三角帆蚌开闭壳频率与心率的昼夜变化特征及其对摄食和免疫应激的响应

陈扬1,吕雪峰1,陆婷婷1,王志炎1,傅百成2,袁屹平2,白志毅1,3*

(1.上海海洋大学 农业农村部淡水水产种质资源重点实验室,上海 201306;2.浙江佰瑞拉农业科技有限公司,浙江 绍兴 311800;3.上海海洋大学 上海水产动物良种创制与绿色养殖协同中心,上海 201306)

摘要为探究三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)开闭壳频率作为机体健康指征的科学性,本研究评估了三角帆蚌(体质量为25.50 g±3.32 g)的开闭壳频率和心率的昼夜变化特征,比较了其开闭壳频率和心率对摄食和免疫应激的响应特点,并分析了正常养殖条件下同群体三角帆蚌开闭壳频率差异和免疫相关酶活性差异。结果表明:三角帆蚌夜间开闭壳频率和心率均高于白天,但无显著性差异(P>0.05);昼夜投饵后1 h的开闭壳频率和心率均显著高于投饵前(P<0.05),且心率振幅增大,表明三角帆蚌开闭壳频率能响应摄食行为;感染嗜水气单胞菌后3 h,三角帆蚌开闭壳频率达到最高值18.75 次/h,为感染前频率的1.52倍(P<0.05),感染后15 h已降低至感染前开闭壳频率的31.29%;感染嗜水气单胞菌后5 h,心率显著高于正常水平并达到峰值14.65 bpm,为感染前心率的1.25倍(P<0.05),随后频率缓慢降低,12 h后恢复至正常水平,表明开闭壳频率能对细菌感染做出响应,且开闭壳频率响应较心率更为敏感;试验还发现,正常养殖条件下同群体三角帆蚌存在开闭壳频率差异,可分为高、中、低开闭壳频率组,4种免疫相关酶活性均在肝胰腺中表达量最高,除高开闭壳频率组超氧化物歧化酶(SOD)仅显著高于低频率组外,高开闭壳频率组碱性磷酸酶(AKP)、酸性磷酸酶(ACP)和过氧化氢酶(CAT)活性均显著高于中、低频率组(P<0.05)。研究表明,开闭壳频率较心率对环境变化响应更敏感,高开闭壳频率组的上述免疫相关酶活性较高,本研究对将开壳频率这一计数指标作为三角帆蚌新的健康指征和评价方法进行了有益尝试,对推动贝类健康养殖具有积极意义。

关键词三角帆蚌;开闭壳频率;心率;免疫相关酶活性;健康指标

三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)是一种重要的淡水经济贝类,也是中国培养淡水珍珠的首选贝类[1],其在水体生态系统中扮演着重要的调节角色,并在市场上占据重要地位。然而,在大规模养殖过程中,三角帆蚌易受到细菌等病原体侵染,导致贝类活力下降甚至死亡,造成巨大经济损失[2]。因此,探究贝类健康状况检测方法以提高养殖效率尤为重要。此外,贝类的活动特征微小,传统的贝类健康指标主要包括生理指标(生长率和食物清除率)、酶活性、功能基因表达[3]等,这些方法需进行活体取样,并依赖昂贵的精密仪器,检测过程繁琐。因此,实现双壳贝类的实时健康监测具有一定的挑战性,检测效果不佳可能导致病害问题延迟发现,而开发实时、高效的非侵入性监测方法有利于实现双壳贝类的健康养殖。

