益处还是负担？反复热暴露对蓝贻贝热耐受性、能量代谢及免疫功能的影响

《Marine Environmental Research》：Benefit or burden? Effects of repeated heat exposure on thermal tolerance, energetics, and immunity in the blue mussel Mytilus edulis

　　摘要：与海洋热浪相关的异常高温可能促使海洋变温动物产生热适应从而增强抗逆性，也可能超出其生理极限，降低其未来应对压力能力。了解导致这两种不同反应的机制对于预测日益加剧的温度变化所带来的影响至关重要。我们研究了先前的高温暴露是否会在波罗的海蓝贻贝中引发保护性反应。这些贻贝首先经历反复的热应力处理（即27℃下持续2.5小时，随后在15℃下恢复21.5小时，共四轮），之后再给予4天的恢复时间。通过心率以及阿伦尼乌斯临界温度参数来评估其在急性升温过程（15–35℃）中的心脏功能表现。此外，那些经历过反复热应力处理的贻贝与未经历处理的贻贝还被置于持续的高温环境中（27℃，持续5天），在此期间研究人员检测了它们的能量状态、线粒体活性，以及与蛋白质稳态、氧化应激、免疫功能及细胞凋亡相关的基因表达情况。反复热应力处理会引发短暂的蛋白质稳态和免疫反应，表现为hsp70A以及多种免疫相关基因的表达水平上升，但这些反应在恢复期并未持续存在。而在长时间的高温暴露下，经历过反复热应力处理的贻贝在第五天时全部死亡，这说明这种处理并未带来有益的适应性强化效果。长时间的高温暴露会激活两类分子伴侣蛋白的反应，反映出机体应激反应途径的启动。不过，这类贻贝的抗氧化基因表达水平有所下降，其中包括谷胱甘肽过氧化物酶和锰超氧化物歧化酶，这表明它们的抗氧化防御能力减弱，更容易遭受细胞损伤。尽管这类贻贝的ATP水平较高，线粒体电子传递系统功能也保持稳定，但它们似乎无法有效分配能量用于修复机体或减轻应激反应。总体而言，在所研究的条件下，反复的热应力与恢复过程并未使波罗的海蓝贻贝产生热适应，反而降低了它们对长时间高温暴露的耐受能力。这一结果可能反映出先前高温暴露强度较高、海水盐度较低，以及物种自身的特性共同影响了它们的热适应能力。

引言：温度是决定海洋中物种分布及生态系统进程的关键因素，而海洋热浪则会通过影响海洋生物的生存与生长状况，对生态系统造成严重破坏（Capotondi等人，2024年）。海洋热浪会导致底栖无脊椎动物、大型藻类以及海草大量死亡，进而使得一些关键物种消失，甚至引发整个生态系统的结构变化（Garrabou等人，2022年；Benthuysen等人，2020年）。虽然较深的水域可以为生物提供避暑场所，但浅水区的生物依然容易受到海洋热浪的负面影响，从而导致这些固定生活的生物出现致命或亚致死性的伤害（Giraldo-Ospina等人，2020年）。虽然关于极端高温事件对海洋生物的生理及生态影响已有较多研究（相关综述可见Benthuysen等人，2020年；Garrabou等人，2022年；Stillman等人，2025年），但针对反复高温暴露的影响，目前仍缺乏足够了解。鉴于如今海洋栖息地，尤其是沿海和浅水区域，反复出现的热浪以及亚急性高温暴露现象十分普遍，填补这一知识空白愈发重要（Oliver等人，2018年；Sun等人，2023年）。

反复高温暴露所带来的一个较为明确的后果就是“热适应”，这是一种通过先前接触亚致死温度来降低后续极端高温危害的机制（Georgoulis等人，2025a年；Stillman等人，2025年）。短暂的非致命性高温暴露能够激活各种保护性反应，提升生物的耐热能力，使其对后续的应激刺激更为不敏感。例如，有研究表明，一次短时间的高温暴露就能提高潮间带生物如加利福尼亚贻贝和帽贝的耐热性，但对于鲍鱼来说，则需要多次高温暴露才能引发同样的保护反应（Drake等人，2017年；Moyen等人，2020年；Abbas等人，2024年）。不过，对于贻贝而言，短期的高温处理效果并不一致：适度、短暂的高温脉冲或许能促进热适应并形成暂时的应激记忆，但频繁或强烈的高温波动往往会导致个体体质衰弱、耐热能力下降，进而增加死亡风险（Seuront等人，2019年）。不同海洋物种和生态系统对高温应激的表型可塑性差异很大，这反映了它们在热量历史、栖息地环境以及适应能力方面的不同（Lesser等人，2010年；Stillman等人，2025年）。了解在温度变化较大但历史温度较低的地区，比如波罗的海，反复高温应力是如何影响潮间带贻贝的，有助于我们深入理解温带海洋生态系统中的耐热机制与抗逆机制。此外，波罗的海可被视为全球气候变化的一个“时间缩影”，这里的生态环境变化比开阔海域更为迅速和剧烈（Reusch等人，2018年）。

