温度胁迫对扇贝响应机制的研究进展

关文娟，黄小芳，刘鹏，刘晓雨

（大连海洋大学农业农村部北方海水增养殖重点实验室，辽宁 大连 116023）

扇贝（Patinopecten yessoensis），隶属于软体动物门（Mollusca），瓣鳃纲（无头纲、双壳纲Bivalvia），翼形亚纲（Pterimorphia），异柱目（珍珠目）（Pterioida），扇贝科（Pectinidea），扇贝属（Pecten），共有50 多个属与亚属，约400 种[1-2]。国内扇贝养殖品种主要有海湾扇贝（Argopecten irradians）、虾夷扇贝（Mizuhopecten yessoensis）、栉孔扇贝（Chlamys farreri）和华贵栉孔扇贝（Chlamys nobilis），其中海湾扇贝和虾夷扇贝均属引进国外的优良品种，而栉孔扇贝和华贵栉孔扇贝则属本土物种[3]。扇贝作为中国重要的经济海水养殖贝类，主要分布于辽宁、山东、河北省等环黄海区域[2，4]。扇贝不仅享有“海洋食草动物”之称，且具有极高的经济价值与营养价值[5-6]。近年来，扇贝养殖产业规模逐步扩大，受各种不可调控的环境因素影响，虾夷扇贝[7]、华贵栉孔扇贝[8]以及海湾扇贝[9]等贝类，均在度夏与越冬等环节出现大规模死亡，严重遏制了扇贝养殖产业的健康可持续发展。目前，关于扇贝对温度耐受能力方面的研究，已成为众多学者关注的一个热点课题。现简述近年来扇贝响应温度胁迫的生理生化及分子机制方面的相关研究进展，旨在为进一步开展扇贝耐温机理的研究和健康养殖，提供参考。

1 温度胁迫对扇贝生理生化水平的影响

水温是影响软体动物生长发育、能量代谢和免疫功能等生理生化过程的重要环境因素[10]。温度过高或过低，均会直接或间接引起贝类生理及生化代谢等功能的紊乱，甚至造成死亡[11-12]。国内外均已出现过由于温度变化而导致扇贝异常死亡的现象。例如，1995—1996年冬季，在挪威西部海岸，养殖的大扇贝死亡率较高[13]；2014年，由于受到北黄海冷水团的影响，在辽东半岛东南长山群岛的虾夷扇贝，出现大批死亡现象[14]；2017年，獐子岛水域发生扇贝死亡事件，黄海北部水域的海洋热浪，可能是该事件的主要诱因之一[15]；2019—2021年，由于沿海变暖等因素的影响，导致美国东北部科德角地区的海湾扇贝捕捞率，发生了显著性下降[9]。另外，由于我国北部海区的温度波动较大，冬季近岸水域和池塘水温可降至-1 ℃或者更低，对海水贝类养殖业产生了很大影响，已不适宜海水贝类的养殖[16]。Jiang 等[17]、Chen 等[18]、郝振林等[19]、Hao 等[20]、高振锟等[21]、郝雨[22]研究了温度变化，对栉孔扇贝、虾夷扇贝、华贵栉孔扇贝的生理或免疫指标的影响，为温度胁迫因子对扇贝养殖影响的生理生态学方面的研究提供了理论依据。

1.1 温度对扇贝生理的影响

温度是影响海水贝类生理活动的重要环境因子[23]，对其摄食、呼吸和排泄等生理代谢均有显著影响[24]。适宜水温范围内，扇贝的代谢速率与温度的上升成正相关，当超过适宜水温范围后，其代谢就会出现异常[25]。在摄食方面，Jiang 等[26]研究了温度骤变对虾夷扇贝的影响，结果表明，摄食率在15 ℃时达到最高，但水温从15 ℃降至5 ℃或升至20 ℃时，摄食率均呈现出显著的下降趋势。在呼吸代谢方面，徐东等[27]研究发现，温度对虾夷扇贝的呼吸代谢影响显著，在试验温度范围内，其耗氧率和排氨率随温度的升高而增加，15 ℃时达最大值，随后又降低；表明当海水温度超过其最适温度时，易引起贝类生理代谢发生紊乱。生物鳃作为机体呼吸与免疫调节的主要器官，具有与周围水环境直接接触的表面积，对养殖海水温度的改变，可做出快速的响应[10，28]。文献[10]研究报道，温度可通过影响鳃的显微结构，以适应温度的变化。郝振林等[19]研究发现，在高温条件下，虾夷扇贝鳃丝与丝间隔的宽度，随着温度的升高而逐渐变窄，表明温度对鳃组织结构具有显著影响。心率作为机体应对水环境变化的重要生理性指标，可有效评判扇贝生物机体的环境耐受能力，反映个体的代谢能力以及环境适应性[29]。郝杰华等[30]研究认为，在水温变化时，虾夷扇贝循环生理性指标与水温均成正相关，同时机体为了减少自身的能量消耗，从而使扇贝在较低的血流与心脏搏动节奏下，保持着较高的血流通畅性，维持机体代谢，进而满足血液循环的需求，这也与其冷水性的生态习性相适应；Xing 等[31]研究报道，当水温从5 ℃上升至30 ℃左右时，栉孔扇贝的心率以（1.73±0.04）bpm/℃速率增加，在（30.03±0.23）℃达到峰值后，随着温度的升高心率急速下降；Zhu 等[32]在海湾扇贝32 ℃的模拟试验中发现，心率（HR）、心振幅（HA）、心率振幅乘积（RAP）等，均在24 h 达到峰值，但在第3 天时急剧下降，此时与其死亡率相一致。

