在中国绒螯蟹（Eriocheir sinensis）长期高pH压力下的肝胰腺代谢与肠道微生物群的应答机制

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Response mechanisms of hepatopancreatic metabolism and gut microbiota in Chinese mitten crab ( Eriocheir sinensis) under chronic high-pH stress

中国河蟹在慢性高pH胁迫下通过短期快速调节糖脂蛋白代谢维持稳态，长期则加速脂质分解和能量代谢，并激活免疫相关通路，同时肠道菌群结构发生显著改变，以变形菌门和假单胞菌属为特征。该研究为极端pH条件下的河蟹养殖管理提供理论依据。

　　

刘玉飞|杨宗林|张敏|陈晓武|江晓东

教育部水生遗传资源探索与利用重点实验室，上海海洋大学，上海，201306，中国

摘要

中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）是中国重要的商业养殖物种，其生存能力对异常的水质pH值非常敏感。本研究将E. sinensis置于长期高pH压力下（对照组：pH=8；实验组：pH=9和pH=10），并结合肝胰腺转录组/代谢组分析与肠道微生物群16S rRNA测序，以探讨其适应机制。结果表明，在不同压力阶段，E. sinensis表现出不同的适应策略：在短期（15天）高pH压力下，主要通过快速调节碳水化合物、脂质、蛋白质代谢和能量分配来维持体细胞稳态。相比之下，长期（30天）的压力促使该物种转向加速脂质分解、增强能量代谢，并激活与免疫相关的通路。此外，高pH压力显著改变了肠道微生物群落结构，表现为Proteobacteria和Pseudomonas的数量增加，这表明可能存在微生物失衡的风险。总体而言，这些发现揭示了E. sinensis对高pH环境的生理适应机制，为提高其在极端pH条件下的养殖可持续性提供了理论基础。

引言

中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）是中国淡水养殖中经济价值最高的养殖物种之一，其生存、生长和繁殖对水生生态系统中的多种环境因素极为敏感（Xu等人，2024年）。近年来，大规模养殖的扩张导致了环境污染和水质恶化，这不仅破坏了水生生态平衡，还显著增加了水生生物疾病爆发的风险（Mavraganis等人，2020年）。在这些环境因素中，pH值是反映水质化学稳定性的关键指标，在E. sinensis的生理代谢、免疫功能和生存中起着关键的调节作用。因此，异常的pH波动已成为制约E. sinensis养殖可持续发展的主要限制因素（Wang等人，2020a年）。

在集约化的E. sinensis养殖系统中，水pH值是一个受多种因素影响的高度可变的环境因素。例如，为了为螃蟹提供适宜的栖息地和庇护所，养殖池塘中通常会维持高达60%的水生植物覆盖率。这些水生植物的光合作用会消耗大量二氧化碳（CO?），从而导致水pH值显著升高（Qi等人，2020年）。同时，过度喂食导致饲料残留积累，再加上不适当的用药措施，进一步加剧了pH值的波动。实地测量显示，淡水养殖池塘中的pH值范围可广泛变化，介于6.6至10.2之间（Boyd和Tucker，2012年）。

高pH环境对水生动物的不利影响已在多个物种中得到充分记录。对于Procambarus clarkii，急性高pH压力会直接增加死亡率（Qing等人，2024年）。在Fenneropenaeus chinensis中，pH值升高会导致种群死亡率显著增加和免疫酶活性波动；当pH值达到9.4时，可能发生大规模死亡（Chengxu等人，2009年）。Carassius auratus gibelio在pH=9.5条件下，溶菌酶活性、呼吸爆发强度和吞噬能力均显著低于pH=8.5的对照组，表明免疫功能受到明显抑制（Wenxing等人，2011年）。从生理学角度来看，高pH不仅会在水中产生活性氧（ROS），引发水生动物的氧化应激，还会抑制氨的排泄，降低抗氧化酶活性，并损害肠道屏障的完整性（Furtado等人，2015年；Han等人，2018年；Wang等人，2018年；Duan等人，2019年）。此外，碱性环境会增加水中未电离氨（NH?）的比例，导致氨毒性增加，干扰血红蛋白的氧结合能力，最终威胁生物体的生存（Wilkie等人，1994年；Zhipeng，2018年）。