心率已被证明是反映身体整体生理状况的可靠且准确的指标[4]。在双壳贝类的研究中,心脏活动存在昼夜节律,能反映动物的新陈代谢强度。心跳波形可反映心脏兴奋的产生、恢复和传导的过程[5],其变化与生物自身因素(如年龄、规格和昼夜变化)和外界环境因素(如水体理化因子和藻类丰富度)紧密相关[6]。贝类心脏跳动的频率和振幅与机体血液循环量直接相关,心脏跳动强,血液循环量大,代谢活跃[7],尽管心率具有非侵入性的优势,但是心率指标的监测一直存在操作繁琐、成本高等问题,所以亟须研究新的贝类健康指征。开闭壳行为是双壳贝类独特而重要的一种活动方式,其由韧带和闭壳肌共同控制,与呼吸、排泄、摄食和斧足伸展等活动密切相关[8],当受到生理或环境因子胁迫时,贝类会通过调节闭壳频率应对环境应激[9],同时贝类自身的呼吸代谢、存活、生长及贝类的酶活和免疫能力都会受到影响[2,10],开闭壳行为对贝类日常活动和躲避敌害等具有重要意义,反映贝类健康活力、环境耐受与抗逆性能,同时也能反映环境条件的变化[11],目前鲜有评估双壳贝类与相关生命行为的研究。

本研究中以三角帆蚌为研究对象,利用水下非侵入性24 h实时监测双壳贝类开闭壳行为的超敏设备和心率监测仪,分析了三角帆蚌开闭壳频率和心率的昼夜特征及摄食和免疫响应特点,探究了贝类开闭壳频率与三角帆蚌的健康状况指征的相关性,以期为双壳贝类养殖场提供实时、无损伤的生理健康评估手段。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 三角帆蚌与暂养 试验用三角帆蚌取自浙江武义淡水珍珠科技小院,随机选取健康、规格相近的一龄三角帆蚌,壳长为(66.90±2.88)mm,壳宽为(15.57±1.17) mm,体质量为(25.50±3.32) g。清洗干净贝壳表面的附着物,置于塑料箱中暂养1周,以适应试验环境。暂养用水为曝气7 d的自来水,溶氧量>5 mg/L,氨氮含量<0.020 mg/L,亚硝酸盐氮含量<0.005 mg/L,实验室内装有空调,用恒温棒维持水温为26 ℃。

1.1.2 投饵试验 试验设置3个平行组,每组养殖30只蚌,每天分别于9:00、21:00投喂小球藻,试验水体每日换水量为30%,并及时清理残饵及粪便。于每日8:00—12:00和20:00—24:00监测三角帆蚌开闭壳频率和心率,连续监测3 d。

1.1.3 感染试验 试验设置3个平行组,每组养殖30只蚌,每只三角帆蚌人工注射浓度为3.0×107 CFU/mL的嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)0.5 mL,养殖管理方法同投饵试验,病菌感染前安装好开闭壳频率和心率监测装置并开始监测,3 h后开始批量注射病菌并继续监测,总监测时长为18 h(为保证数据监测稳定,取前3 h平均值为感染0 h数据)。

1.1.4 开闭壳频率免疫相关酶活试验 监测正常养殖条件下同一养殖群体三角帆蚌的开闭壳频率,取开闭壳频率数据的前、中和后5%三角帆蚌为开闭壳高、中、低频率组。本批次三角帆蚌筛选出的开闭壳高、中、低频率组数据分别为(15.33±1.37)、(9.40±0.64)、(3.73±1.79)次/h,每组均取6只蚌,提取血清并剖取闭壳肌、肝胰腺部位的组织样本,液氮速冻并保存于-80 ℃超低温冰箱中。

1.2 方法

1.2.1 开闭壳频率测定 通过将铝镍钴合金磁体(1 cm2圆形)粘在三角帆蚌的水平朝上面,壳的另一面使用玻璃胶和垫圈固定在定制钢板底座上,并调整角度,使磁体与上方感应探头平行并保持适当距离(感应探头穿过钢板上方的定制孔径,并用螺母调节高度进行固定)。电控单元通过检测到的电势差信号,测定其开闭壳频率。

1.2.2 心率测定 使用多通道生理信号记录仪(Powerlab 8/30,AD Instruments,Germany)测定,贝壳表面的水分擦干后将红外感应探头一端用蓝丁胶(Blu-Tack,Bostik Ltd,UK)黏附在贝类心脏位置的壳表面,另一端接入信号放大器,内置软件获取心跳的有关参数并计算出每分钟心率(bpm)[12]

