文|小张

编辑|小张

前言

热应激已被证明会降低鳃组织中，Na+/K+-atp酶的活性，从而导致渗透平衡的破坏。

如今鳃鳃渗透调节的机制尚未完全阐明，本研究采用西伯利亚鲟（斑螯虾）对20℃、24℃和28℃，作用下的鳃组织进行组织病理学变化、血浆离子水平和转录组分析。

我们的研究将有助于，研究全球变暖对冷水鲟鱼的影响。

全球温度变化对鲟鱼的影响

自19世纪50年代以来，全球变暖加剧了气候变化，导致全球平均气温上升。在我国，近年来夏季经常发生极端高温，导致冷水灰在繁殖过程中出现持续的热应激。

许多研究已经证明了这一意义热应激，对冷水泡沫体的免疫力、生长代谢和行为的影响。

淡水使fsh低渗，使血液中的离子被动地分解到周围的淡水中，内部渗透压平衡是维持细胞和生理过程的基础。

为了维持渗透压，fsh需要多个器官的协调，包括鳃、肠和肾组织。特鳃组织是渗透调节系统的关键器官，它通过离子通道活性和紧密连接来调节，与外部环境的离子交换，以维持渗透平衡。

重要的是，鳃组织直接与外部环境接触，因此更有可能受到环境压力的影响。此前，我们研究了热应激对鳃组织的形态变化、损伤和氧化应激的影响。

近年来，有研究表明，热胁迫可降低鳃组织的渗透调节核心酶（Na+/ K+-ATPase）活性。然而，热应激如何影响fsh渗透调节功能仍不清楚。

鲟鱼广泛分布于整个北半球的，是生产鱼子酱的一种重要的经济冷水fsh。

2021年，中国养殖鲟鱼产量达到104,280吨，占全球产量的近80%。我国养殖鲟鱼种类中西伯利亚鲟的Te比例达到34%。中国西南地区由于全年的水温相对较低，不再适合西伯利亚鲟的繁殖。

然而，疯狂的高温天气席卷了中国西南部，给鲟鱼养殖带来了巨大的挑战。前期研究表明，西伯利亚鲟生存和生长的最适水温在20°C左右。

然而，在过去的50年里，中国西南地区夏季平均气温约为24℃，最高气温达到或超过29°C。在我们小组之前的研究中，西伯利亚鲟的鳃组织被热应激（在24℃和28℃）损伤。

然而，人们对其损坏的机制知之甚少。本研究旨在以西伯利亚鲟渗透平衡为重点，探讨热胁迫的影响机制，有助于制定应对水产养殖中热胁迫问题的策略。

热应激诱导鳃组织损伤，通过H&E染色观察到鳃组织的组织病理学变化（下图）。

Te结果显示，在20℃时，鳃丝的结构完整，清晰可见，而在24℃和28℃时，鳃丝的上皮细胞发生了变性和骨质增生，特别是在28℃时出现了坏死。

热应激提高鳃组织ROS水平，提高鳃组织ROS水平。24℃和28℃的热应激均诱导了鳃丝中明显的ROS积累。

其中，28℃时的ROS水平明显高于24℃时。测定了西伯利亚鲟热胁迫后血浆钠+、K+和氯离子含量血浆钠+、K+和氯离子含量。

Te结果表明，24℃和28℃热应激后血浆钠+和K+离子含量比20℃时没有明显变化。28℃后血浆氯离子含量明显降低（p<0.05），24℃时与对照组相比无明显变化。

鲟鱼的基因文库分析

利用西伯利亚鲟鱼不同温度暴露后的鳃组织，构建了9个RNA-seq文库，来自测序平台的所有数据集，都可以在美国国家生物技术信息中心（NCBI）短读档案（SRA）数据库中找到。

