代谢组学研究表明，GABA（γ-氨基丁酸）是剃刀蛤应对盐度胁迫的关键介质

《Aquaculture》：Metabolomics reveals GABA as a key mediator of salinity stress in razor clam

刀额 snail clams 低盐耐受的代谢组学研究显示 GABA 参与多通路调控，外源补充显著增强生长和渗透能力。

　　

高格琪|林子涵|韩玉婷|尚梦薇|孙家慧|牛东红|李佳乐

上海海洋大学水生动物遗传与育种协同创新团队，中国上海 201306

摘要

气候变化加剧了潮间带的盐度波动，给双壳类水产养殖带来了重大经济损失。因此，了解低盐度耐受机制对于保护水产养殖生产至关重要。为了探讨其对低盐度胁迫的反应，本研究采用基于LC-MS的代谢组学方法分析了两种具有不同耐受性的剃刀蛤（Sinonovacula constricta）家族的鳃组织代谢谱：一个耐盐家族（F28）和一个敏感家族（F8）。在两个家族之间共鉴定出514种显著不同的代谢物（SDMs）。途径分析揭示了11条共同富集的代谢途径，包括精氨酸和脯氨酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及丁酸代谢。值得注意的是，4-氨基丁酸（GABA）参与了多条富集途径，并且在F28中的含量下降更为明显，这表明GABA的消耗是促进S. constricta低盐度耐受性的关键因素。与此发现一致的是，在低盐度胁迫下，GABA相关基因（GAD和ABAT）以及GABA受体基因（GABA_Aα和GABA_B(1b)）的表达显著上调（P?S. constricta的生长，维持了心率稳定，增强了AQP4的表达，提高了Na⁺/K⁺-ATP酶活性，并增加了ATP含量。这些结果表明，增加GABA的可用性有助于维持渗透适应。这些发现突显了GABA作为低盐度耐受性关键介质的重要作用，并支持将饮食中的GABA补充作为在盐度波动条件下提高S. constricta养殖产量的实际策略。

引言

河口地区被认为是生态上最关键且变化最剧烈的海洋地理环境之一，是支持重要生物多样性的关键生态系统（Parada等人，2012年；Roman等人，2023年；Román等人，2024年）。近年来，由于全球变暖、海洋酸化和极端天气事件，海洋环境发生了频繁变化，给海洋生物的生存带来了重大挑战（Poloczanska等人，2013年；Richardson等人，2012年）。全球变暖导致的冰川融化和降水增加显著改变了海洋环境的物理化学性质，特别是盐度显著下降（Sun等人，2023年）。然而，作为海洋生态系统中最敏感的区域之一，河口由于持续的重雨和地表径流增加等因素，盐度下降更为明显（Khan等人，2024年；Zhao等人，2022年）。对未来气候变化的预测分析表明，极端天气事件的频率可能会增加，这意味着河口环境可能会面临更严重的低盐度胁迫（Lorenzo和Alvarez，2020年）。

盐度作为一种关键的环境因素，当其发生突然变化时，会对双壳类动物的关键生物过程产生重大影响，包括生长、存活、代谢、免疫和生理功能（Wang和Li，2018年；Zeng等人，2024年）。在生理指标中，心率被广泛用于评估双壳类动物对环境变化的应激反应能力（Davis等人，2023年；Liu等人，2025a；Wu等人，2025年）。例如，有研究通过比较三种鲍鱼的心率来评估它们的盐度耐受性（Boamah等人，2022年）。类似的方法也被应用于Mytilus mussels和Anodonta cygnea，以监测它们对盐度变化的生理反应（Kholodkevich等人，2021年；Williams，2024年）。作为渗透调节者，双壳类动物会通过内部渗透调节来响应外部盐度变化，激活一系列生理机制以适应新条件（Medeiros等人，2020年；Yang等人，2024年）。离子转运蛋白和 aquaporins（AQPs）在维持细胞水分和离子平衡中起着核心作用（Dildar等人，2025年；Zhang等人，2024年）。Na⁺/K⁺-ATPase（NKA）是一种关键的离子转运蛋白，通过ATP水解驱动跨膜离子转运。值得注意的是，超过一半的细胞能量消耗用于维持NKA的活性，这突显了其在维持渗透平衡中的关键作用（Clausen等人，2017年）。Aquaporins（AQPs）是一类专门用于水转运的整合膜蛋白，有助于水和小溶质在质膜上的移动，从而对细胞和渗透平衡起着关键作用（Ishibashi等人，2011年；Zeng等人，2024年）。这些关键指标被广泛用作评估双壳类动物渗透调节能力和应激耐受性的有效参数（Hwang等人，2025年；Liu等人，2025b）。