1.2.3 免疫相关酶活性测定 超氧化物歧化酶(SOD)、酸性磷酸酶(ACP)、碱性磷酸酶(AKP)和过氧化氢酶(CAT)活性采用南京建成生物工程研究所有限公司研发的试剂盒进行测定。准确称取0.1 g肝胰腺、闭壳肌组织及1.0 mL血清上清液,按质量体积比1∶10加入提取液,进行冰浴匀浆,4 ℃条件下以8 000 g离心10 min,收集上清液置于冰上,然后按试剂盒说明书进行测定,使用酶标仪检测读数。

1.3 数据处理与绘图

试验数据以平均值±标准差(mean±S.D.)表示,采用SPSS 27.0软件进行单因素方差分析,采用Duncan法比较组间差异显著性,显著性水平设为0.05。采用GraphPad Prism 9软件绘制图形。

2 结果与分析

2.1 三角帆蚌开闭壳频率及心率的昼夜变化和摄食响应

三角帆蚌的开闭壳频率和心率(表1)个体间差异明显,夜间开闭壳频率和心率高于白天,但无显著性差异(P>0.05);昼夜投饵后1 h的开闭壳频率和心率均显著高于投饵前(P<0.05),昼夜开闭壳频率分别提高至投饵前水平的132%和129%,昼夜心率分别提高至投饵前水平的114%和113%,表明滤食行为提高了三角帆蚌开闭壳频率和心率水平;投饵后2 h的开闭壳频率和心率逐渐回落,较投饵前无显著性差异。

表1 昼夜投饵对三角帆蚌开闭壳频率及心率的影响

Tab.1 Effect of feeding at day or night on the shell open-close frequency and heart rate of Hyriopsis cumingii

投饵时间feedingtime开闭壳频率/(次·h-1)shellopen-closefrequency心率/BPMheartrate投饵前9.28±3.34a12.94±2.75a昼day投饵后1h12.29±5.30bc14.74±2.93bc投饵后2h10.71±4.86ab13.72±3.24abc投饵前10.01±3.90a13.47±3.56ab夜night投饵后1h12.93±4.20c15.26±3.87c投饵后2h10.82±3.81ab14.13±3.49abc

注:同列中标有不同字母者表示组间有显著性差异(P<0.05)。

Note:The means with different letters within the same column are significantly different in the groups at the 0.05 probability level.

投饵前后三角帆蚌心跳波形变化特征如图1所示,三角帆蚌夜间心跳振幅高于白天,白天心跳振幅高电压处于(1.60 ± 0.12) v(图1(a)),而夜间心跳振幅高电压处于(1.67 ± 0.16) v(图1(b));投饵后,昼夜三角帆蚌心跳振幅均明显提高,白天心跳振幅高电压升至(1.65 ± 0.13) v(P>0.05)(图1(c)),夜间心跳振幅高电压升至(1.80 ± 0.19) v(P<0.05)(图1(d))。

图1 昼夜投饵前后三角帆蚌心跳波形

Fig.1 Heartbeat waveform of Hyriopsis cumingii before and after day and night feeding

2.2 三角帆蚌开闭壳频率及心率对细菌感染的响应

三角帆蚌感染嗜水气单胞菌后的开闭壳频率和心率变化如图2所示,在感染嗜水气单胞菌后3 h,三角帆蚌开闭壳频率显著上升达到最高值18.75次/h,为初始频率的1.52倍(P<0.05),然后呈逐渐下降趋势,7 h后,开闭壳频率显著低于三角帆蚌正常水平,至15 h已低至正常开闭壳频率的31.29%。感染嗜水气单胞菌后,三角帆蚌心率持续上升,在3~7 h时,三角帆蚌心率显著高于正常水平,且在5 h达到峰值14.65 bpm,为初始心率的1.25倍(P<0.05),随后频率缓慢降低,12 h后恢复至正常水平。表明开闭壳频率能对细菌感染做出响应,且开闭壳频率响应较心率更为强烈。

标注不同字母表示不同感染时间下的指标数值与未感染时相比有显著性差异(P<0.05)。

Different letters denote a significant differencebetween the values of the indicators at different times of infection and non-infection(P<0.05).

