在盐度胁迫下，尼罗河鲈（O. niloticus）鳃部碳酸酐酶基因家族的全基因组鉴定、功能分析及表达研究

《Aquaculture》：Genome-wide identification, functions, and expression analysis of carbonic anhydrase gene family in the gills of O. niloticus under salinity stress

盐度波动对尼罗 tilapia 增长、应激反应及离子调节机制影响显著，但该鱼种中碳ic 酶（CA）基因家族的全基因组研究尚不充分。本研究通过生物信息学、系统发育及结构分析，鉴定出 17 个 CA 基因，发现其与氮代谢及碳酸酐酶活性相关。转录组分析显示 cahz 和 ca2 在 8 psu 盐度下表达量最高，RT-qPCR 验证其上调响应盐胁迫。生理结果显示盐度升高导致生长减缓、血液参数异常及皮质醇水平显著升高，其中 8 psu 时皮质醇达峰值，表明短期盐胁迫引发急性应激反应。而 16 psu 时鳃组织出现次级板片粘连等不可逆损伤，提示长期盐胁迫的累积效应。研究结果为提高 tilapia 盐度耐受性提供了分子机制依据。

　　在淡水和海水环境之间，水盐度的变化对水生生物的生存和发展构成了严峻的挑战。其中，尼罗罗非鱼（*Oreochromis niloticus*）作为一种广泛养殖的鱼类，其对盐度变化的适应能力直接影响其在不同环境中的生长表现、应激反应以及离子调节机制。近年来，随着全球气候变化和人类活动对水资源的破坏，淡水资源日益减少，盐水和半咸水逐渐成为替代性养殖水源。因此，深入理解尼罗罗非鱼在盐度变化下的分子机制，对于提高其耐盐能力以及推动可持续水产养殖具有重要意义。

碳酐酶（Carbonic Anhydrases, CAs）是一类关键的金属酶，广泛参与酸碱平衡和渗透调节过程。这类酶在所有脊椎动物中均存在，并且在维持体内环境稳定、调节电解质运输、呼吸以及渗透调节等方面发挥着重要作用。在鱼类中，CAs具有功能特化，不同亚型的CA分布在不同的亚细胞结构和组织中，例如CA15A和CA2-like亚型在斑马鱼的皮肤和鳃组织中参与酸碱调节和钠离子吸收。此外，CA2B在斑马鱼胚胎发育过程中调控二氧化碳的排泄，而CA3则参与心脏组织的修复，CA9则影响谷氨酰胺代谢。这些功能表明，CA在鱼类的生理过程中具有多方面的调控作用。

然而，尽管CA在渗透调节中的重要性已被广泛认可，目前对尼罗罗非鱼中CA基因家族在盐度变化下的系统性研究仍较为有限。因此，本研究旨在填补这一知识空白，通过整合生物信息学、系统进化、结构分析以及功能注释的方法，对尼罗罗非鱼基因组中的CA基因进行全面识别和表征。同时，利用转录组数据，分析这些基因在不同盐度条件（0、8和16 psu）下的表达模式，特别是其在鳃组织中的变化。通过揭示CA基因在盐度变化下的调控机制，本研究不仅有助于深入理解尼罗罗非鱼的耐盐性，还为在盐度影响区域开展可持续水产养殖提供了理论支持。

本研究首先对尼罗罗非鱼的实验材料进行了详细描述。实验所用的尼罗罗非鱼来自位于拉合尔的Manawa孵化场，其初始平均体重为65.83 ± 15.63克，平均体长为15.46 ± 1.43厘米。为了减少对鱼类的视觉刺激，实验过程中将鱼放置在100升的玻璃水族箱中，水族箱内填充80升水。这些条件确保了实验环境的稳定性，同时避免了其他外部因素对实验结果的干扰。

随后，研究对尼罗罗非鱼的适应过程和实验设计进行了阐述。实验在奥卡拉大学的水产养殖实验室进行，实验室位于北纬30°52′05“，东经73°34’08”位置。实验过程中，尼罗罗非鱼样本在不同盐度条件下（0、8和16 psu）进行适应，以观察其生理反应。这一设计为后续的基因表达分析提供了基础。在实验过程中，研究人员不仅关注盐度变化对鱼类整体生长的影响，还特别关注其在鳃组织中的表现，因为鳃是鱼类在盐度变化下调节离子和酸碱平衡的主要器官。

在对盐度变化影响的评估中，研究发现盐度显著影响了尼罗罗非鱼的体重增长，但对体长的增长没有明显影响。这一结果表明，盐度变化对鱼类的体重增长具有较大的抑制作用，而对体长的生长影响较小。这可能与鱼类在盐度变化下的生理适应机制有关，例如在盐度升高时，鱼类可能通过调整其代谢途径来维持体长的稳定。然而，体重增长的下降则可能反映了盐度变化对鱼类整体代谢和能量利用的负面影响。

此外，研究还对盐度变化对鱼类的生长率（RGR）、日增重（SGR）、饲料转化率（FCR）以及摄食频率（CF）和饲料系数（DFI）的影响进行了分析。结果显示，盐度对鱼类的存活率和饲料摄入量没有显著影响，但在不同盐度条件下，生长率和日增重存在显著差异。在控制组中，生长率和日增重均显著高于盐度处理组。这表明，盐度变化可能通过影响鱼类的代谢效率和营养吸收能力，导致其生长速度的下降。饲料转化率的分析进一步揭示了盐度处理组在饲料利用上的不足，这可能与鱼类在高盐度环境下的生理压力有关。

