不同生活史对策淡水龟鳖抗氧化防御系统的适应性进化探讨

One of the central issues in animal physiological ecology is how animal physiological functions evolve to adapt to their specific environment and life strategy, which also attracts much attention in the field of evolutionary biology. Freshwater turtles are well known for their stress endurance strategies, such as strong tolerance to low oxygen, high ammonia nitrogen, starvation and intense temperature change. Turtles are also famous for their slow movement and exceptional longevity. Little is known about if any innate interrelationships exist among the above important life traits and how these functions evolved in turtles. Stress usually results in excess production of free radicals in the body, causing oxidative damage. A strong stress tolerance ability must be accompanied by an unique antioxidant system which can effectively protect the body from oxidative damage. On the other hand, free radicals, especially the reactive oxygen species ROS, are closely associated with the body's respiration metabolism. This project focuses to study relationships among the turtle locomotion and defense behaviors, metabolism and the antioxidant defense system from an adaptive evolution perspective, by comparing different species of lung breathing freshwater turtles, which differ in life history strategy, but live in a similar freshwater environment with diving behavior. Adaptive characters that contribute to strong stress tolerance will be evaluated. The present project will contribute to our understanding of adaptive evolution in stress biology of turtles.

动物的生理功能如何进化以适应其生存环境是动物生理生态学研究的中心问题之一，也倍受进化生物学家关注。淡水龟鳖类是典型的胁迫忍耐对策者，对低氧等各种环境胁迫具有惊人的耐受力。同时，龟鳖还以运动缓慢和长寿著称。这些独特的生活史性状间存在怎样的内在联系？是如何适应进化的？目前还知之甚少。活性氧自由基产生于机体的呼吸代谢，胁迫易导致机体产生过量自由基，造成组织的氧化损伤，动物的胁迫耐受力与其抗氧化系统能否有效保护机体免受氧化损伤密切相关。本项目拟以乌龟、中华鳖和鳄龟为研究对象，通过比较这几种既生活在相似环境中，均具有潜水行为，又存在明显生活史性状差异的肺呼吸动物在运动行为、能量代谢、抗氧化防御系统等方面的不同，结合各自的生活史特点，深入探讨淡水龟鳖类动物抗氧化防御系统与能量代谢、运动、防御行为之间的内在联系，评估造成其强胁迫耐受力的适应性进化要素。本项目将填补龟鳖类应激生理适应性进化研究方面的空白。

淡水龟鳖类以耐胁迫著称，其独特生活史性状间的内在联系及进化尚知之甚少。本项目以中华草龟、中华鳖和拟鳄龟为研究对象，从行为、能量代谢、抗氧化防御响应等方面的比较，深入探讨了淡水龟鳖类胁迫耐受对策的适应性进化。结果发现：①草龟较鳖和拟鳄龟返正时间长，缩壳倾向高，为被动防御；而后两者表现积极防御。草龟背甲较高，腹甲与内脏器官较大，静止代谢率RMR、肝脏线粒体代谢相关酶SDH和C3活力较高；后两者壳较小，RMR较低，但代谢区间FAS、肌LDH酶活及乳酸含量高。抗氧化防御力草龟>鳖>拟鳄龟。② 外源注射H2O2（ROS），发现最高达2.4%的ROS处理仅对鳖脾脏造成氧化损伤；脑、肝、肾ROS水平2h就明显下降；高效除ROS主要途径具组织特异性，脾是对ROS攻击最敏感的组织。③在急性冷应激过程中，草龟抗氧化酶系统不同于鳖的相对稳定，肝脏Nrf2与多数酶基因表达上调；抗氧化酶活力上升；肾脏GLO基因表达不变，VC水平于脾、脑中稳定、在肾下降，而在肝上升；总抗氧化力TAOC在肝显著升高，肾、脑稳定，在脾恢复期下降。冬眠过程中草龟抗氧化酶基因表达类似急性冷应激；出眠后GLO基因表达上调，各组织VC含量恢复或升高；TAOC在肾稳定，肝中先升高后恢复，脑下降，脾出眠后上升，血浆中先升高后降低。④三种龟鳖在氨氮（189.5mg/lTAN）暴露96h、后恢复96h处理过程中，血氨先上升后恢复，鳖上升峰值高于龟。草龟和鳖暴露期Hb增高，拟鳄龟Hct下降。暴露中草龟ROS和TAOC不变，鳖显著升高，拟鳄龟肝、肾ROS在暴露及恢复期均高，表明其对氨污染更敏感。 ⑤四周禁食后恢复投喂两周， 3种龟鳖均表现了部分补偿生长现象。禁食期3种龟鳖RMR降低，喂食后仍较低；草龟SDH酶活力降低，3种龟鳖COX酶活变化均不明显。草龟和鳖肝脏TAOC喂食后显著升高，拟鳄龟不变。禁食期草龟和鳖脑及肾脏大部分抗氧化酶活力显著上升，恢复后与对照持平；拟鳄龟禁食期不变或降低，恢复后升高。总之，草龟以高能量代谢，高抗氧化防御能力及防御性身体结构提高胁迫耐受性，拟鳄龟及鳖行为上主动性强，具较好的能量周转能力和肌肉无氧代谢能力，代谢及抗氧化防御力相对较低，体现了两种不同适应进化方向。