对原始数据进行测序和筛选后，每个文库获得3000-4400万个干净reads，其Q30值在94.29%~96.04%之间。

所有组的干净reads都与相应对应的单基因进行映射，映射速率为69.09%-74.76%，从头组装共获得172,158个单基因。

所有的单基因都通过ffe数据库进行了注释，包括NR、GO、eggNOG、KEGG和Swiss（表1）。在24个℃组和20个℃组中，共鉴定出8570个DEGs（FDR<0.005，log2（折叠变化）≥2），其中包含4593个上调基因和4275个下调基因。

在28个℃组和20个℃组中，共鉴定出11,835个DEGs，其中包含5,950个上调基因和5,885个下调基因。S2 C-D)。

在24℃组和20℃组中，前30个GO项如图4a所示，主要与DNA修复和凋亡有关，如“错配修复复合物”、“核苷酸切除修复、DNA切割、不匹配的DNA结合”和“调节活性氧生物合成过程”。

在28℃vs20℃组中，前30个术语与渗透调节、DNA修复和凋亡有关，包括“活性离子跨膜转运体活性”、“atp酶偶联活性离子跨膜转运体活性”、“核苷酸切除修复、DNA切割、不匹配DNA结合”和“活性氧生物合成过程的调节”。

三个对照组的区别

在KEGG富集分析中，24℃和20℃组出现前30个KEGG通路，参与DNA修复通路（如“范可尼贫血通路”“错配修复”“碱基切除修复”和“核苷酸切除修复”）和细胞凋亡（如“TNF信号通路”“p53信号通路”和“凋亡”）。

在28个℃组和20个℃组中，前30个KEGG通路包括DNA修复相关通路，以及渗透调节相关途径，如“收集导管酸分泌”、“近端小管碳酸氢盐回收”、“蛋白质消化吸收”、“加压素调节的水重吸收”和“醛固酮调节的钠重吸收”。

为了研究热胁迫对渗透调节功能的影响，我们根据氧化石墨烯富集分析中，渗透调节术语中富集的基因，鉴定了渗透调节DEGs。

在24个℃组和20个℃组中，共有117个℃基因由92个上调基因和25个下调基因组成。

在28个℃组和20个℃组中，共鉴定出194个DEGs，其中包含172个上调基因和22个下调基因。

氧化石墨烯富集分析表明，这些deg被富集分为三大功能类别：生物过程（BP）、细胞成分（CC）和分子功能（MF）。

在24℃vs20℃和28℃vs20℃组中，许多与渗透调节相关的DEGs，在“调节金属离子转运态”、“无机离子稳态”、“细胞离子稳态”、“无机离子跨膜转运”和“离子转运调控”中富集，其中主要与渗透调节功能有关。