图2 嗜水气单胞菌感染对三角帆蚌开闭壳频率和心率的影响

Fig.2 Effect of Pseudomonas aeruginosa infection on the shell frequency and heart rate of H.cumingii

2.3 不同开闭壳频率三角帆蚌免疫相关酶活性差异

正常养殖条件下同一养殖群体中,将三角帆蚌按自然存在的开闭壳频率差异分为高、中、低开闭壳频率组后,测定不同开闭壳频率组三角帆蚌肝胰腺、闭壳肌和血清的免疫相关酶活性(图3),发现4种免疫相关酶活性均在肝胰腺组织中的表达最高。肝胰腺中SOD活性高频率组显著低于低频率组(P<0.05),肝胰腺、闭壳肌中AKP活性高频率组显著高于低频率组(P<0.05),血清SOD活性中高、中频率组显著高于低频率组(P<0.05)(图3(a)、(c)),肝胰腺ACP、CAT活性中,高频率组>低频率组>中频率组,且高频率组显著高于其他两组(P<0.05),闭壳肌组织中ACP活性,高频率组显著高于中频率组(P<0.05)(图3(b)、(d))。

*表示在各组织中不同开闭壳频率组三角帆蚌酶活有差异性显著(P<0.05);**表示有极显著性差异(P<0.01)。

*means a significant difference among different shell open-close frequency groups in different tissues(P<0.05);**means a very significant difference (P<0.01).

图3 不同开闭壳频率组三角帆蚌3种组织的4种免疫相关酶活性(n=6)

Fig.3 Four kinds of immune-related enzyme activities in three types of tissue among the different shell valve open-close frequency groups (n=6)

3 讨论

3.1 贝类生物节律与环境响应

生物节律对贝类的生存和适应具有重要意义,影响其摄食、消化等重要生理和行为活动[13],大多数生物体都有一个被称为昼夜节律生物钟的分子计时器[14]。研究表明,贝类的摄食、消化、呼吸、排泄、心率和开闭壳行为等生理指标存在节律性[15-18],如三角帆蚌摄食率、耗氧率和排氨率等夜间均高于白天[19-20];菲律宾蛤仔的摄食率有显著的昼夜差异,夜间的摄食率明显高于白天[21];长牡蛎的呼吸和排泄在1个日周期内会产生显著的变化;扇贝的心率昼夜节律与开闭壳运动相似[22]。本研究中,三角帆蚌心率昼夜变化也被证明存在昼夜节律。开闭壳是一种能量适应行为,主要取决于肌肉的松弛和收缩,与静止阶段相比,能量成本更高,开闭壳变化可能与能量代谢有关,Thompson等[16]在1972年首次证明双壳贝类的开闭壳行为是一种生物钟控制的活动,在动物个体中具有明显的节律。研究结果表明,贝类存在生理代谢的节律,但是环境因子变化会对贝类节律产生影响[18]。本研究中发现,三角帆蚌在昼夜摄食后开闭壳频率和心率都高于摄食前,摄食行为增加了三角帆蚌开闭壳频率、心率负荷和需氧量,且会出现心率加速并伴随能量转换,表明摄食等行为会对贝类的生理指标节律产生影响[20,23-24],进一步研究表明,摄食率与心率、开闭壳行为相关,可通过开闭壳频率和心率指标变化监测三角帆蚌摄食状态。Markich等[23]在双壳贝类开闭壳行为与铀金属暴露的研究中,发现了开闭壳频率与壳长和年龄显著相关,Rajagopal等[25]研究发现,贻贝的开闭壳频率与氯浓度密切相关。嗜水气单胞菌广泛分布于自然界的各种水体中,是多种水生动物的致病菌,可引起软体动物、鱼类和两栖类等多种动物的全身性败血症或局部感染,常致动物大量死亡[26]。已有研究发现,嗜水气单胞菌是三角帆蚌的重要致病菌,本研究中发现,三角帆蚌感染嗜水气单胞菌初期,开闭壳频率和心率均出现上升现象,可能是由于双壳贝类心脏无内皮细胞,直接浸没在血淋巴中,因此心脏活动会很快受到细菌感染的影响,并被快速检测到[27];而开闭壳行为对有毒物质的潜在反应包括瓣膜打开和关闭的快速循环等[28]。两个指标的下降趋势则说明随着感染时间的延长,机体的心率受到抑制,可能减缓了血液循环和营养物质的输送,导致行为能力下降及开闭壳频率降低等现象。试验结果表明,三角帆蚌同其他贝类一样具有明显的节律性,且存在环境响应机制,这可能与贝类的闭壳效应有关[29],开闭壳行为也是一个能够反映机体生理状况的指标,且对细菌感染响应与心率指标变化呈现相同的趋势,甚至响应更为强烈。