1.2 温度对扇贝抗氧化酶活性的影响

生物机体在环境胁迫或代谢过程中，体内会产生大量的过氧化氢（H2O2）和氧气（O2）等活性氧自由基（ROS），ROS 的产生，会对机体（DNA、脂质、蛋白质等）造成一定的损伤，进而导致生物机体的代谢过程紊乱[10]。研究表明[33]，温度的急剧变化，会直接影响水产养殖生物机体的抗氧化体系，主要由于水温的改变，导致机体耗氧量增加，促进ROS 的产生和细胞氧化状态的改变，从而引发一系列与抗氧化剂和氧化酶体系相关的免疫反应[18，34-35]。在正常生理状态下，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD），作为生物体抗氧化酶体系的主要防御酶类，是检测机体免疫防御能力的主要指标[36-37]。其中，SOD 可以将生物体内的ROS 转化为H2O2，然后由CAT 和POD 分解为水（H2O）和O2，三者相互协同，可有效清除及平衡体内细胞的ROS[37-38]。同时，总抗氧化能力（T-AOC），能够反映机体抗氧化酶和非酶促系统，对外界刺激的代偿能力及自由基代谢状况，可作为衡量机体抗氧化系统功能状况的综合性指标[39]。在温度胁迫下，杜可等[40]研究发现，温度骤降时，华贵栉孔扇贝组织内的SOD 和CAT 活性，随着降温时间的延长，呈现先增后减的趋势。Tan 等[41]对华贵栉孔扇贝的研究表明，在急性冷应激（8 ℃）0～3 h 时，大部分组织中的CAT 含量显著升高；3～6 h 时，CAT 含量仍保持在峰值；6 h 后，大部分组织中的T-AOC、SOD 和CAT 含量下降或维持在较低水平。郝振林等[42]研究认为，在相同升温模式下，虾夷扇贝体腔液中的SOD、CAT、POD 和T-AOC 水平，随温度升高，均呈现先升高后降低的变化趋势。环境温度对扇贝生长影响较大，尤其是温度的急剧改变，显著影响扇贝机体的免疫能力[11]。扇贝在应对温度胁迫时，短时间的温度刺激，可能会诱导机体提高其抗氧化酶的活性，产生防御应激反应。但由于调节适应温度的机制有其局限性，在受到持续性的极限耐受范围（温度或时间）时，其抗氧化防御体系的平衡将会被破坏，从而导致其代谢紊乱，生长速率减缓，甚至引发死亡现象[16，40]。

2 温度胁迫对扇贝分子机制的影响

近年来，有研究报道，通过RNA-Seq 技术，探索未知基因、分析相关信号通路以及发掘功能基因，是研究生物机体对环境胁迫响应分子机制的有效途径，并且已在扇贝温度耐受性的研究中得到广泛应用[29]。如岩扇贝[43]、海湾扇贝[44]、华贵栉孔扇贝[8]、紫海墨扇贝[45]及虾夷扇贝[46]等，已完成了不同程度的转录测序结果。

2.1 温度胁迫对扇贝热休克蛋白基因表达的影响

热休克蛋白（HSPs），是一类在环境刺激诱导下生成的一组具有高度保守性的细胞分子伴侣蛋白，能够帮助非活性蛋白正确折叠，促进受损细胞蛋白降解，并在维持细胞稳态和细胞信号转导调控中起着关键作用[47-48]。该蛋白主要包括HSP100、HSP90、HSP70、HSP60 及小分子质量smHSP 家族[49]。其中HSP70 作为一种应激相关蛋白，在正常细胞状态下含量较低，而在应激状态下会发生基因表达变化，可作为应激反应和评价组织细胞，是否处于危险状态的分子生物标志[16，50]。已有研究证明[16]，温度胁迫可诱导扇贝HSP70 基因表达。Brun 等[51]研究发现，海扇贝在热休克（10～20 ℃）24 h 时，引起体内HSP70的显著表达，而海湾扇贝则在热休克（20～30 ℃）3 h后的恢复期内，变化显著；Jiang 等[17]研究表明，在急性应激25 ℃水温暴露下，栉孔扇贝鳃组织中HSP70的表达水平，在3 h 时显著升高，6 h 时达到最高值。此外，冷休克诱导后，海湾扇贝从20 ℃降至3 ℃3 h 时，HSP70 的表达显著增加[51]；张旭[8]对华贵栉孔扇贝的研究表明，鳃组织中HSP70 的表达量，随着温度的下降而下降，说明低温胁迫可能超过了HSP70 对扇贝的保护范围。因此，HSPs 家族内的HSP70，作为扇贝响应温度胁迫的关键基因，可能参与了扇贝抵御温度胁迫的过程。

