通过1H-NMR代谢组学揭示海洋双壳类动物对间歇性缺氧的物种特异性代谢反应

《Marine Environmental Research》：Species-Specific Metabolic Responses to Intermittent Hypoxia in Marine Bivalves Revealed by 1H-NMR Metabolomics

本研究通过1H-NMR光谱技术，比较了三种贝类（Crassostrea gigas、Ostrea edulis、Arctica islandica）在缺氧（24小时，O?<0.01%）和复氧（1.5小时，21% O?）条件下的代谢物谱，发现物种和组织的特异性代谢策略与其栖息地及耐氧性相关。太平洋牡蛎和欧洲牡蛎的鳃组织在复氧时能高效代谢缺氧积累的琥珀酸，而海洋文蛤因长期适应稳定底质环境，复氧后仍依赖无氧代谢，并伴随谷氨酸-谷氨酰胺代谢通路显著变化。心脏组织代谢响应差异显著，如欧洲牡蛎心脏对H/R应力反应较弱，而太平洋牡蛎心脏琥珀酸水平显著升高。研究揭示了代谢可塑性在缺氧适应中的作用，以及物种特异性能量代谢调节机制。

　　海洋生物对溶解氧波动的适应能力是其生存于沿海环境的重要生理特征。这些环境变化包括温度、盐度和氧气供应的动态波动，对底栖生物构成了严峻挑战。特别是低氧状态（即氧气浓度低于正常水平）及其随后的再氧合（即氧气恢复）会对这些生物的生物能学和氧化还原平衡产生显著影响。本文研究了三种具有不同低氧耐受能力的双壳类软体动物——太平洋牡蛎（*Crassostrea gigas*）、欧洲扁牡蛎（*Ostrea edulis*）和海洋蛤（*Arctica islandica*）在严重低氧（24小时低于0.01% O?）和再氧合（1.5小时恢复至21% O?）后的代谢物谱变化。通过非靶向1H-NMR（核磁共振）光谱技术，研究人员分析了这些物种心脏和鳃组织的代谢物组成，发现它们在应对低氧和再氧合时展现出不同的代谢策略，这些策略与其栖息地和生活方式密切相关。

在沿海生态系统中，低氧现象通常是由有机物降解过程中生物呼吸的氧气消耗速率超过通过扩散、水体混合和光合作用获得的氧气补充速率所导致。近年来，由于自然过程和人为因素（如气候变化和污染），低氧事件的发生频率和持续时间显著增加，尤其是在沿海水域。低氧对生物体的能量代谢产生深远影响，因为线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）是产生ATP的关键途径。在低氧条件下，线粒体电子传递系统（ETS）活性下降，导致ATP合成减少和活性氧（ROS）水平升高，这些因素可能进一步损害线粒体结构和功能。

为了应对低氧环境，一些耐低氧的双壳类软体动物进化出多种策略，如代谢率降低（MRD）、无氧代谢以及代谢废物的解毒能力。MRD可以减少能量需求，而无氧代谢则能在缺乏氧气时维持ATP的产生。中间代谢物的稳态对于维持低氧耐受和减少毒性废物积累同样关键。然而，目前对于不同低氧耐受能力的软体动物在氧气波动期间中间代谢的调控机制仍知之甚少。此外，关于低氧后恢复期的研究大多集中在能量平衡上，而对氨基酸代谢、渗透调节和氮代谢等方面的研究仍处于初步阶段。

本研究旨在填补这一知识空白，通过1H-NMR光谱技术分析三种双壳类软体动物在低氧和再氧合条件下的代谢物谱变化。这些物种代表了不同的生态和生理策略，受到其栖息地和历史上的氧气波动暴露的影响。太平洋牡蛎是一种广盐性潮间带物种，适应于经常性且可预测的氧气波动。它表现出较强的低氧和再氧合耐受能力，这得益于其线粒体和细胞机制，能够维持在氧气波动条件下的能量稳态。实验中，*C. gigas*在潮间带群体中表现出6.5天的低氧耐受时间（LT??），而在潮下带群体中则为7.5天。相关物种*Crassostrea virginica*在低氧条件下也表现出较高的耐受性，其LT??为28天。相比之下，欧洲扁牡蛎*O. edulis*通常对环境胁迫（包括低氧）的耐受性较低，且在面对环境变化时的能力不如*Crassostrea gigas*。与之形成对比的是，海洋蛤*Arctica islandica*作为一种寿命较长的潮下带物种，能够在沉积物中埋藏数日，显示出对氧气剥夺的非凡耐受能力。它在严重低氧条件下（0.15 mL O? L?1，10°C）表现出55天的低氧耐受时间（LT??），显示出显著的代谢率降低和无氧能量产生能力。然而，尽管具有出色的低氧耐受能力，*A. islandica*在再氧合期间却容易受到生理和线粒体紊乱的影响。