3.2 开闭壳行为作为三角帆蚌健康指征的可行性

贝类的健康评估对于水产种质资源保护、苗种培育及绿色健康养殖业发展具有重要意义[14]。本研究中发现,三角帆蚌心率和开闭壳均存在明显的环境响应,但心率测定仍然面临测量过程繁琐、设备成本较高等问题。在养殖生产中,双壳闭合有力也已成为亲贝挑选的一项重要指标[30],然而,目前对开闭壳频率研究较少,通常认为,正常情况下,滤水、呼吸等活动会引起贝壳保持长时间小幅度张开的状态,只有受到应激及摄食等行为时,才会出现明显的开闭壳行为[31],本研究中确定了双壳贝类开闭壳频率的水下24 h超敏检测方法,可便捷地测定三角帆蚌开闭壳频率,研究发现,在未受刺激的条件下,三角帆蚌存在小幅度、低频率的开闭壳行为,投饵后1 h的开闭壳频率和心率均显著高于投饵前,感染嗜水气单胞菌后,三角帆蚌开闭壳频率与心率均产生明显的生理响应,但开闭壳频率较心率更为敏感,故开闭壳频率能够反映机体对外界环境的响应。

贝类的免疫系统为非特异性免疫,易受到环境和外源生物等因素的影响[32]。肝胰腺、血细胞及闭壳肌的免疫相关酶活性可以反映机体健康状况[33]。研究表明,水产动物中抗逆性群体抗氧化酶和免疫相关酶活性普遍高于普通群体[33-35]。SOD和CAT是生物体重要的抗氧化防御性功能酶,主要预防过氧化物(ROS)对机体的损害,是测定机体抗逆性的重要指标[36]。蒋文枰等[34]在研究翘嘴鲌新品种抗逆性中发现,氨氮抗逆性能更强的翘嘴鲌“全雌1号”在氨氮胁迫下抗氧化酶活性高于普通翘嘴鲌。本试验中,高开闭壳频率组中肝胰腺及血清SOD和CAT活性均显著高于低频率组,表明高开闭壳频率组拥有更好的抗氧化能力。AKP、ACP是两种重要的机体功能调节酶,磷酸酶活力是衡量免疫功能和机体状态的指标,反映了机体对外源微生物侵染的防御能力[37],王海宁等[33]对中华绒螯蟹选育群体的研究发现,种质较优的选育群体AKP、ACP水平显著高于对照组的未选育群体,选育群体拥有更好的机体免疫力及抗病性能。本试验中,高开闭壳频率组肝胰腺AKP和ACP活性均显著高于中、低频率组,由此反映出开闭壳频率与上述免疫相关酶的活性存在一定关联。

本研究对开壳频率这一计数指标作为三角帆蚌新的健康指征和评价方法进行了有益尝试,建议开闭壳频率可作为评估三角帆蚌健康状况的潜在指标,该研究是在试验条件下人工可控养殖场景中进行的,在生产中应用存在局限性。贝类养殖生产环境多变,开闭壳频率作为一种综合性指标,可能受到多种因素影响,开闭壳频率变化反映了多种环境变化响应,因此,开闭壳频率变化作为健康指标的产业应用,仍需在开闭壳频率长时间的变化动态和多环境因子不同强度下的变化模式等方面开展更深入研究。

