Rana kukunoris 对冰封水域中水下冬眠的生理和分子反应：平衡寒冷适应与渗透稳态

《Cryobiology》：Physiological and molecular responses of Rana kukunoris to underwater hibernation in ice covered water : Balancing cold adaption and osmotic homeostasis

高海拔蛙类Rana kukunoris通过积累尿素、甘油和葡萄糖等低温保护剂增强抗冻能力，但其导致渗透失衡。实验显示水下冬眠个体血浆中保护剂浓度显著升高，并上调抗冻蛋白基因Fr10和Li16，同时肾小管扩张和渗透调节能力下降，形成抗冻与渗透调节的权衡策略。

　　在寒冷的高海拔地区，许多两栖动物通过积累低分子量的抗冻剂来应对冬季的低温环境，而另一些则选择在较温暖的水域中越冬。然而，高原棕蛙（*Rana kukunoris*）却在接近冰封的水域中度过冬季，其生理适应机制，特别是对低温的耐受能力和渗透压/离子调节能力，仍然存在诸多未知。本研究通过模拟高原棕蛙在冰封水域中的越冬状态，比较了水下越冬（WH）与非越冬（NH）蛙类的生理变化。结果显示，在8周的越冬后，WH组的青蛙表现出显著升高的血浆尿素、甘油和葡萄糖浓度，同时其肝脏、肌肉、心脏和大脑中的冻应答蛋白基因（如*Fr10*和*Li16*）表达水平也明显上升。这些变化表明，高原棕蛙在应对低温时，不仅依赖于抗冻剂的积累，还通过特定的蛋白质表达增强了其生存能力。

然而，WH组的青蛙在空气冻结条件下表现出更强的生存能力，但在水下冻结时却无法存活。这说明虽然高原棕蛙具备一定的抗冻能力，但其生理机制可能并不完全适应水下冻结环境。此外，WH组的青蛙身体含水量显著增加（86.38% vs. 78.82%），并在肾脏和皮肤中表现出更高的水通道蛋白（AQP1、AQP3）表达，这有助于维持水分平衡。肾脏组织学分析显示，WH组的肾小管体积增大，尿液浓缩效率降低，表明其在应对低温和渗透压变化时，肾脏的功能发生了结构性调整。

为了维持渗透压平衡，WH组的青蛙保持了较高的血浆渗透压（239.5 mOsm·kg?1 vs. 163.17 mOsm·kg?1），并排泄出更为稀薄的尿液（20.75 vs. 39.83 mOsm·kg?1）。这一现象表明，高原棕蛙在积累抗冻剂以增强低温耐受性的同时，也面临渗透压失衡的风险。特别是在低渗透压环境中，抗冻剂的积累可能促使水分进入体内，增加肾脏的负担，导致器官肿胀甚至出现皮下水肿。尽管之前的研究已经广泛探讨了陆生两栖动物的抗冻能力（如* Rana sylvatica*）以及水生越冬物种的渗透调节机制（如* Rana pipiens*），但对高原棕蛙这类在低渗透压、冰封水域中越冬的物种，其抗冻剂积累与渗透调节之间的相互作用机制仍不明确。

高原棕蛙的生存策略体现了对低温环境的适应，同时也揭示了其在应对渗透压挑战时的复杂性。在高海拔地区，气温常常降至零度以下，而土壤温度也可能降至-7°C。然而，高原棕蛙能够在冰封水域中保持运动能力，这可能与其独特的生理机制有关。在冬季初期，这些水体尚未完全冻结，青蛙选择在此时迁移到水中越冬，以利用水的热缓冲作用。然而，随着冬季的深入，这些水体逐渐冻结，导致青蛙必须在低温和低渗透压的双重压力下生存。这种环境的不稳定性促使研究者关注其如何在这样的条件下维持生理平衡。

在越冬过程中，高原棕蛙面临两个主要挑战：一是低温导致的冰晶形成，二是低渗透压环境引发的水分流动。为了应对低温，它们积累了大量抗冻剂，如尿素、甘油和葡萄糖，这些物质能够降低细胞的冰点，防止冰晶在体内形成。然而，这些抗冻剂的积累也可能对渗透调节造成干扰。在低渗透压环境中，抗冻剂的浓度升高会促使水分进入细胞，从而增加组织肿胀的风险。为了缓解这一问题，高原棕蛙需要通过排泄稀薄的尿液来维持体内的渗透压平衡，同时在肾脏和皮肤中表达更多的水通道蛋白，以增强水分的吸收和保留能力。