通过热图观察了24℃和20℃、28℃和20℃组渗透调节DEGs的Te表达情况。

其中，在24℃或28℃热胁迫后，7个离子吸收（AE2、CLC-Kb、ATP1a、ATP2a、CLC-2、NHE3和ATP4a）。

3个抗性离子损失（OCLN、JAM和CLDN）和1个水分子转运（AQP3）基因的表达发生了变化。

Te7离子吸收基因在24℃热胁迫和28℃后表现出不同的表达变化，其中ATP2a表达水平显著下调，而其他基因表达水平上调。

3个抗性离子丢失基因的Te表达水平在24℃和28℃时均显著升高，而水分子转运基因的表达水平仅在28℃时升高。

采用qPCR方法检测热胁迫后鳃组织中，5个渗透调节DEGs的Te表达水平。

OCLN、NHE3、CLC- 2和AE2基因表达水平上调，而AE2基因表达水平上调，NKA-a基因在24℃或28℃时表达水平显著下调。

这些基因的Te mRNA表达与RNA-Seq结果一致，表明转录组数据是可靠的。

全球变暖增加了夏季平均气温和极端天气的频率，对造成了热威胁。鳃组织直接接触水环境，在水中保持渗透平衡。然而，关于热应激对冷水灰鳃组织，渗透调节的影响的信息较少

为了研究西伯利亚鲟热胁迫后，鳃渗透调节的效果和机制，分析了西伯利亚鲟鳃结构、ROS水平、血浆离子浓度和鳃转录组的变化。

鱼鳃组织对环境温度变化特别敏感，是研究热应激对冷水灰影响的完美器官。在本研究中，我们观察了24℃和28℃热应激后鳃组织的变性和增生，特别是在28℃发生坏死。

这些结果表明，随着热应激温度从24℃增加到28℃，鳃组织的损伤被强调，因为坏死的出现意味着鳃组织可能出现功能障碍。

既往研究表明，鳃组织的损伤与氧化应激反应密切相关。在24℃和28℃的热胁迫后，西伯利亚鲟鳃组织的ROS水平均持续上调。

Na+、K+、Cl−是血液中的主要离子，其含量的变化有很大的影响，fsh 的内稳态。

热胁迫后，西伯利亚鲟鱼血液中Na+和K+的Te浓度没有变化，而在28°C时，Cl−的含量较对照组显著降低。

然而，在高温条件下，欧洲鲈鱼（双腹鱼）和大西洋鲑鱼（Salmo salar）的血液离子中Na+、K+和Cl−浓度没有明显变化，这与我们的结果不同。

我们推测这可能与fsh患者的肾脏损害有关。肾脏是fsh中氯化钾−重吸收的器官。此外，肾组织损伤可影响氯离子通道基因的表达。

细胞渗透调节的问题

邻近的细胞。既往研究表明，激活紧密连接通路可以减少鳃组织中的离子损失。热应激可能影响鳃组织的渗透功能。为了维持淡水中的离子平衡。

鳃组织通过降低被动离子流出，和主动吸收水中的离子来进行渗透调节。从DEGs中选择5个与fsh渗透相关的基因进行qPCR分析。OCLN是一种完整的膜蛋白，构成脊索带闭塞，在fsh 的渗透调节中发挥重要作用。

在我们的结果中，OCLN在24℃和28℃时的表达增加。当fsh从海水迁移到淡水时，鳃组织通过增加OCLN的表达[17,45,46]来抵抗离子的损失。

同时，离子吸收基因（NHE3、CLC2、AE2）的表达水平有随温度升高而升高的趋势。

研究表明，鳃组织通过增加来提高活性离子吸收能力和抵抗离子损失当灰烬从高盐环境迁移到淡水环境时，NHE3、CLC-2和AE2的表达水平。

大量先前的研究表明，当水温升高时，NKA-α的表达降低，我们的20℃和24℃时热应激的变化结果证实了这一点。

综上所述，我们的研究表明，热应激可以调节冷水灰烬中鳃组织的渗透功能。

我们推测热应激导致鳃损伤，降低Na+-K+-ATP酶的活性，这可能进一步增加fsh鳃组织的通透性，促进淡水中fsh离子的损失。

此外，为了减少离子损失，鳃组织通过主动离子吸收和被动离子流出来保持离子平衡。当鳃组织轻微受损时，它可以通过上调CLDN基因的表达，增加组织连接的紧密性来承受离子的损失。

否则，当鳃组织严重受损，通透性增加时，鳃组织会激活NHE3、AE2、CLC-2来吸收水中的离子，从而维持体内的渗透平衡。

笔者观点

数据分析所有数据均以平均±标准差表示。组间差异采用单因素方差分析（ANOVA），然后采用Bonferroni多重比较检验，显著性为p<0.05。

结果表明，随着热应激温度的升高，鳃组织中的ROS水平和损伤程度均有所增加。28℃时血浆Cl−水平明显低于20℃和24℃时，而不同组间Na+和K+离子水平无明显差异。

转录组分析显示，在GO和KEGG分析中，渗透调控、dna修复和凋亡相关的术语和通路被富集。

此外，还鉴定出194个渗透调控相关基因。其中，限制离子输出、封闭（OCLN）和离子吸收的基因中。

溶质载体家族4、成员2（AE2）溶质载体家族9、成员3（NHE3）氯离子通道2（CLC-2）表达增加，而Na+/K+-ATPase alpha（NKA-a）表达降低。

文献参考