属于Mytilus edulis物种群的贻贝是广温性物种，分布于温带和寒冷气候区的潮间带及浅水亚潮带区域（Seuront等人，2019年；Tran等人，2023年；Nascimento-Schulze等人，2024年）。由于波罗的海沿岸水域水深较浅且水温变化剧烈，这些贻贝经常面临突如其来的、难以预测的温度升高，尤其是在夏季热浪期间（Hiebenthal等人，2012年）。近几十年来，波罗的海地区海洋热浪的出现频率和强度都在上升，其最高温度已接近这些本地贻贝所能承受的最高温度阈值（Meier等人，2022年）。在2018年的波罗的海热浪期间，卫星监测和实地测量显示，从博恩霍尔姆海到哥特兰岛中部海域的海表温度最高可达约27℃，而波的尼亚湾以及波罗的海西部沿岸海域的温度则在22–25℃之间（Siegel & Gerth，2018年）。

接近或超过这些温度阈值的异常高温会扰乱M. edulis的生理机能，导致这一作为波罗的海生态系统关键物种的生物死亡，进而引发群落结构变化，对生物多样性产生负面连锁影响（Seuront等人，2019年；Kamermans & Saurel，2022年；Nascimento-Schulze等人，2024年）。此外，针对M. edulis的熱生物学研究显示，在长期处于高温环境下，它的生长速率在约20–24℃时仍处于正值，但一旦温度超过其最高耐受阈值，生长速率就会转为负值，因为此时的代谢消耗量超过了能量获取量（Anestis等人，2007年；Fly & Hilbish，2013年）。

在Mytilus属的贻贝中，短时间内的温度升高能够引发一系列保护性生理反应，包括诱导抗氧化物质以及热休克蛋白等应激反应基因的产生，同时还能调节线粒体功能，帮助它们在后续的高温挑战中维持能量平衡（Moyen等人，2020年；Clark等人，2021年；Georgoulis等人，2022年、2023年）。不过，间歇性高温应力带来的生理影响在很大程度上取决于其强度、持续时间、发生频率，以及生物体获得恢复的机会（Moyen等人，2020年；Seuront等人，2019年）。虽然短期的初步应激处理可能具有保护作用，但反复或长时间的高温暴露则可能超出生物体防御系统的承受极限，从而导致细胞损伤、能量平衡紊乱，最终导致M. edulis死亡（Clark等人，2021年；Grimmelpont等人，2024年）。保护性适应与生理机能衰退之间的临界点，很可能取决于生物体的保护能力——比如抗氧化、免疫和蛋白质稳态调控机制——与炎症反应及细胞凋亡过程之间的平衡，正是这些因素决定了细胞和组织是能够修复高温造成的损伤，还是会出现不可逆的伤害（Kefaloyianni等人，2005年；Rahman & Rahman，2021年）。然而，关于反复高温暴露过程中导致这两种相反结果的生理和分子机制，目前仍缺乏深入认识。因此，本研究旨在从生理和分子层面探讨反复高温应力是如何影响M. edulis的存活率，以及如何改变其对后续亚致死温度暴露的反应方式的。

