多组学揭示Luciobarbus brachycephalus对最适碱度的适应机制

《Aquaculture Reports》：Multi-omics insights into the adaptive mechanisms of Luciobarbus brachycephalus to optimal alkalinity

　　

本研究测定了最适碱度下Luciobarbus brachycephalus鳃、血清、肠道和肝脏的生化指标，并进行了肝脏转录组学和代谢组学分析以探索其适应机制。结果表明，在最适碱度下，L. brachycephalus的血液尿素氮（BUN）和Na⁺/K⁺-ATPase活性显著升高，而血氨（BA）保持稳定，揭示该物种通过将氨转化为低毒性尿素来维持渗透稳态并避免氨中毒。肝脏抗氧化指标（超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、丙二醛MDA）无显著变化，表明未发生氧化应激。淀粉酶活性降低，胃蛋白酶和脂肪酶活性升高，表明肠道营养代谢发生适应性调节。转录组和代谢组分析在A15组与A0组之间共鉴定出341个差异表达基因（DEGs）和292个差异表达代谢物（DEMs）。两组学数据在七个保守通路中均显著富集（P<0.05），包括不饱和脂肪酸的生物合成、癌症中的中心碳代谢、甘油磷脂代谢、苯丙氨酸代谢、丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代谢、长时程抑制、甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢。该研究表明，L. brachycephalus能够在最适碱度下维持抗氧化和免疫稳态，并通过激活离子转运通路保持渗透平衡。此外，肝脏磷酸戊糖途径、糖酵解和三羧酸循环的激活有助于优化能量供应并促进生长性能。

盐碱水资源的渔业开发利用是全球性课题。中国拥有约9913万公顷盐碱地和4587万公顷盐碱水面，主要分布在东北、西北及沿海地区。碳酸盐碱度是东北盐碱水中生物面临的主要胁迫因子，高碳酸盐碱度会抑制水生动物氨排泄和Na⁺内流，导致呼吸损伤、渗透压失衡和代谢性碱中毒，严重影响生长、存活、繁殖与发育。因此，仅少数耐受中高盐碱的物种能在自然盐碱水中生存，这限制了盐碱水资源的可持续利用。以往研究多关注高碱度胁迫下的应激反应和耐受机制，但适宜碱度对水生动物的改善效应及其机制长期未获足够重视。已有研究表明适宜碱度不会对生存和生长造成不利影响，甚至能改善生长性能和肉质，但其分子机制尚不清楚。因此，开展适宜碱度下鱼类适应机制的研究，对盐碱水域物种筛选和养殖技术标准化具有重要意义。研究人员选用我国引进的阿拉尔鲃（Luciobarbus brachycephalus）为对象，该鱼生长快、食性广，已在淡水及盐碱水中广泛养殖。前期研究确定其最适碱度为15 mmol/L，可显著改善生长性能和肉质，但潜在调控机制仍属空白。本研究通过生化指标、肝脏转录组学与代谢组学联合分析，系统揭示L. brachycephalus在最适碱度下的适应机制。

研究人员从中国水产科学研究院黑龙江水产研究所呼兰试验场获取体质量（291.36±30.67 g）相近的L. brachycephalus 60尾，在循环可控水族箱中暂养后，设置碱度0 mmol/L（A0对照组）和15 mmol/L（A15最适碱度组）两个实验组，每组3个水族箱，每箱10尾，以NaHCO₃调节碱度，养殖8周后采集血清、鳃、肠道和肝脏样本。主要关键技术包括：①利用商业试剂盒测定血清BUN、BA，鳃Na⁺/K⁺-ATPase，肠道淀粉酶、脂肪酶、胃蛋白酶，肝脏SOD、CAT、MDA等生化指标；②肝脏转录组测序（Illumina NovaSeq平台），经denovo组装、功能注释和DESeq2差异表达分析（|log2FC|≥1且FDR<0.05）；③肝脏非靶向代谢组学（UHPLC-Q Exactive HF-X系统），通过PLS-DA和VIP>1、P<0.05筛选差异代谢物；④利用Procrustes分析和KEGG共富集分析进行多组学整合；⑤选取15个DEGs以RT-qPCR验证转录组准确性。