值得注意的是，高原棕蛙在越冬期间表现出与陆生抗冻物种不同的生理特征。例如，它们的肾脏结构发生了显著变化，肾小管体积增大，尿液浓缩效率降低。这种结构性调整可能是为了适应水下越冬的特殊环境，通过减少尿液的浓缩能力，来避免因抗冻剂的积累而导致的过度脱水。此外，高原棕蛙的皮肤组织也表现出较高的水通道蛋白表达，这有助于其在低渗透压环境中吸收和保留水分。

在讨论部分，研究者进一步探讨了高原棕蛙在越冬期间如何平衡抗冻能力与渗透调节需求。他们指出，高原棕蛙的生存策略与陆生抗冻物种有所不同，其在水下越冬时需要同时应对低温和低渗透压的双重压力。抗冻剂的积累虽然有助于增强低温耐受性，但也可能对渗透调节造成干扰。因此，高原棕蛙必须在抗冻剂的积累和渗透压调节之间找到一个动态平衡点，以确保其在冰封水域中的生存能力。

此外，高原棕蛙的生存能力还受到其栖息地选择的影响。在冬季初期，当水体尚未完全冻结时，它们会选择迁移到水中越冬。然而，随着水体的冻结，这些栖息地的可用性迅速下降，导致青蛙必须在短时间内完成越冬过程。这种环境的不稳定性可能对它们的生存构成威胁，因此，理解其生理适应机制对于预测其在气候变化下的生存能力具有重要意义。

在实验设计方面，研究者采集了60只成年雄性高原棕蛙，并将其分为水下越冬（WH）和非越冬（NH）两组。WH组的青蛙被放置在模拟冰封水域的环境中，而NH组则在常温下饲养。实验结果显示，WH组的青蛙在越冬期间表现出更高的抗冻能力，这可能与其体内抗冻剂的积累和特定蛋白质的表达有关。然而，这种抗冻能力的增强并未能完全弥补其在渗透调节方面的不足，导致其在水下冻结时无法存活。

研究者还发现，高原棕蛙的肾脏在越冬期间发生了结构性变化，肾小管体积增大，尿液浓缩效率降低。这种变化可能是为了适应低渗透压环境，通过减少尿液的浓缩能力，来避免因抗冻剂的积累而导致的过度脱水。此外，高原棕蛙的皮肤组织也表现出较高的水通道蛋白表达，这有助于其在低渗透压环境中吸收和保留水分。

在讨论中，研究者还指出，高原棕蛙的生存策略可能与其他两栖动物有所不同。例如，陆生抗冻物种通常通过积累抗冻剂来降低细胞的冰点，而水生越冬物种则需要通过渗透调节来维持体内的水分平衡。高原棕蛙的生存策略则介于两者之间，既需要积累抗冻剂以增强低温耐受性，又需要通过渗透调节来维持体内的水分平衡。这种双重适应机制可能使其在极端环境中具有更强的生存能力。

研究者还强调了高原棕蛙在越冬期间的生理变化对其生存能力的影响。例如，身体含水量的增加可能有助于其在低温下保持细胞活性，但同时也增加了肾脏的负担。为了应对这一挑战，高原棕蛙必须通过排泄稀薄的尿液来维持渗透压平衡。此外，研究者还发现，高原棕蛙的肾脏在越冬期间表现出不同的形态学特征，如肾小管体积增大，这可能与其渗透调节机制有关。

在实验过程中，研究者还关注了高原棕蛙的离子调节能力。他们发现，高原棕蛙在越冬期间能够维持稳定的无机离子浓度，这表明其在应对低温和低渗透压环境时，具有较强的离子调节能力。然而，这种能力可能受到低温的影响，因为低温会抑制离子通道和酶的活性，从而影响离子运输效率。为了应对这一问题，高原棕蛙可能需要通过其他机制来维持离子平衡，如调整细胞膜的通透性。

综上所述，高原棕蛙在水下越冬期间表现出一系列复杂的生理适应机制，包括抗冻剂的积累、冻应答蛋白的表达、肾脏结构的调整以及皮肤组织的渗透调节能力。这些机制共同作用，使其能够在极端低温和低渗透压的环境中生存。然而，这种生存策略也伴随着一定的风险，如渗透压失衡和肾脏负担增加。因此，高原棕蛙的生存能力不仅取决于其抗冻能力，还与其渗透调节机制密切相关。本研究为理解高原棕蛙的生存策略提供了新的视角，也为研究其他极端环境中的两栖动物适应机制提供了参考。