GABA（4-氨基丁酸）是一种四碳非蛋白质氨基酸，在植物和动物中既作为代谢物也作为信号分子广泛存在（Shelp等人，1999年）。它在应对生物和非生物胁迫以及信号转导中起着重要作用（Xiao等人，2025年）。GABA的代谢过程包括其合成和分解，主要通过GABA shunt途径进行（Bouché等人，2004年）。GABA在细胞质中由谷氨酸（Glu）通过谷氨酸脱羧酶（GAD）合成，并在线粒体基质中通过GABA转氨酶（由4-氨基丁酸转氨酶（ABAT）编码）分解为琥珀酸半醛（SSA）。这一过程有助于维持线粒体三羧酸（TCA）循环和能量产生，调节多胺途径，并促进抗氧化剂的生成（Besse等人，2015年；Li等人，2021年）。此外，GABA可以从去极化的突触前神经元扩散到突触后侧，在那里与GABA受体结合。GABA受体主要有两种类型：离子型GABA_A受体和代谢型GABA_B受体（Ghit等人，2021年）。GABAA受体的激活会打开其离子通道，允许氯离子（Cl^?）沿着浓度梯度流入细胞，导致膜超极化（Blednov等人，2014年；Sigel和Steinmann，2012年）。代谢型GABAB受体是GPCRs，主要通过Gi/o蛋白介导缓慢、持续的信号传导。它们在突触前和突触后都起作用，要么通过阻断电压门控Ca²⁺通道来抑制神经递质的释放，要么通过激活GIRK通道来诱导神经元超极化（Shaye等人，2021年）。

外源GABA的应用已被证明可以通过增强抗氧化能力和增加氨基酸等渗透调节物质的水平来提高盐度耐受性（Dabravolski和Isayenkov，2023年；Tang等人，2022年；Wu等人，2020年；Zhao等人，2024年）。在海洋水产养殖中，GABA被广泛用作多种物种的功能性饲料添加剂，包括鲫鱼（Carassius carassius）、罗非鱼（Labeo rohita；Hamilton，1822年）和中国绒螯蟹（Eriocheir sinensis）（Kumar等人，2023年；Yan等人，2024年；Yang等人，2024年；Zhang等人，2022年）。它已被证明可以促进生长性能，改善免疫反应，并提高养殖鱼类、虾和蟹的疾病抵抗力（Jinho等人，2024年；Xie等人，2017年）。初步研究还探讨了GABA在盐度胁迫下水生物种中的作用。例如，长期低盐度胁迫对扇贝（Mizuhopecten yessoensis）的影响发现，GABA-T的表达上调，增强了其在胁迫条件下的有氧呼吸代谢能力（Xiao等人，2025年）。同样，将塞内加尔鳎鱼（Solea senegalensis Kaup 1858）暴露在不同盐度下发现，低盐度组（5?g?L^?1）的GABA水平显著低于对照组（38?g?L^?1），表明其在细胞体积调节中的潜在作用（Aragao等人，2010年）。此外，还观察到了不同物种间GABA反应的差异：在海洋鳉鱼（Fundulus majalis）和两种广盐性近缘种（Fundulus heteroclitus和Fundulus grandis）中，急性低盐度暴露导致F. majalis的GABA含量显著下降，而F. heteroclitus和F. grandis没有明显变化（Munley等人，2021年）。这些发现共同强调了GABA在介导水生物种对低盐度胁迫反应中的重要作用。