在对鱼类的应激反应进行分析时，研究发现盐度变化显著影响了鱼类的皮质醇水平。皮质醇是一种重要的应激激素，其水平的升高通常与环境压力相关。研究发现，在8 psu的盐度条件下，皮质醇水平达到峰值，这表明即使在适度的盐度变化下，鱼类也会产生较强的应激反应。然而，在16 psu的盐度条件下，鳃的二次鳃丝粘附现象更为普遍，这可能与盐度变化引起的更严重的生理压力有关。这种现象表明，盐度变化不仅影响鱼类的激素水平，还可能对其鳃组织结构造成影响，进而影响其渗透调节能力。

为了进一步验证这些基因在盐度变化下的表达情况，研究采用了实时定量PCR（RT-qPCR）技术。结果表明，在8 psu的盐度条件下，*cahz*和*ca2*基因的表达显著上调，这与之前转录组分析的结果一致。这表明，这两个基因可能在鱼类的渗透调节和酸碱平衡中发挥关键作用。而其他CA基因的表达则没有显著变化，这可能意味着它们在盐度变化下的作用较为有限，或者其表达受到其他调控机制的影响。

在对CA基因的功能进行进一步分析时，研究结合了KEGG和GO通路分析，发现这些基因主要参与氮代谢和碳酸酐酶活性等过程。这表明，CA基因在维持鱼类的酸碱平衡和渗透调节中具有重要作用。然而，不同CA基因在不同盐度条件下的表达情况存在差异，这可能与它们在不同组织中的分布有关。例如，*cahz*和*ca2*基因在鳃组织中的表达较高，而其他CA基因则可能在其他组织中发挥更重要的作用。

此外，研究还探讨了盐度变化对鱼类免疫系统的影响。结果显示，盐度变化可能通过影响鱼类的免疫功能，导致其对病原体的抵抗力下降。这可能与盐度变化引起的生理压力有关，例如在高盐度条件下，鱼类的免疫细胞活性可能受到抑制，进而影响其免疫反应。这种影响可能对水产养殖业造成重大损失，因为鱼类在盐度变化下的免疫能力下降可能导致疾病的发生和传播。

为了进一步探讨盐度变化对鱼类生理的影响，研究还分析了鳃组织的结构变化。在16 psu的盐度条件下，鳃的二次鳃丝粘附现象更为普遍，这可能与盐度变化引起的更严重的生理压力有关。这种现象表明，盐度变化可能对鳃组织的结构造成影响，进而影响其渗透调节能力。此外，鳃组织的结构变化还可能影响鱼类的呼吸效率，进而影响其整体生理状态。

综上所述，本研究通过整合多种分析方法，对尼罗罗非鱼中的CA基因家族进行了系统性研究，揭示了这些基因在盐度变化下的表达模式和功能特性。研究发现，盐度变化对鱼类的体重增长、生长率、饲料转化率以及皮质醇水平产生了显著影响，而这些变化可能与鱼类的渗透调节和酸碱平衡有关。此外，盐度变化还可能对鳃组织的结构造成影响，进而影响鱼类的生理功能。这些发现不仅有助于深入理解尼罗罗非鱼的耐盐性，还为在盐度影响区域开展可持续水产养殖提供了理论支持。

本研究的意义在于，通过揭示CA基因在盐度变化下的调控机制，为水产养殖业提供了新的思路。随着全球气候变化和淡水资源的减少，盐水和半咸水逐渐成为替代性养殖水源。因此，提高鱼类的耐盐能力对于水产养殖业的发展至关重要。本研究发现，*cahz*和*ca2*基因在盐度变化下的表达显著上调，这表明它们可能在鱼类的渗透调节和酸碱平衡中发挥关键作用。通过进一步研究这些基因的功能特性，可以为培育耐盐性强的鱼类品种提供理论支持。

此外，本研究还强调了在水产养殖过程中，应关注鱼类的生理适应能力。盐度变化可能通过影响鱼类的代谢效率、营养吸收能力以及免疫系统，导致其生长速度的下降和健康状况的恶化。因此，在养殖过程中，应采取适当的措施，如优化水质条件、调整饲料配方以及改善养殖环境，以减少盐度变化对鱼类的负面影响。这些措施不仅可以提高鱼类的生长表现，还可以增强其在不同环境中的适应能力。

在对CA基因的功能进行进一步分析时，研究还探讨了这些基因在不同组织中的分布情况。例如，*cahz*和*ca2*基因主要分布在鳃组织中，这可能与它们在渗透调节中的作用有关。而其他CA基因则可能在不同的组织中发挥重要作用，如心脏组织或皮肤组织。这种分布情况表明，CA基因在鱼类的生理过程中具有多方面的调控作用，其功能特性可能因组织而异。

此外，研究还分析了CA基因在不同盐度条件下的表达模式。结果显示，在8 psu的盐度条件下，*cahz*和*ca2*基因的表达显著上调，而在16 psu的盐度条件下，这些基因的表达则没有显著变化。这可能意味着，在适度的盐度变化下，鱼类通过上调这些基因的表达来适应环境，而在极端的盐度条件下，这种适应机制可能受到抑制。这种现象表明，CA基因在鱼类的渗透调节中具有一定的耐受性，但其表达水平可能受到盐度变化的限制。

最后，本研究的结论表明，盐度变化对尼罗罗非鱼的生理和结构造成了显著影响，而这些影响可能随着盐度变化的程度而加剧。在8 psu的盐度条件下，皮质醇水平达到峰值，这表明鱼类在适度的盐度变化下会产生较强的应激反应。然而，在16 psu的盐度条件下，鳃的二次鳃丝粘附现象更为普遍，这可能意味着盐度变化对鳃组织的结构造成了更严重的破坏。这些发现不仅有助于深入理解尼罗罗非鱼的耐盐性，还为在盐度影响区域开展可持续水产养殖提供了理论支持。