4 结论

1)本研究中发明了三角帆蚌开闭壳频率检测设备和方法,发现在投饵和细菌感染过程中三角帆蚌开闭壳行为与心率变化呈相同响应趋势,且其响应幅度较心率更为强烈,表明开闭壳行为能够作为反映机体生理变化的重要指标。

2)本研究中发现正常养殖条件下同群体三角帆蚌存在开闭壳频率差异,可分为高、中、低开闭壳频率3组,高开闭壳频率组的4种免疫相关酶活性较高,可作为评估三角帆蚌健康状况的潜在指标,但研究仍存在局限性,尚待更深入研究。

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Diurnal variation of shell opening and closing frequency and heart rate of the mussel Hyriopsis cumingii and the responses of these parameters to feeding and immune stress

CHEN Yang1,LÜ Xuefeng1,LU Tingting1,WANG Zhiyan1,FU Baicheng2,YUAN Yiping2,BAI Zhiyi1,3*

(1.Key Laboratory of Freshwater Aquatic Germplasm Resources,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.Zhejiang Bairila Agricultural Technology Company,Shaoxing 311800,China;3.Shanghai Collaborative Innovation Center for Cultivating Elite Breeds and Green-Culture of Aquaculture animals,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

AbstractTo explore the feasibility of using the frequency of shell opening and closing in the mussel Hyriopsis cumingii as an indicator of organism health,we evaluated the diurnal variation of the frequency of this behavior and the heart rate of H. cumingii.We then compared the response characteristics of shell opening and closing frequency and heart rate to feeding and immune stress in the same population under normal culture conditions.The results showed that the opening and closing frequency and heart rate of H. cumingii at night were higher than those in the day,but the difference was not significant (P>0.05).The values at 1 h after feeding were significantly higher than those before feeding (P<0.05) and the heart rate amplitude increased,indicating that the shell opening and closing frequency responded to feeding behavior.The shell opening and closing frequency reached the highest value of 18.75 times/h after infection with Aeromonas hydrophila,which was 1.52 times higher than the frequency before infection (P<0.05),but by 15 h it had decreased to 31.29% of the shell opening and closing frequency before infection.At 5 h after infection,the heart rate was significantly higher than the normal level and reached a peak of 14.65 beats per minute,which was 1.25 times higher than the initial heart rate (P<0.05),and then it slowly decreased and returned to the normal level after 12 h.These results indicate that shell opening and closing and heart rate responded to bacterial infection and that the response of shell movement frequency was stronger than that of heart rate.Under normal culture conditions,shell opening and closing frequency varied within the same population,and individuals could be divided into high,medium,or low frequency.The expression of four immune-related enzymes was highest in the hepatopancreas.Expression of superoxide dismutase was significantly higher in the high frequency group compared to the low frequency group.The activities of alkaline phosphatase,acid phosphatase,and catalase in the high frequency group were significantly higher than those in the medium and low frequency groups (P<0.05).In summary,shell opening and closing frequency is more sensitive to environmental changes than heart rate,and the activities of the measured immune-related enzymes are higher in specimens that exhibit high shell opening and closing frequency.These results suggest that the frequency of shell opening and closing can be used as a health indicator for H. cumingii,which will be of great significance for promoting healthy shellfish culture.

Key wordsHyriopsis cumingii; shell valve opening and closing frequency; heart rate; enzyme activity; health indicators

中图分类号S 917.4

文献标志码A

DOI10.16535/j.cnki.dlhyxb.2024-173

文章编号2095-1388(2025)02-0263-08

收稿日期2024-08-09

基金项目财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系资助(CARS-49);国家重点研发计划(2022YFD2400105)

作者简介陈扬(1999—),女,硕士研究生。E-mail:Chanyoung_4461@163.com

通信作者白志毅(1978—),男,教授。E-mail:zybai@shou.edu.cn