基于心率的血压动态监测（BPDO）技术揭示了剃刀蛤（Sinonovacula constricta）对缺氧耐受性的生理和分子机制

《Aquaculture》：Heart rate-based BPDO reveals physiological and molecular mechanisms underlying hypoxia tolerance in the razor clam Sinonovacula constricta

　　鲁金兆|顾泽锋|姚汉涵|李成华|董英辉
宁波大学海洋科学学院，中国宁波315010

**摘要**
缺氧是沿海水产养殖面临的一个日益严峻的挑战，其影响往往因温度升高而加剧。在剃刀蛤（Sinonovacula constricta）中，溶解氧的逐渐降低揭示了一个明显的 cardiac breakpoint，即所谓的 breakpoint dissolved oxygen (BPDO)，其特征是在氧气水平低于某个阈值时心率迅速下降。BPDO 随温度的升高而显著增加，表明在变暖条件下心脏对缺氧的敏感性增强。根据 25°C 时的 BPDO 值，将个体分为缺氧敏感型（SG）和缺氧耐受型（TG），然后让它们暴露于急性严重缺氧环境中（0.5 mg/L 的溶解氧，持续 6 小时）。SG 型个体表现出更强的缺氧响应通路转录激活，包括 HIF-1α 信号传导、无氧能量代谢以及与压力和凋亡相关的反应，尤其是在鳃组织中。相比之下，TG 型个体的分子反应减弱，表明它们具有更大的生理缓冲能力而非增强的压力激活能力。总体而言，BPDO 将心脏表现与分子调节相结合，提供了一个非致命的、个体水平的缺氧敏感性指标，为评估缺氧耐受性和在水产养殖中选择性繁殖缺氧耐受型 S. constricta 提供了有用的框架。

**引言**
全球变暖增加了生物的呼吸氧气需求，同时降低了氧的溶解度（Harris 等，2006；Vaquer-Sunyer 和 Duarte，2011），而人为的富营养化则提高了沿海生态系统的生物需氧量（Dai 等，2023；Gray 等，2002）。这些因素共同导致了海洋氧气预算的严重失衡（Vaquer-Sunyer 和 Duarte，2008）。近几十年来，全球多种水生系统的溶解氧（DO）水平大幅下降，缺氧事件的频率、范围、严重程度和持续时间显著增加（Breitburg 等，2018）。因此，缺氧已成为水产养殖的重要环境限制因素。低氧条件会损害海洋生物的多种生理过程，包括生存、丰度、发育、代谢、生长和繁殖（Richards，2011；Zheng 等，2022），导致水产养殖业的重大经济损失，在极端情况下甚至会导致生物多样性的丧失。

