季节性调控下螯虾应对瘟疫霉菌感染的关键生理通路变化及其对种群恢复的启示

《Scientific Reports》：Seasonality affects key physiological pathways in Pontastacus leptodactylus during an Aphanomyces astaci epidemic outbreak

本研究聚焦欧洲重要经济物种窄爪螯虾（Pontastacus leptodactylus）在瘟疫霉菌（Aphanomyces astaci）爆发期间的季节性生理响应机制。通过首次表征热休克蛋白（HSP70/HSP90）、缺氧诱导因子（HIF-1α）、泛素（Ub）及凋亡相关基因（Bax/Bcl-2、caspases）的表达模式，揭示冬季低温激活热休克反应与凋亡通路，而夏季高温加剧缺氧与炎症（IL-6升高），提示瘟疫爆发与温度升高正相关。研究为温带地区螯虾种群恢复提供了关键时间窗口（冬季）及分子靶点，对水生生态保护具有重要实践意义。

　　

窄爪螯虾（Pontastacus leptodactylus）作为欧洲淡水生态系统的“清道夫”，既是维持水体生态平衡的关键物种，也是具有重要经济价值的水产资源。然而，近年来其种群数量因栖息地破坏、水体污染及外来物种入侵而急剧下降，其中由卵菌纲瘟疫霉菌（Aphanomyces astaci）引起的螯虾瘟疫更是导致大规模死亡事件的主因。尽管瘟疫的危害已被广泛认知，但季节变化如何影响螯虾的生理状态及疾病易感性仍不明确。尤其在温带地区，螯虾需在同一生态系统中应对冬夏极端温度的双重胁迫，其内在分子调控机制亟待揭示。

为填补这一空白，希腊西马其顿大学、帕特雷大学与亚里士多德大学的研究团队联合开展了一项跨季节研究，通过整合环境参数监测与多组学分析，首次系统刻画了窄爪螯虾在瘟疫爆发前后的关键生理通路动态变化。研究成果发表于《Scientific Reports》，不仅为理解物种适应性提供了新视角，更为种群恢复实践提供了科学依据。

研究团队采用野外采样与实验室分析相结合的策略，在希腊韦戈里蒂达湖（Lake Vegoritida）按季节（10月至次年9月）采集螯虾个体，同步记录水温、溶解氧、pH值等环境参数。通过分子生物学技术首次克隆并验证了窄爪螯虾的HSP70、HSP90、泛素（UB）及内参基因GAPDH的序列（GenBank登录号：PP935647等）。利用实时定量PCR（qPCR）和蛋白质免疫印迹（Western blot）技术，系统分析了心脏与鳃组织中热休克反应、凋亡、缺氧及炎症通路的基因与蛋白表达水平，并结合主成分分析（PCA）挖掘环境因子与生理指标的关联性。

基因表征与系统发育分析

研究成功克隆了HSP70、HSP90、UB和GAPDH基因的部分序列，其编码的蛋白与其他甲壳动物（如Procambarus clarkii、Cherax quadricarinatus）同源蛋白相似度达85%–100%，证实了引物特异性与功能保守性。这为后续季节性表达分析奠定了分子基础。

热休克反应（HSR）通路的季节性调控

低温（12月至次年2月）显著诱导心脏与鳃组织中HSP70和HSP90的mRNA表达，且雌性个体响应更强；而蛋白水平在2–4月达到峰值。这一模式表明，冬季低温胁迫激活了分子伴侣系统以维持蛋白质稳态，但响应存在转录与翻译层面的时间延迟。值得注意的是，雄性个体在秋季鳃组织中出现第二波HSP70表达高峰，可能与生殖期应激相关。

凋亡通路的激活与泛素化参与

低温期（2–4月）心脏与鳃组织中促凋亡蛋白Bax表达上升、抗凋亡蛋白Bcl-2下降，导致Bax/Bcl-2比值升高，并伴随caspase蛋白活化，表明线粒体凋亡通路被激活。同时，泛素结合物水平在2月达到峰值，提示蛋白质降解系统参与清除受损细胞。这一系列反应可能与低温导致的能量代谢紊乱及内源性缺氧有关。

缺氧通路的季节性特征

羟基化HIF-1α（无活性形式）在冬季（12–2月）显著降低，表明缺氧信号通路被激活。低温可能通过影响血液循环与氧输送效率，引发组织内部缺氧，进而触发HIF-1α介导的适应性反应。性别差异分析显示，雌性个体在心脏组织中HIF-1αmRNA表达更高，暗示其可能对缺氧更敏感。

炎症反应与瘟疫爆发的关联

炎症因子IL-6蛋白水平在夏季（6–9月）显著升高，与水温上升及A. astaci检测阳性期重合。尽管冬季凋亡通路激活通常抑制炎症，但病原体感染可能逆转这一趋势。主成分分析进一步证实，IL-6与温度呈正相关，而与溶解氧负相关，提示高温通过促进病原孢子释放与宿主免疫紊乱加剧瘟疫爆发。

多变量分析整合生理与环境响应

PCA结果显示，冬季样本中HSP90、泛素与HIF-1α等指标紧密聚类，反映低温胁迫下多通路协同响应；夏季样本则以IL-6和高温为主导特征。性别特异性分析表明，雌性在心脏组织中更依赖HSP70与Bax/Bcl-2通路，而雄性在鳃组织中调控机制更为复杂。

研究结论强调，窄爪螯虾的生理状态呈现显著季节性波动：冬季低温激活保护性热休克反应，但伴随凋亡与缺氧压力；夏季高温则通过促进病原增殖与炎症反应加剧瘟疫风险。这一发现不仅解释了瘟疫爆发的时间规律，更指出冬季是实施种群恢复（如放流）的最佳窗口期，因此时个体生理稳定性高且病原负荷较低。此外，研究首次提供的分子标记（如HSPs、HIF-1α）可为后续抗病育种或生态监测提供靶点。然而，潜伏感染个体的存在仍是恢复实践中的潜在挑战，需结合环境管理与遗传多样性保护综合施策。