三角帆蚌对氨氮胁迫的应答及解毒机制研究

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氨氮是水生生态系统中威胁水生动物生存和生长的主要污染物之一,主要来源于养殖动物的排泄物、含氮化合物的微生物代谢、农业污水、工业废水和城市污水排放。三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)是我国重要的淡水育珠蚌,具有较高的经济价值,在水质净化和控制水体富营养化方面也有较大潜力。然而,目前关于双壳贝类氨中毒机理的研究还很有限。为了更好地了解贝类对氨氮的动态响应模式,本研究首次评价了氮氮对三角帆蚌的急性毒性及中毒行为表现;氨氮胁迫对三角帆蚌抗氧化系统、免疫相关酶、氨代谢相关酶和组织病理的影响;并通过转录组测序研究了氨氮胁迫对三角帆蚌免疫代谢通路的影响,旨在从组织水平、生理生化水平和分子水平探索三角帆蚌对氨氮胁迫的应答及解毒机制。1.氨氮对三角帆蚌的急性毒性效应本研究釆用96 h半静水水生生物急性毒性试验法测定了氨氮对三角帆蚌的急性毒性。结果表明,非离子氨对三角帆蚌的96 h半数致死浓度(96 h LC50)为12.86 mg/L,安全浓度(SC)为1.29 mg/L。将三角帆蚌暴露于6.43 mg/L(1/2 96 h LC50)的非离子氨中,取暴露0、24、48和96 h后三角帆蚌的肝胰腺和鳃进行组织病理切片分析。在肝胰腺中,氨氮胁迫导致三角帆蚌肝胰腺腺管肿大、管腔缩小、血细胞浸润、脂褐素聚集、消化细胞萎缩和上皮细胞脱落。在鳃中,氨氮胁迫导致三角帆蚌鳃纤毛脱落、板层间隙增加和细胞核固缩。并且发现,随着暴露时间的延长,肝胰腺和鳃的损伤程度不断加剧。2.氨氮对三角帆蚌抗氧化酶和氨代谢相关酶的影响在暴露0、6、12、24、48、72和96 h后,分别取三角帆蚌的血淋巴、肝胰腺和鳃进行生化指标测定。(1)三角帆蚌血淋巴中的氨含量随着暴露时间的增加而升高,表明三角帆蚌对氨氮具有较高的耐受性。血淋巴中碱性磷酸酶(AKP)、谷丙转氨酶(ALT)和谷草转氨酶(AST)的活性均呈先上升后下降的趋势。三角帆蚌肝胰腺和鳃中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和谷胱甘肽S-转移酶(GST)活性均呈现先诱导后抑制的趋势。说明氨暴露早期可以激活三角帆蚌的抗氧化防御系统,以保护机体免受损伤,然而在暴露后期,抗氧化防御并不能完全抵消氧化作用,丙二醛(MDA)含量升高,导致肝胰腺和鳃脂质过氧化(LPO)和组织损伤。(2)氨暴露可诱导三角帆蚌肝胰腺和鳃中谷氨酰胺合成酶(GS)的活性,但在暴露后期,由于组织受到损伤,三角帆蚌不能合成足够的GS来解毒。三角帆蚌肝胰腺和鳃中的谷氨酸脱氢酶(GDH)随暴露时间的延长呈先上升后下降的趋势,在GS下降至正常水平后,GDH仍显著高于对照组(P<0.05),说明GDH催化生成的谷氨酸并不完全用于合成谷氨酰胺。三角帆蚌肝胰腺和鳃中,ALT和AST的活性在氨氮胁迫下也均出现诱导。推测氨可能先被GDH转化为谷氨酸,谷氨酸在GS的作用下合成谷氨酰胺,或在ALT和AST的作用下转化为丙氨酸和天冬氨酸,以降低机体中的氨。3.氨氮胁迫对三角帆蚌转录组的影响对氨氮胁迫前后的三角帆蚌肝胰腺进行转录组测序,试验共获得原始Clean Data37.90 Gb,拼接后获得了356702个转录本(Transcript)和101450个单基因簇(Unigene)。氨氮胁迫后,筛选到2698个差异表达基因(DEGs),其中1446个基因上调表达,1252个基因下调表达,共富集在1032个GO条目和263个KEGG通路。经GO富集分析,DEGs主要富集在催化活性、细胞进程、结合和代谢进程。根据通路显著性和差异表达基因数目,氨氮对三角帆蚌凋亡、NOD-like受体信号通路、坏死性凋亡、TNF信号通路、MAPK信号通路和p53信号通路等KEGG通路均产生了影响。4.氨氮胁迫对三角帆蚌免疫代谢相关基因的影响根据转录组测序结果,筛选出6个免疫代谢相关的基因(HSP70、HSP90、Bcl-2、GS、Arg和GST)。利用荧光定量PCR分析暴露于氨氮不同时间后,三角帆蚌肝胰腺和鳃中这些基因的时间表达。随着暴露时间的延长,6个基因在三角帆蚌的肝胰腺和鳃中均出现诱导,表明氨暴露能够诱导免疫防御、抗原处理与呈递通路、信号转导、抗细胞凋亡、谷氨酰胺合成、氨基酸代谢、外源生物的生物降解和代谢、能量代谢及谷胱甘肽代谢等通路。综上所述,三角帆蚌具有较高的耐氨性;在受到氨氮胁迫后,三角帆蚌激活抗氧化防御系统以保护机体免受损伤,但随着暴露时间的增加,最终会导致脂质过氧化和组织损伤。合成谷氨酰胺和氨基酸代谢可能是三角帆蚌的重要氨解毒策略。转录组结果初步分析了氨胁迫前后三角帆蚌的差异表达基因及差异通路,但具体的解氨分子机制仍需进一步研究。
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