剃刀蛤Sinonovacula constricta是一种典型的潮间带和河口双壳类物种，在水产养殖中具有重要的经济价值（Niu等人，2016年；Xia等人，2025年）。这种物种能够适应广泛的盐度范围（5–28?psu）（Ran等人，2019年）。然而，日益严重的气候条件现在带来了极端低盐度胁迫的更大威胁（Zhu等人，2024年）。作为一种广盐性双壳类动物，S. constricta通过调节一系列生理过程来应对外部盐度变化，包括能量代谢和抗氧化防御（Mardones等人，2024年；Peng等人，2019年；Ran等人，2017年；Wei等人，2026年）。鳃作为直接接触环境水的主要渗透调节器官，会随着盐度变化而发生结构重塑（Cao等人，2022年）。我们之前的研究表明，在低盐度胁迫的初始阶段，S. constricta的鳃组织通过增加SOD和CAT的活性以及总抗氧化能力（T-AOC）来激活其抗氧化防御系统。转录组分析进一步表明，磷脂酰肌醇信号通路可能是渗透调节的关键（Han等人，2025年）。然而，S. constricta低盐度耐受性的代谢机制仍不够明确。

我们之前的研究通过比较分析其低盐度耐受性，鉴定了S. constricta的耐盐和敏感家族（Zhan等人，2025年）。在本研究中，代谢组学比较表明GABA在介导S. constricta的低盐度耐受性中起着关键作用。此外，外源GABA补充实验表明其在促进生长性能、维持低盐度胁迫下S. constricta的心率稳定性和提高渗透调节能力方面具有多方面的益处。我们的发现增强了人们对剃刀蛤低盐度耐受机制的理解，并为促进健康水产养殖和培育具有增强盐度抗性的新品种提供了新的理论见解。

实验样本采集

本研究中使用的剃刀蛤来自中国福建省莆田市。之前，我们根据它们对低盐度胁迫的不同反应，鉴定出一个耐盐家族（F28）和一个敏感家族（F8）（Zhan等人，2025年）。选择平均壳长4.6?±?1.2?cm和湿重7.0?±?1.9?g的两种家族的剃刀蛤进行低盐度胁迫实验。实验分为四组。

耐盐和敏感家族之间的显著差异代谢物鉴定

所有评估的代谢物在PLS-DA模型中的变量重要性（VIP）≥?1且P?≤?0.05，用于确定每个代谢物的解释能力和影响强度（图1A）。共鉴定出514种显著不同的代谢物（SDMs），其中298种在SS_28与CS_28之间（上n?=?112，下n?=?186），217种在SS_8与CS_8之间（上n?=?81，下n?=?136）（图1B）。两个家族中共鉴定出193种代谢物，其中192种

讨论

极端气候事件的日益严重导致河口地区突然盐度下降的频率增加。作为一种广盐性物种，S. constricta表现出对低盐度极端环境的显著适应性，使其成为研究河口双壳类动物耐受极端盐度胁迫的理想模型（Lin等人，2025年）。在本研究中，我们比较了两种具有不同低盐度耐受性的剃刀蛤家族的代谢反应。

结论

本研究表明，耐盐家族中的GABA含量比敏感家族下降更为明显，并且GABA参与了多个关键代谢途径。在长期低盐度胁迫下，外源GABA促进了生长，维持了心率稳定，并增强了其渗透调节能力。这些发现确立了GABA作为S. constricta低盐度耐受性的关键介质，为改进

CRediT作者贡献声明

高格琪：撰写——原始草稿，方法学，调查，正式分析，数据管理。林子涵：撰写——原始草稿，方法学，数据管理。韩玉婷：方法学，调查，正式分析。尚梦薇：调查。孙家慧：调查。牛东红：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。李佳乐：监督，方法学。

伦理

本研究中的剃刀蛤严格遵守上海海洋大学（SHOU）实验动物伦理委员会的章程，并通过了SHOU的动物实验伦理审查。在本研究中，所有动物处理的方案均来自中国上海上海海洋大学的机构动物护理和使用委员会（IACUC）。我们没有打扰或处理任何动物。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD2401002）和国家自然科学基金（32373118）的支持。