在梅雷特里克斯螺(Meretrix meretrix)受到热应激和余氯共同作用的情况下,对其免疫反应和抗氧化反应进行的转录组学(Transcriptomic)及基于加权基因共性网络分析(WGCNA)

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》:Transcriptomic and WGCNA analysis of immune and antioxidant responses in Meretrix meretrix under combined thermal and residual chlorine stress

【字体: 时间:2026年01月23日 来源:Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics 2.2

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  本研究通过转录组学分析,探讨温度与余氯复合胁迫对中国蛤蜊免疫和抗氧化功能的影响,发现654个差异表达基因,涉及代谢和信号通路,为揭示其适应机制及生态风险防控提供依据。

  
沈帅|朱月|范雅然|张轩|胡浩鹏|王风彪|刘龙宇|鲍金猛|李磊|姜梅
上海海洋大学,中国上海 201306

摘要

随着社会经济的发展和生活水平的提高,企业和居民的电力使用量持续增加,这导致了更多更大规模的热电厂和核电站的建设。沿海电厂的热排放不仅引入了残留氯,还提高了附近海水的温度,从而威胁到了海洋生态系统,尤其是底栖软体动物。然而,关于蛤蜊(Meretrix meretrix)在热应力和残留氯共同作用下的免疫和抗氧化分子机制的研究仍然很少。因此,本研究采用了一种包含多种应力梯度的比较转录组学方法来探索潜在的分子机制。实验中,对照组保持在26°C且不含残留氯的环境中,而M. meretrix则暴露在27°C、28°C、30°C的不同温度以及0.02 mg/L的残留氯环境中30天,之后对其肝胰腺进行了转录组分析。分析结果共鉴定出654个差异表达基因(DEGs),这些基因主要涉及氨基酸代谢、辅因子和维生素代谢、脂质代谢、碳水化合物代谢以及能量代谢途径,包括代谢、运输和分解代谢以及信号转导过程。热应力和残留氯显著下调了所有组中与免疫相关的基因表达,包括参与信号转导、prophenoloxidase级联反应、细胞凋亡和模式识别蛋白/受体的基因。此外,热应力和残留氯还显著影响了抗氧化相关基因的表达,如谷胱甘肽S-转移酶(GST)和热休克蛋白70(HSP70)。此外,通过加权共表达网络分析(WGCNA)进一步发现了涉及Hspa12bCASP3Prdx1CYP10CYP2C16txn等基因的差异表达模式。总体而言,本研究为了解M. meretrix在热应力和残留氯共同作用下的免疫和抗氧化功能提供了宝贵的见解,为理解其适应机制和指导沿海水产养殖的生态风险缓解提供了基础。