水生动物可以通过调整代谢途径等生理策略来适应pH压力。E. sinensis具有强大的离子调节能力，理论上具有更宽的pH耐受范围（Fehsenfeld和Weihrauch，2016年；Weihrauch和O'Donnell，2017年）。然而，现有研究仅证实高pH会导致E. sinensis幼体出现氧化应激、炎症反应和血淋巴中氨水平升高（Min等人，2008年；Qi等人，2020年）。E. sinensis应对高pH压力的分子调控机制和代谢适应途径尚不明确，这一知识空白阻碍了养殖业抗压力管理策略的发展。

多组学测序和综合分析能够从基因表达、代谢物变化和肠道微生物相互作用层面解析生物体对环境压力的响应机制，为理解E. sinensis的高pH适应策略提供了新的视角。因此，本研究聚焦于E. sinensis的肝胰腺和肠道，结合转录组学、代谢组学和16S rRNA测序方法，识别在高pH压力下差异表达的基因（DEGs）、差异代谢物（DMs）和差异丰富的肠道微生物类群。这种方法有助于阐明分子调控网络、代谢适应途径和肠道微生物群响应模式。这些发现为了解甲壳类动物在pH压力下的分子-代谢-微生物协同机制提供了新的理论见解，并为优化E. sinensis养殖中的高pH管理提供了科学指导。

实验部分

饲养管理和样本采集

实验用的中华绒螯蟹幼体来自上海海洋大学崇明研究基地。选择了附肢完整、体重在8至9克之间的雌性个体。设置了三个pH梯度，包括一个对照组（pH=8）和两个实验组（pH=9和pH=10）。使用塑料储存箱（55厘米×40厘米×25厘米）作为饲养设施，每个pH梯度设置3个重复组。每个箱子里放有20只幼蟹。

肝胰腺酶活性

长期高pH暴露后对肝胰腺抗氧化剂和免疫参数的分析显示（图1），在15天时，高pH处理组（A9、A10）的总抗氧化能力（T-AOC）显著高于A8对照组（P<0.05）。SOD活性随pH值升高而增加，其中A10组的SOD活性显著高于A8组（P<0.05）。当暴露时间延长至30天时，T-AOC和SOD活性水平没有统计学上的显著差异。

讨论

水pH值是调节水生生物生存和生理功能的关键环境因素，可通过信号通路显著影响E. sinensis的基因表达模式和代谢网络稳态（Zhu等人，2022年）。本研究分析了E. sinensis在长期高pH压力下的生理反应、分子调控和肠道微生物群变化，系统地揭示了其多维适应机制。

结论

本研究结合了生理测定、多组学分析和16S rRNA测序，阐明了Eriocheir sinensis在长期梯度高pH压力下的适应机制。在生理层面上，螃蟹在抗氧化和免疫系统方面表现出阶段性的响应：在15天时出现氧化应激，而到30天时这些指标逐渐稳定，反映了适应性调节。在分子和代谢层面上，15天时类固醇生物合成

CRediT作者贡献声明

刘玉飞：撰写——初稿，正式分析，数据管理。杨宗林：撰写——初稿，正式分析，数据管理。张敏：撰写——审稿与编辑，验证，方法学。陈晓武：撰写——审稿与编辑，方法学，概念构建。江晓东：撰写——审稿与编辑，验证，资源准备，概念构建。

利益冲突声明

我们确认本文中呈现的所有研究和数据都是准确、可靠且无偏的。我们遵循了所有伦理准则，并披露了任何潜在的利益冲突，以确保研究的透明度和完整性。我们相信这些披露不会影响我们研究结果的有效性和完整性。

致谢

本研究得到了上海市科学技术委员会的一个专项项目（项目编号：23YF1416900）的支持。