3.1 最适碱度对生化因子的影响：Levene检验证实方差齐性后，独立样本t检验显示，A15组鳃Na⁺/K⁺-ATPase活性、血清BUN含量、肠道胃蛋白酶和脂肪酶活性均显著高于A0组（P<0.05），肠道淀粉酶活性显著降低；而血清BA、肝脏CAT、SOD活性和MDA含量无显著差异。这表明L. brachycephalus通过增强离子转运和尿素合成维持渗透与氨稳态，且未引发氧化应激。

3.2 最适碱度对转录组的影响：共获得20758个基因，其中13551个共表达。PCA显示A0与A15组明显分离。A15组与A0组相比共鉴定出341个DEGs，其中188个上调、153个下调。KEGG富集分析获得29条通路，主要涉及代谢、环境信息处理等，包括脂肪酸生物合成、淀粉和蔗糖代谢、丙酮酸代谢等。RT-qPCR验证的15个基因表达趋势与RNA-seq一致，证明转录组数据可靠。

3.3 最适碱度对代谢组的影响：非靶向LC-MS共鉴定出肝脏中1283个化合物（ESI正离子模式622个，负离子模式661个）。A15组与A0组间有292个DEMs（182个上调、110个下调），主要归类为脂质和类脂分子、有机酸及其衍生物等；KEGG富集到55条通路，其中显著富集的有癌症中的胆碱代谢、甘油磷脂代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等。

3.4 多组学联合分析：Procrustes分析显示转录组与代谢组数据具有高度一致性和相关性。两个组学均显著富集（P<0.05）到7条保守通路，即不饱和脂肪酸的生物合成、癌症中的中心碳代谢、甘油磷脂代谢、苯丙氨酸代谢、丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代谢、长时程抑制、甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢。这提示这些通路是L. brachycephalus适应最适碱度的核心调控网络。

讨论部分总结：L. brachycephalus通过上调Na⁺/K⁺-ATPase活性和BUN含量，将氨转化为低毒尿素，从而避免氨中毒并维持渗透压平衡。肝脏SOD、CAT、MDA无显著变化，且凋亡相关基因（Bcl-2正常，Bax、P53未异常激活）和免疫相关基因未异常调控，说明最适碱度未引起氧化应激和细胞损伤。肠道胃蛋白酶和脂肪酶活性升高、淀粉酶活性降低，表明该鱼在最适碱度下对蛋白质和脂肪的需求增强，对碳水化合物的利用减少，这种消化酶适应性调节与生长性能改善相关。转录组中细胞周期负调控因子p27（CDKN1B）和GADD45基因表达显著下降，而CDK2基因显著上调，进一步支持最适碱度促进细胞增殖和生长。肝脏代谢通路分析显示，磷酸戊糖途径代谢物（D-葡萄糖酸、6-磷酸葡萄糖酸、核糖-1-磷酸）含量增加，糖酵解关键基因（HK、GCK、PGAM）及TCA循环相关基因（DLAT、ACLY、IDH1）显著上调，表明能量供应增强，为生长提供充足ATP。此外，转铁蛋白（TF）、脂肪酸合酶（FASN）和乙酰辅酶A羧化酶（ACACA）基因高表达，有助于铁离子储备和细胞膜合成。关于肉质改善，glsA基因编码的K型线粒体谷氨酰胺酶高表达促进谷氨酰胺水解为谷氨酸，尽管肝脏中谷氨酸含量下降，推测其可能被转运至肌肉，从而增强鲜味。

研究结论：本研究聚焦盐碱水渔业“盐碱水与养殖物种适应性匹配”的分子机制，阐明了L. brachycephalus在最适碱度下的适应特征——该物种能够通过调节渗透压和氨代谢过程来适应最适水碱度，从而避免由环境碱度变化引起的氧化应激和免疫损伤；同时，通过调节肠道生理功能和肝脏营养代谢通路，促进生长性能并改善肌肉品质。本研究结果为盐碱水域养殖物种的合理筛选与应用提供了重要科学参考。