引言

大规模的热电厂和核电站采用直流冷却技术,在生产和运行过程中会抽取大量自然冷却水并排放高温废水。这种高温废水被称为热排放(Kokaji, 1995; Du et al., 2025)。热排放主要来自热电厂、核电站和其他工业设施的冷却系统。加热后的水通过冷却系统直接排放到自然水体中,导致接收水体的温度升高,这种现象被称为热污染(Logan and Stillwell, 2018)。同时,包括核电站和燃煤电厂在内的热电厂在运行过程中会添加残留氯以防止污损生物附着。含有残留氯的废水对附近海域的水产养殖构成潜在生态风险,尤其是对贝类养殖的影响(Coulter et al., 2014)。热排放和残留氯可能影响水生生物的生长、存活和繁殖,改变群落多样性和丰度,并可能导致栖息地变化(Cai et al., 2023)。
热应力会影响双壳类的生理功能,如氨排泄率、摄食率、耗氧率和过滤水率。研究表明,持续的高温显著增加了Cyclina sinensis的死亡率,并影响了其生理和生化指标(Chen et al., 2024)。对Ruditapes philippinarum的研究表明,温度显著影响了它们的过滤水率、摄食率、同化效率和呼吸率(Han et al., 2008)。对M. meretrix的研究也发现,随着温度的升高,呼吸率和排泄率都会增加(Baojun et al., 2005)。此外,热应力还能激活抗氧化酶基因(CATGSH-PXSOD)。这些抗氧化酶的活性在R. philippinarumScylla paramamosain中显著增强(Liu et al., 2022; Zhang et al., 2024a)。高温还诱导了R. philippinarumFox基因的高表达(Liu et al., 2024)。此外,Mulinia lateralis的热耐受性与特定SNP和候选基因相关(Wang et al., 2024)。温度升高导致Crassostrea virginica中HSP70基因的表达增加,同时伴随着氧化应激生物标志物的激活、细胞凋亡和γH2AX信号通路的活化(Faizur et al., 2023)。在Sinonovacula constricta中,差异表达基因(DEGs)主要富集在氧化应激、免疫和代谢途径相关通路中(Xianghui et al., 2022)。
残留氯会直接导致双壳类死亡,浓度越高、暴露时间越长,死亡率越高。它还会影响亚致死参数(Rajagopal et al., 2003a),例如降低生理活性水平。虽然低浓度的残留氯(<1 mg/L)不会致命,但会抑制摄食率并引发贝壳闭合行为(Rajagopal et al., 1997a; Rajagopal et al., 1997b; Rajagopal et al., 2003b)。在Dreissena polymorpha中,0.5 mg/L残留氯条件下的贝壳开启频率降至对照组的十八分之一(Rajagopal et al., 2002)。在残留氯应力下,绿色贻贝Perna viridis中的抗氧化酶(T-AOC, SOD)和免疫酶(AKP, ACP, LZM)表现出时间依赖性的变化,免疫相关分子(如模式识别受体、细胞凋亡途径)也发生显著改变(Masilamoni et al., 2002)。C. sinensis的肝胰腺中抗氧化酶和免疫酶的活性受到残留氯浓度和暴露时间的双重调控,GSTHSPs等基因的表达也发生了显著变化(Wang et al., 2023)。
M. meretrix属于软体动物门(Mollusca)中的双壳纲(Bivalvia)、异齿亚纲(Heterodonta)、维纳斯目(Venerida)和维纳斯科(Veneridae)。它分布广泛,是中国、韩国和日本常见的经济性双壳类物种,主要栖息在河口附近的泥滩和浅海区域。由于其肉质鲜美,它是中国主要的传统养殖贝类之一(Zhang et al., 2012)。然而,目前的研究主要集中在单一应力因素(如温度或残留氯)或其表型效应上,而双因素相互作用背后的机制尚不清楚。值得注意的是,关于温度和残留氯共同作用于M. meretrix的研究很少,大多数研究集中在其他双壳类上。然而,这些效应背后的分子机制,特别是涉及免疫反应和抗氧化损伤调节的机制,需要进一步研究。本研究进行了为期30天的热应力和残留氯应力实验,并对M. meretrix的肝胰腺进行了转录组分析,旨在阐明联合应力的毒性效应及其相应的分子响应机制。研究结果为理解贝类的抗逆机制和预防控制水产养殖中的生态风险提供了理论支持。

伦理声明

本研究中使用的M. meretrix不属于任何国家或国际法规保护的濒危物种。所有实验程序均在符合生物安全和动物福利标准的实验室中进行。采样前采取了必要措施以减少蛤蜊的痛苦和压力。
样本收集
从鲁东蛤养殖区采样后,M. meretrix被运输到实验室,并在装有过滤海水的玻璃水箱中暂时饲养。

转录组数据的初步分析

本研究共设置了四个组,包括一个对照组和一个实验组,每个组包含三个平行样本。最终获得了113,644,753,200条原始数据。经过质量控制后,得到106,214,807,887条干净的数据。Q30值超过92%,Q20值超过97%,GC含量在39.18%到43.34%之间(补充表1)。

差异表达基因(DEGs)的鉴定

在本研究中,第1组作为对照组

与免疫相关基因的响应机制

丝氨酸蛋白酶(SP)是一类广泛分布的蛋白酶,具有多种关键的生理功能,包括消化、血液凝固、胚胎发育和免疫反应过程(Zhang et al., 2025)。丝氨酸蛋白酶抑制剂是一类通过与丝氨酸蛋白酶形成稳定复合物来抑制其活性的蛋白质,从而防止因丝氨酸蛋白酶过度表达而导致的有害水解反应。

结论

本研究采用了一种双应力实验方法,对M. meretrix进行了30天的处理,利用不同的温度和残留氯对其肝胰腺进行了转录组分析。结果共鉴定出654个差异表达基因(DEGs)。这些基因主要富集在氨基酸代谢、辅因子和维生素代谢、脂质代谢、碳水化合物代谢以及能量代谢途径相关基因中,包括代谢、运输和分解代谢等方面。

CRediT作者贡献声明

沈帅:撰写初稿、数据可视化、软件应用、方法学设计、数据整理。朱月:项目监督、项目管理、实验设计。范雅然:软件应用、数据整理。张轩:资源获取。胡浩鹏:数据分析。王风彪:资源提供。刘龙宇:结果验证。鲍金猛:数据可视化。李磊:资金筹措、概念构思。姜梅:撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
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