我们选择了特定的实验处理方案，即让波罗的海的Mytilus属贻贝经历四轮反复的热应力循环（在27℃下持续2.5小时，随后在正常温度下恢复21.5小时），之后再给予4天的恢复时间，同时监测它们对高温暴露的即时反应和延迟反应（见图1）。选择这种处理方案是因为已有研究表明，它能够在水生生物中引发热适应现象，包括与本研究对象亲缘关系较近的M. galloprovincialis贻贝（Georgoulis等人，2021年、2022年、2023年），而且27℃的短期高温升高在海洋热浪期间确实会出现在波罗的海的浅水区贻贝所处环境中（Bashiri等人，2025年；Siegel & Gerth，2018年）。波罗的海的这些贻贝其实是Mytilus edulis和Mytilus trossulus的自然杂交种（Stuckas等人，2009年），而我们在这项研究中分析的瓦尔内明德地区的贻贝群体以M. edulis的遗传特征为主（Stuckas等人，2017年）；因此，在本研究中我们将它们统称为M. edulis。我们的假设是，当高温暴露的强度处于适宜范围之内时，反复的高温应力能够促使M. edulis产生热适应，因为适度的应激会刺激生物体启动各种保护性的细胞和生理调节机制，包括激活分子伴侣蛋白、增强抗氧化防御能力、调节免疫功能、激活细胞存活通路，以及提升生物体的代谢能力（Georgoulis等人，2021年、2022年、2023年）。然而，一旦反复的高温应力超出了这个有益的范围，就可能会造成累积性的生理损伤，进而削弱生物体的恢复能力，最终降低它们对后续高温暴露的耐受度，增加死亡风险。为了验证这一假设，我们在贻贝经历短期反复高温应力以及后续长时间高温暴露的过程中，检测了它们的多种生理和分子反应，包括细胞能量平衡状况、线粒体电子传递系统活性，以及与热休克、应激反应、免疫功能、抗氧化能力以及细胞凋亡相关的基因表达情况。此外，我们还检测了先前经历过高温暴露的贻贝与未经历处理的贻贝在温度急剧变化时的心率变化情况，以此判断之前的高温暴露是否会影响心脏功能的温度敏感性。了解M. edulis易于受到高温伤害的机制，明确其在反复高温应力作用下的生理可塑性极限，对于预测未来气候变暖，包括海洋热浪出现后，这一重要生态工程物种的生存状况、抗逆能力以及种群延续性具有重要的意义。

动物采集与饲养：2024年7月，当波罗的海该区域的平均海水温度约为18℃时，我们从德国波罗的海的瓦尔内明德地区（北纬54°10′49.6″，东经12°05′21.5″）采集了成年M. edulis贻贝。这些贻贝在采集后的2小时内就被运送到了罗斯托克大学。为了减少因个体大小差异带来的体温差异，我们只选取了壳长在35.8–61.4毫米之间的成年贻贝用于实验。这些贻贝的体重和壳长分别为8.40 ± 3.28克。

反复热应力与恢复过程中的转录反应：与热应力相关的基因方面，hsp70A的转录水平在反复热应力处理的第二天出现了显著上升，之后逐渐下降，在恢复期又回到了正常水平（见图2A）。相比之下，hsp70C、hsp90和hsp40的转录水平在反复热应力处理后并未出现显著变化（见图2B–D；p > 0.05）。在恢复期的第13天时，hsp90和hsp40的转录水平相比对照组有所下降（见图2C–D）。hsp60和HSF的mRNA水平也出现了相应变化。

反复热应力会引发M. edulis短暂的分子级反应，但无法带来持续的防护作用：热适应是一种“良性应激”现象，即亚致死程度的应激能够引发短暂的生理“记忆”，从而提升生物体对后续应激的抵抗能力（Hilker等人，2016年）。其核心机制在于HSP70以及其他热休克蛋白的快速表达增加，这些蛋白能够稳定并重新折叠受损的蛋白质，同时通常还会提升生物体的抗氧化能力（Bowler，2005年；Willot等人，2017年）。这类反应在多种海洋双壳类生物中都有被记录到，包括M. galloprovincialis、M. edulis、Perna viridis等物种。

作者贡献说明：Reshma Kalarical Janardhanan：负责论文的审阅与编辑工作、原始稿件的撰写、数据可视化处理、结果验证、相关研究工作、资金申请、正式数据分析、数据整理以及研究概念的构建。Inna Sokolova：负责论文的审阅与编辑工作、原始稿件的撰写、研究项目的监督、所需资源的协调、项目整体管理、实验方法的设计、资金申请以及研究概念的构建。

利益冲突声明：作者们声明自己不存在任何利益冲突，也没有任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

数据可用性声明：相关数据将会应需求提供。

利益冲突声明：作者们再次声明自己不存在任何利益冲突，也没有任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究部分得到了德国研究、技术和航天部在德国海洋研究联盟的“物理海洋学风险——ElbeXtreme项目”框架下的支持，该项目名为“物理海洋学极端事件对易北河口-沿海地区生态系统服务的影响——风险评估与适应策略制定”（项目编号03F0954K，由罗斯托克大学负责实施）。RKJ还获得了Netaji Subhas - ICAR国际组织的资助。

Reshma Kalarical Janardhanan | Inna M. Sokolova