**水生缺氧**
水生缺氧通常定义为溶解氧浓度 ≤2 mg/L（Breitburg 等，2018），而严重缺氧则定义为 ≤0.5 mg/L（Diaz 和 Rosenberg，2008）。在底栖生物中，不同海洋物种的缺氧耐受性差异显著，软体动物通常表现出相对较高的低氧耐受性（Gray 等，2002；Vaquer-Sunyer 和 Duarte，2008）。双壳类动物广泛分布在沿海生态系统中，经常受到溶解氧波动的影响。其中，潮间带物种由于日间生物活动和潮汐周期的影响，经历从接近无氧到高氧的极端变化（Ivanina 等，2016；Orita 等，2025）。然而，它们有限的移动能力使它们无法避开缺氧区域。已发现多种生理和分子反应对双壳类动物的缺氧耐受性和适应能力至关重要。在行为层面，缺氧条件下，双壳类动物通过过度伸展水管（Sparks 和 Strayer，1998）、调节壳的开启和关闭（Yin 等，2017）以及改变埋藏深度（Liu 等，2025b）来应对氧气限制，从而减少氧气消耗并诱导代谢抑制（Sobral 和 Widdows，1997），表现为进食活动减少、代谢速率降低（Wang 和 Widdows，1993）以及心率下降（Cheng 等，2024；Davis 等，2023）。心率（HR）紧密反映了整个生物体的能量需求，被广泛认为是衡量软体动物在环境压力下（包括温度波动（G?tze 等，2025；Wu 等，2026；Xing 等，2016）、缺氧（Chen 等，2020；Peterson 等，2025）、盐度波动（Boamah 等，2022；Braby 和 Somero，2006）、氨氮暴露（Sun 等，2025）和重金属污染（Bakhmet 等，2009）下代谢变化的可靠、无创指标。值得注意的是，观察到软体动物在温度（G?tze 等，2025；Xing 等，2016；Zhang 等，2020）、盐度波动（Braby 和 Somero，2006）、氨氮暴露（Sun 等，2025）和缺氧 stress（Chen 等，2020）作用下的心率显著下降。心率 breakpoint 定义为心率超出正常生理变异范围的突然且显著下降，反映了心脏性能无法满足代谢需求、整个生物体表现开始下降的阈值（Chen 等，2020；G?tze 等，2025）。因此，这个 breakpoints 被提出作为恶劣环境条件下生理耐受性的可靠指标。这些发现支持使用基于心率的 breakpoints 作为软体动物缺氧耐受性指标的可行性。

**分子机制**
双壳类动物的缺氧反应由xygen sensing 通过激活缺氧诱导因子（HIF）信号通路启动。缺氧条件下，脯氨酰羟化酶域（PHD）家族酶的活性受到抑制，阻止了 HIFα 亚基的羟基化及其随后的泛素介导的蛋白酶体降解。稳定的 HIFα 亚基随后与 HIF1β 二聚形成转录活性复合物，转移到细胞核中并调节下游靶基因的表达（Kaelin 和 Ratcliffe，2008）。在 PHD 家族成员中，PHD2 是正常氧条件下 HIFα 羟基化和降解的主要酶（Lee 等，2020）。值得注意的是，与哺乳动物主要是翻译后调节不同，双壳类动物的缺氧常常伴随着 HIF-1α 转录水平的转录上调（Kotsyuba 和 Dyachuk，2023；Meng 等，2022）。缺氧条件下，双壳类动物增强能量底物的分解代谢以维持无氧 ATP 的产生（Liu 等，2025a）。早期缺氧反应主要依赖于糖酵解通量的增加，以及通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPCK）介导的额外亚基水平磷酸化来提高 ATP 产量（Bao 等，2024；He 等，2024）。葡萄糖利用的限速步骤包括葡萄糖进入细胞及其随后的磷酸化（Rose 和 Richter，2005）。因此，由葡萄糖转运蛋白（GLUTs）介导的葡萄糖摄取加上关键糖酵解酶（如己糖激酶（HK）、磷酸甘油酸激酶（PGK）和烯醇化酶（ENO）的协调激活，维持了增强的糖酵解通量和无氧 ATP 产生（Hall 等，2009）。在软体动物中，缺氧诱导的代谢重编程增加了细胞内活性氧（ROS）的水平，从而激活抗氧化防御机制（如谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）以维持氧化还原平衡（Andreyeva 等，2021；Liu 等，2024）。然而，过度的氧化应激会触发 p53 信号通路，调节抗凋亡 BCL-2 和促凋亡 BAX 之间的平衡，从而促进线粒体依赖的凋亡（Montúfar-Romero 等，2024）。同时，TNF-α 也有助于激活软体动物的外在凋亡信号通路（Terahara 和 Takahashi，2008）。

