青海沙蜥和红尾沙蜥对高原低氧的适应机制研究

The study on hypoxia adaptation mechanism of animals and human beings are very important in science and valuable for applications. Few reports can be found in the field of hypoxia adaptation in reptiles. Toad headed lizard Phrynocephlus erythrurus can live on 5000m above see level, which is the highest inhabited reptile in the world. P. vlangalii can also live up to 4500m above see level. The ecophysiology of these two lizard species has hardly been studied yet. Our recent investigation has proved that the structure and affinity to oxygen of hemoglobin, capillary density of cardiac muscle etc. were significantly different from P. przewalskii which lives in low altitude areas. This project was designed to investigate hypoxia adaptation mechanisms of these two lizard species on morphology, physiology, biochemistry and molecular biology. We planed to select one population of P. erythrurus and three population of P. vlangalii in different altitude areas and examine their structure of hearts and lungs, properties of blood and hemoglobin, metabolic rate, activities of metabolism related enzymes, and expression of hypoxia induced genes and protein factors. We will try to figure out their characters related to hypoxia adaptation by comparison between species and populations. The results of this project will benefit the construction of the theory of hypoxia adaptation in animals and support the development of highland medicine.

人和动物的低氧适应机制研究具有重要的科学意义和应用价值，有关爬行动物低氧适应机制的报道很少。红尾沙蜥垂直分布可达5000m以上，是全球分布最高的爬行动物，青海沙蜥也可达4500m。这两种蜥蜴的生理生态学研究目前几乎是空白。我们近期的研究已经证实这两种沙蜥在血红蛋白结构、血红蛋白氧亲和力以及心肌毛细血管密度等方面与低海拔地区的荒漠沙蜥有显著差异。本项目拟从形态、生理、生化和分子生物学等方面研究这两种沙蜥对低氧的适应机制。计划选择红尾沙蜥的一个种群和青海沙蜥的三个不同海拔高度的种群，从以下方面开展研究，包括心肺结构、血液和血红蛋白特性、代谢率和代谢相关酶的活性以及低氧响应基因和蛋白因子的表达等，通过种内和种间的比较分析，找出与低氧适应相关的特性。本项目的研究将有助于进一步丰富和完善动物对低氧适应机制的理论体系，也为高原医学的研究和发展提供参考。本项目的成果预计可发表SCI论文6篇以上。

本项目严格按照申请书计划开展相关实验，我们采集青海沱沱河地区的红尾沙蜥、青海、甘肃的青海沙蜥多个种群以及甘肃民勤地区的荒漠沙蜥作为研究对象，比较分析了这几种沙蜥的形态特征、体温选择、血常规参数、线粒体呼吸速率，质子漏、部分代谢酶活性、氧自由基生成速率、代谢相关基因表达以及血红蛋白结构和功能等多个方面，多学科交叉研究了红尾沙蜥、青海沙蜥对高原低温低氧环境的适应特征，主要研究结果：①发现红尾沙蜥具有较低的体温选择、线粒体代谢以及代谢调控基因表达水平均显著低于低海拔的荒漠沙蜥，我们推测这种较低的体温与代谢水平是其长期适应高原低氧和低温环境的结果；②低氧能够引起爬行动物选择体温的下降和引起代谢率的改变，并能对爬行动物生理性体温调节产生影响，例如升温速率的改变和心率滞后现象的消失；③生活在高海拔缺氧环境中，红尾沙蜥的无氧代谢能力没有得到增强，提示其不依赖无氧代谢作为主要的供能方式。LDH在葡萄糖的无氧代谢中发挥着重要的作用；④不同海拔青海沙蜥在应对氧化应激所表现出的适应性调节能力上存在组织差异性，并且，长期的低氧驯化可以使青海沙蜥体内的氧化损伤程度显著增强，同时各抗氧化剂水平也得到不同程度的上升；⑤血红蛋白含量和红细胞数目的变化是红尾沙蜥适应高原低氧环境的方式之一，这种机制可以使生物体具有更多的氧气载体分子，在低氧环境中，血液可以携带更多的氧气供组织利用。较高的血红蛋白氧亲和性也是红尾沙蜥适应高海拔低氧环境的有利的进化的结果。另外，我们推测β-珠蛋白中β2-珠蛋白是红尾沙蜥血红蛋白适应高原低氧环境的主要响应元件，具体机制还需进一步阐明。研究成果方面，本项目共完成子课题项目十余项，共发表SCI论文10篇，核心期刊论文1篇，还有4篇论文处于审稿或修改状态，近期将会陆续发表。在项目执行期，先后共培养6位博士研究生及17位硕士研究生。