考虑到研究物种不同的栖息地和生活方式，研究人员推测，在低氧和随后的再氧合过程中，代谢调控会反映出环境波动性和生态适应性的差异。在家族*Ostreidae*中，两种潮间带牡蛎*Crassostrea gigas*和*Ostrea edulis*预计会在低氧和再氧合期间表现出活跃的代谢调控，这与它们频繁且可预测的潮汐氧气波动有关。其中，更具环境适应能力的*Crassostrea gigas*预计在再氧合期间表现出更强的调控能力和更快的代谢恢复速度。相比之下，适应于更稳定的底栖环境，偶尔经历低氧事件的潮下带*Arctica islandica*预计在低氧期间维持代谢调控，但在再氧合期间调整代谢能力较弱。此外，研究人员还预期潮间带*Ostreidae*物种能够更好地维持渗透调节，从而支持细胞在氧气波动期间的稳定性与氧化还原平衡。

为了验证这些假设，研究人员将双壳类软体动物暴露于严重低氧条件（<0.01% O?）24小时，随后在21% O?的再氧合条件下进行1.5小时的恢复。通过分析鳃和心脏组织的代谢物组，使用1H-NMR光谱技术来评估低氧和再氧合对代谢物谱的影响。1H-NMR是一种强大的工具，可以捕捉涉及能量代谢、大分子周转和解毒的广泛代谢物，因为代谢物存在于高度互连的网络中。尽管1H-NMR的灵敏度低于质谱技术，但其出色的可重复性和无歧义识别未知代谢物的能力使其特别适合于绘制活跃的代谢通路并监测与低氧反应和再氧合相关的代谢流动。

研究结果揭示了不同物种在低氧和再氧合期间的代谢物谱变化。例如，在低氧期间，*O. edulis*和*A. islandica*表现出对无氧代谢和蛋白质分解的更大依赖，而*Crassostrea gigas*则在低氧期间更有效地代谢积累了的琥珀酸。*O. edulis*和*A. islandica*在低氧期间的代谢物水平变化表明，它们在再氧合期间可能更难以恢复到正常水平。所有三种物种在低氧/再氧合（H/R）胁迫下都显示出谷氨酸-谷氨酰胺代谢的变化。有趣的是，两个*Ostreidae*物种在鳃和心脏组织中的代谢响应存在显著差异。这些发现突显了物种和组织特异性代谢策略与栖息地和生活方式适应之间的关系，提供了关于这些物种如何在波动的氧气条件下维持生存的全新见解。

在*Crassostrea gigas*的鳃组织中，低氧期间琥珀酸水平升高，而在再氧合期间，该代谢物被重新整合到能量代谢中。这表明*Crassostrea gigas*具有较强的代谢灵活性，能够在低氧后迅速恢复。相比之下，*Ostrea edulis*在低氧期间表现出较高的无氧代谢产物积累，如丙二酸、丙酸和乙酸，这些代谢物在再氧合后部分恢复，但乙酸水平在*Ostrea edulis*的鳃组织中持续升高。这可能表明*Ostrea edulis*在低氧后恢复期间的代谢调控能力较弱。而*Arctica islandica*在低氧和再氧合期间都表现出对无氧代谢的依赖，其琥珀酸水平持续升高，显示出再氧合期间琥珀酸氧化能力有限，这可能限制了其在低氧后恢复的能力。这些结果支持了之前的研究，即*Arctica islandica*在再氧合期间容易受到生理和线粒体紊乱的影响。