**剃刀蛤（Sinonovacula constricta）**
作为一种具有商业价值的双壳类动物，剃刀蛤因其快速的生长速度和高产而受到重视，常被用于鱼类、虾、蟹和贝类的综合养殖系统（You 等，2023）。作为底栖物种，S. constricta 广泛分布于中国、日本和韩国沿海的潮间带和浅亚潮间带地区，尤其是在河口和沿海湿地环境中（Zhang 等，2020），经常暴露于溶解氧的短期波动和反复的缺氧事件中。作为一种重要的商业双壳类动物，它被广泛用于“鱼类-虾-蟹-贝类”综合养殖系统中，高密度养殖和深埋（40–50 cm）进一步加剧了沉积物微环境中的缺氧，常常伴随着氨的积累，从而限制了其生长和存活（Liu 等，2024；Sun 等，2025）。这些生态和水产养殖压力使 S. constricta 成为研究缺氧耐受性生理和分子机制的理想模型。目前的研究初步揭示了 S. constricta 对缺氧的生理反应，主要集中在抗氧化防御、凋亡和基因表达方面。实验证明，在 0.5 mg/L 下的氧化损伤比 2.0 mg/L 更严重，且鳃组织比肝胰腺组织更耐缺氧（Liu 等，2024）。这些研究主要描述了对缺氧的生理反应，尚未能够区分缺氧敏感型和缺氧耐受型个体；因此，仍缺乏一种标准化和可比的方法来区分 S. constricta 的这两种类型。本研究旨在表征 S. constricta 在溶解氧水平下降时的心率变化，并开发一种可靠的缺氧耐受性评估指标。具体而言，使用基于心率的指标来筛选缺氧敏感型和缺氧耐受型个体，随后定量分析参与 HIF 信号通路、细胞能量代谢和凋亡的关键基因，以阐明两种表型之间的分子差异。这些发现提高了我们对软体动物缺氧诱导的生理调节的理解，并为水产养殖育种研究中评估缺氧相关性状提供了潜在的生理基础。

**实验方法**
共获得 180 只一岁的剃刀蛤（平均壳长：52.04 ± 14.84 mm，平均壳高：17.82 ± 1.49 mm，平均壳宽：13.00 ± 1.41 mm，平均湿重：8.16 ± 2.66 g），来自中国浙江万里大学的遗传与育种研究中心。实验前，将这些蛤在维持目标温度（20.0 ± 0.5）的 100 L 循环海水系统中适应 7 天，同时保持溶解氧浓度高于 95%。

**实验设计与数据分析**
如方法部分（2.2 节）所述，实验在溶解氧不断下降的条件下进行。图 2a 显示了 20°C 下溶解氧浓度（mg/L，x 轴）与对数转换后心率（ln (BPM)，y 轴）之间的关系。随着溶解氧的降低，心率最初从 3.74 mg/L 时的 24.28 ± 2.69 bpm 上升到 1.25 mg/L 时的峰值 28.62 ± 4.55 bpm，随后在 0.74 mg/L 时下降到 21.96 ± 3.45 bpm。

**讨论**
与传统的指标（如致死溶解氧阈值或基于存活率的测定方法）相比，BPDO 是一种非致命的、个体水平的、定量的缺氧耐受性指标，这些方法需要大量样本并且不可避免地会导致大量死亡。在 BPDO 测量过程中未观察到死亡现象，表明该方法对蛤没有不良影响。通过捕捉逐渐降低氧气条件下的心率 breakpoint，BPDO...

**结论**
本研究证明，可以使用 breakpoint dissolved oxygen (BPDO) 坚定地量化剃刀蛤（S. constricta）的心脏氧气敏感性。BPDO 随实验温度的升高而增加，表明在热应力下心脏对缺氧的敏感性增强。基于 BPDO 的表型分层进一步显示，缺氧敏感型个体表现出更强的缺氧响应通路激活，包括 HIF-1α 信号传导、无氧能量代谢...

**作者贡献声明**
鲁金兆：撰写——原始草稿、可视化、数据分析。
顾泽锋：数据分析。
姚汉涵：撰写——审稿与编辑、数据分析。
李成华：概念构思。
董英辉：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金（U23A20247）、浙江省重大科技计划（2021C02069-7）和国家海洋遗传资源中心计划的支持。