，证实了摄入硫胺素酶对湖鳟性能的损害。然而，关于生存率的结果却与基于“本地适应”的预测相反：历史暴露较少的Slate品系反而在硫胺素酶饲料下表现出更好的生存韧性。研究人员推测，这可能与Slate品系原栖息地的饵料鱼（如彩虹胡瓜鱼和cisco）本身富含高度不饱和脂肪酸（HUFAs）有关，使得该品系可能演化出更有效地代谢HUFAs而不过度消耗硫胺素的机制，或者对硫胺素缺乏的次级效应具有更高的耐受阈值。

最令人意外的发现是，即使是对照饲料组的湖鳟也表现出严重的硫胺素缺乏迹象（高转酮醇酶潜伏期）。研究人员将原因指向实验饲料本身的高脂质（21.1%）和高碳水化合物（32.4%）含量。脂质代谢（尤其是HUFAs的氧化）和碳水化合物代谢都是消耗硫胺素的过程。饲料中高水平的HUFAs可能导致脂质过氧化，增加对硫胺素的需求，而高碳水化合物则可能加速硫胺素的周转。因此，实验设计中所用的基础饲料成分可能本身就营造了一种导致硫胺素相对不足的环境，这掩盖了硫胺素酶饲料可能带来的额外差异。

本研究结论确认了饮食源硫胺素酶对湖鳟生长、饲料转化效率和生存的负面影响。然而，与预期相反，历史暴露于高硫胺素酶环境的Seneca品系并未表现出对硫胺素酶诱导死亡的更强耐受性；相反，Slate品系显示出意想不到的生存韧性。此外，研究揭示了在实验条件下，高脂高碳水饲料可能导致普遍的硫胺素压力，提示脂质过氧化也可能是野外硫胺素缺乏的一个重要贡献因子。这些发现对于五大湖，特别是安大略湖的湖鳟恢复计划具有重要意义。它表明，不仅需要考虑饵料鱼的硫胺素酶活性，饲料的整体营养成分平衡也至关重要。同时，Slate品系所展现的潜在耐受性表明，利用多个来源的湖鳟品系进行种群重建可能比依赖单一“适应”品系更具可行性，为湖鳟的可持续管理提供了新的科学视角。