此外，研究还发现，不同物种在低氧和再氧合期间对氨基酸代谢的影响存在显著差异。例如，在低氧期间，*Ostrea edulis*和*Arctica islandica*的鳃组织中谷氨酸水平升高，而*Crassostrea gigas*的鳃组织中谷氨酸水平仅在再氧合期间升高。这种差异可能反映了不同物种在低氧期间对氨的解毒和氮的排泄策略的不同。谷氨酸-谷氨酰胺代谢的变化可能不仅涉及氨的解毒，还可能与其作为支持氧化还原平衡和能量代谢的关键代谢物有关。在*Ostrea edulis*的鳃组织中，低氧和再氧合期间的氨基酸水平保持相对稳定，这可能表明其蛋白质稳态调节机制更为保守，减少蛋白质周转以节省能量。然而，在*Ostrea edulis*的鳃组织中，某些必需氨基酸（如异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸）的水平在低氧和再氧合期间显著升高，这可能意味着该物种在低氧期间更依赖蛋白质分解来维持能量需求。而在*Arctica islandica*的鳃组织中，仅发现缬氨酸水平在低氧和再氧合期间有小幅升高，这可能表明其对氨基酸代谢的调控更为保守。

本研究还发现，不同物种在低氧和再氧合期间的代谢物谱变化可能受到其生理特性和生态适应性的显著影响。例如，在*Crassostrea gigas*的鳃组织中，丙二酸和琥珀酸的水平在低氧和再氧合期间显著变化，而在*Ostrea edulis*的鳃组织中，丙二酸和琥珀酸的水平变化更为明显。*Arctica islandica*的鳃组织中丙二酸和琥珀酸的水平在低氧期间显著升高，而在再氧合期间恢复较慢，这可能与其适应于短暂的低氧事件有关。研究还发现，*Crassostrea gigas*和*Ostrea edulis*在再氧合期间能够更有效地将琥珀酸重新整合到能量代谢中，而*Arctica islandica*则主要依赖于无氧代谢，这可能与其在再氧合期间的代谢恢复能力较弱有关。

本研究的发现为理解双壳类软体动物如何适应氧气波动提供了重要的线索。例如，*Crassostrea gigas*和*Arctica islandica*在低氧期间表现出较低的无氧代谢产物积累，这可能与其较强的代谢率降低和更高效的无氧代谢有关。而在再氧合期间，*Crassostrea gigas*和*Ostrea edulis*能够迅速恢复能量代谢，而*Arctica islandica*则表现出恢复能力较弱。这些结果表明，代谢灵活性在低氧耐受中起着关键作用，不同物种的代谢策略与其栖息地和生活方式密切相关。

本研究的结果也揭示了不同组织（如鳃和心脏）在应对低氧和再氧合胁迫时可能表现出不同的代谢响应。例如，在*Crassostrea gigas*的鳃组织中，琥珀酸和谷氨酸的水平在低氧后恢复期间显著升高，而在心脏组织中，这些代谢物的水平变化则更为温和。这可能意味着心脏组织在低氧期间的代谢调控能力较强，而鳃组织则更直接地暴露于外界环境，因此更容易受到低氧和再氧合的影响。此外，*Ostrea edulis*和*Arctica islandica*在低氧期间表现出更高的谷氨酸和谷氨酰胺代谢活动，这可能与其在低氧期间的代谢适应性有关。

研究还发现，不同物种在低氧期间的代谢物谱变化可能受到其生理特性和生态适应性的显著影响。例如，在*Crassostrea gigas*的鳃组织中，丙二酸和琥珀酸的水平在低氧期间显著升高，而在再氧合期间则被重新整合到能量代谢中。而在*Ostrea edulis*的鳃组织中，丙二酸和琥珀酸的水平变化更为明显，这可能与其在低氧期间的代谢适应性有关。*Arctica islandica*的鳃组织中丙二酸和琥珀酸的水平在低氧期间显著升高，而在再氧合期间恢复较慢，这可能与其适应于短暂的低氧事件有关。

本研究的结果还揭示了代谢物在不同组织中的分布和变化模式。例如，在*Crassostrea gigas*的鳃组织中，丙二酸和琥珀酸的水平在低氧期间显著升高，而在再氧合期间则被重新整合到能量代谢中。而在*Ostrea edulis*的鳃组织中，丙二酸和琥珀酸的水平变化更为明显，这可能与其在低氧期间的代谢适应性有关。*Arctica islandica*的鳃组织中丙二酸和琥珀酸的水平在低氧期间显著升高，而在再氧合期间恢复较慢，这可能与其适应于短暂的低氧事件有关。

总之，本研究通过分析三种不同低氧耐受能力的双壳类软体动物在低氧和再氧合条件下的代谢物谱变化，揭示了物种和组织特异性代谢策略与栖息地和生活方式适应之间的关系。这些发现为理解双壳类软体动物如何在波动的氧气条件下维持生存提供了重要的科学依据，同时也为未来研究这些物种在低氧胁迫下的代谢适应机制提供了新的方向。