2.2 温度胁迫对扇贝信号传导的响应途径

扇贝在响应温度胁迫（高温/低温）过程中，涉及多种信号传导代谢途径，如内质网的蛋白加工、磷脂酰肌醇代谢、NOD 样受体信号通路等。热应激即指高温刺激（超出自身体温的调节能力）下，机体所做出的非特异性生理反应的总和[52]。苏晓盈[45]研究发现，紫海墨扇贝主要涉及细胞凋亡、内质网蛋白加工、吞噬体、谷胱甘肽代谢、致病性大肠杆菌感染等过程，结果表明，机体在响应高温胁迫过程中，主要通过合成大量相关蛋白，维持细胞结构功能的正常和机体氧化还原的平衡，增强机体免疫能力。刘阳[43]研究认为，岩扇贝幼贝的差异表达基因（DEGS），在内质网的蛋白加工、NOD 样受体信号通路、抗原处理等代谢途径影响较大，同时HSP70 等蛋白应激基因，也呈现高度差异表达；Mao 等[53]通过转录组数据分析发现，3 种扇贝上调DEGS 高度富集于几种免疫和细胞凋亡等相关途径，此外HSPs也呈现出显著上调，这可能有助于正确的蛋白质折叠，以促进扇贝适应环境的改变；Song 等[54]通过转录组学分析发现，在暴露于热应激组中，墨西哥湾扇贝的DEGs，富集在钙离子、激酶活性、磷酸酶活性和脂质相关通路中；Li 等[46]在对虾夷扇贝的研究中发现，DEGs 主要参与代谢途径和蛋白质合成途径，并对虾夷扇贝的氧化应激、细胞凋亡、机体代谢和蛋白折叠有显著影响。

在低温胁迫下，刘桂龙[44]研究表明，海湾扇贝筛选到一些与热休克蛋白、细胞凋亡、细胞骨架重排等免疫应答相关的DEGs，其中一些特异表达的DEGs，主要与溶酶体、Notch 以及磷脂酰肌醇等信号通路相关；张传旭[8]对华贵栉孔扇贝研究发现，DEGs 在磷酸酰肌醇信号系统、鞘糖脂代谢、溶酶体和谷胱甘肽代谢等信号通路均有涉及，表明长期的冷胁迫，可能会导致免疫和信号传导系统异常，同时发现HSP70 对温度变化敏感，可考虑将其作为慢性低温胁迫的分子检测指标，也可以作为后续耐低温选育的分子标记；Song 等[54]通过转录组学分析发现，在暴露于低温应激组中，墨西哥湾扇贝中，大多数DEGs 富集于RNA 处理途径中；Greco 等[55]对南极扇贝耐低温机制的研究发现，已鉴定的上调基因（URG），参与mRNA 和蛋白质稳态的维持，以及细胞骨架功能的保存过程。大连海洋大学农业农村部北方海水增养殖重点实验室基于RNA-Seq 技术进行分析，发现在高温胁迫下，不同壳色海湾扇贝的DEGs主要富集于免疫与信号转导等相关途径；在低温胁迫下，DEGs 主要富集于蛋白加工、代谢、免疫等相关代谢途径（数据待发表）。

综上所述，在温度胁迫下，扇贝可能通过蛋白加工、细胞过程、代谢、免疫、信号转导等代谢途径，调节适应温度环境的压力。扇贝应对温度胁迫的响应机制，可能主要表现在抑制应激反应与蛋白合成活动的调节过程中。不同品种扇贝由于温度适应性的差异，其对温度胁迫的适应机制可能具有共同之处和种间特异性。

3 展望

温度胁迫，是影响扇贝生长发育的主要环境诱因之一。为了深入了解扇贝响应温度胁迫的适应机制，人们对温度胁迫下扇贝的生理生化和分子机制方面已进行了较多研究。迄今为止，虽然研究已获得许多突破性的进展，但研究尚未全面。另外，由于扇贝在生长过程中与其逆境胁迫的复杂性，目前关于温度胁迫对扇贝的影响有待进一步深入。

（1）运用多种环境因子的综合作用，对扇贝展开多重适应性的逆境研究，进而了解扇贝生理状态及分子响应机制。

（2）深入开展有关扇贝耐温性的全基因组的破译、GWAS 分析以及关键基因挖掘与调控序列等分子方面的研究，进而从分子层面深入分析扇贝有关环境适应与生命演化的基本规律。

（3）进行优良品种的选育，使用基因工程等手段，降低温度对扇贝造成的影响。