《Aquaculture》：Integrated transcriptomic and physiological analyses uncover multi-organ strategies of spotted sea bass (
Lateolabrax maculatus) for alkalinity adaptation
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刺参高碱性胁迫下多器官转录组与生理响应机制研究，揭示肾脏渗透调节、肝脏抗氧化修复及鳃屏障免疫协同作用，为选育耐碱品种提供理论依据。
张永航|张崇|董雅妮|李鹏宇|陈志辉|齐鑫|文海深|王玲玉|李云
教育部海洋渔业重点实验室（KLMME），中国海洋大学，青岛266003
摘要
在盐碱水域发展水产养殖是扩大养殖空间和提高农业产力的关键策略。斑点海鲈（Lateolabrax maculatus）因其强广盐适应性，被认为是盐碱水域水产养殖的有希望的物种。本研究通过对高碱度压力（20 ± 0.5 mmol/L）下肾脏、肝脏和鳃的转录组数据进行综合分析，系统研究了L. maculatus对碱度压力的响应调控网络。基因表达模式分析显示，不同组织在暴露于碱度后表现出多种功能。具体而言，肾脏中参与渗透压调节的通路显著富集，如肌醇磷酸代谢和氨基酸生物合成通路。肝脏中过氧化物酶体相关的抗氧化防御系统以及由自噬和溶酶体通路介导的损伤修复过程显著激活。鳃组织通过动态调节细胞连接成分（如粘附连接、紧密连接）和激活免疫相关信号通路（如Toll样受体信号通路、NOD样受体信号通路）来响应，从而维持上皮屏障完整性和免疫防御。同时，每个组织中的差异可变剪接（DAS）基因也富集在上述通路中。与转录组结果一致，生理学检测分析显示，碱度压力后血清中的HCO??和Na?浓度以及四种肝脏氧化指标（包括过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和丙二醛（MDA）的活性显著增加。总体而言，本研究为理解L. maculatus对高碱度压力的分子机制及其在盐碱水域的选择性育种提供了宝贵的理论基础。
引言
在中国，大约有4600万公顷的盐碱水资源主要分布在西北和东北地区，这些地区的盐碱湖泊、湿地和浅层咸水地下水中含有碳酸盐（Liu等人，2015年）。鉴于淡水水产养殖资源的有限性和近岸水产养殖空间的饱和，利用盐碱土地已成为扩大水产养殖能力和维持产业增长的重要策略。然而，由于盐碱水域的缓冲能力差、化学性质不稳定、主要离子不平衡以及高碳酸盐碱度（Boyd和Tucker，1998年；Dildar等人，2025年），在盐碱水域进行水产养殖仍然具有挑战性。因此，充分发挥盐碱水域的水产养殖潜力至关重要，这取决于培育出适合在盐碱环境中生长的物种。
斑点海鲈（Lateolabrax maculatus）因其强广盐适应性，被认为是盐碱水域水产养殖的理想候选物种（Tian等人，2020年；Zhang等人，2024年）。此外，我们之前的研究表明L. maculatus能够成功适应中等碱度环境（10 mmol/L），并在高碱度水中（18 mmol/L）存活超过两周（Wang等人，2023a）。随后，全基因组关联研究（GWAS）鉴定出一组与斑点海鲈耐碱性显著相关的基因，这些基因主要参与离子转运（如cftr、slc6a7）和组织重塑（如itgb4、cdhr5）（Zhang等人，2025年）。同时，通过比较不同模型和标记物，构建了斑点海鲈耐碱性状的基因组选择（GS）策略（Zhang等人，2026年）。然而，碱度压力下的响应机制仍需进一步研究。
为了应对碱度压力，水生生物会在多个器官中激活一个综合的生理网络，以帮助适应高盐碱环境（Zhou等人，2024a）。在这些器官中，鳃、肾脏和肝脏是碱度压力下生理调节的关键调节器（Eissa和Wang，2016年）。具体来说，鳃通过协调细胞间途径的离子转运来维持渗透压稳态（Marx等人，2022年）。肾脏通过调节尿流量（控制离子排泄）和合成渗透压调节物质（驱动水分重吸收）来促进适应（Takvam等人，2021年）。肝脏在代谢调节、氧化应激防御和DNA损伤修复中起关键作用（Damsgaard等人，2020年）。然而，关于不同组织对碱度压力具体响应的分子证据仍然有限。
转录组分析作为一种基本方法，可以揭示不同组织在转录水平上的生理响应和分子基础，为研究物种的碱适应机制提供了宝贵的见解，例如藏裸鲤（Gymnocypris przewalskii）（A等人，2024年；Zhou等人，2025年）、尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）（Zhao等人，2020年）和阿穆尔鱼（Leuciscus waleckii）（Zhao等人，2024年；Zhou等人，2023年）。我们之前的研究表明，L. maculatus的鳃在暴露于碱度后，与离子转运和细胞连接相关的基因表达发生了差异（Zhang等人，2023年）。然而，L. maculatus的肾脏和肝脏组织对碱度压力的响应机制仍大多未得到探索。
在本研究中，我们在五个时间点（0、12、24、72和96小时）收集了高碱度压力下的斑点海鲈肾脏和肝脏样本，进行转录组和生理分析。通过整合之前的鳃数据，本研究构建了L. maculatus在多种组织中对碱度压力的综合基因表达谱，深入研究了负责高碱度压力的关键基因和通路。这些发现有望识别出用于分子育种的潜在分子靶点，从而促进耐碱斑点海鲈品系的开发。
部分摘录
伦理声明
所有鱼类实验均按照相应动物研究和伦理委员会的推荐进行（许可编号：20141201）。
碱度挑战测试
共收集了180条健康的斑点海鲈（Lateolabrax maculatus），来自中国烟台京海海洋渔业有限公司。实验开始前，这些斑点海鲈（平均长度：29.65 ± 5.47厘米，平均重量：314.38 ± 50.50克）被饲养在700升的室内水箱中7天，然后逐渐更换海水
RNA-seq数据总结
共30个样本（15个肾脏样本和15个肝脏样本）接受了转录组测序，产生了177.94 Gb的原始测序数据，平均每个样本5.93 Gb。经过质量控制后，保留了170.37 Gb的干净数据（平均每个样本5.68 Gb）。数据集质量较高，Q20 > 99%，Q30 > 96%，GC含量在47%到49.5%之间（表S1）。映射率很高，范围从88.24%到95.67%（平均值：92.38%）。原始数据已提交至SRA
斑点海鲈在碱度压力下肾脏组织对渗透压调节物质的调节
渗透压调节物质有助于维持细胞体积，在渗透调节中起着关键作用（Burg和Ferraris，2008年；Ilyas等人，2022年）。鱼类中常见的渗透压调节物质包括尿素、肌醇、游离氨基酸和甜菜碱。在我们的研究中，与肌醇（MI）和氨基酸生物合成相关的代谢通路在L. maculatus的肾脏中显著富集，并且DAS基因与这些通路之间存在强烈关联。这些结果表明
结论
通过综合转录组和生理分析，我们发现L. maculatus采用多器官协调策略来缓解碳酸盐碱度压力。关键机制包括肾脏中的渗透压调节物质合成（如肌醇磷酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢）、肝脏中的抗氧化防御（如过氧化物酶体）和细胞修复（如溶酶体、内吞作用、蛋白酶体），以及鳃屏障的维持（如间隙连接、紧密连接）等
CRediT作者贡献声明
张永航：撰写——初稿，资源准备。张崇：实验研究。董雅妮：资源准备。李鹏宇：软件使用。陈志辉：数据可视化。齐鑫：方法学设计。文海深：资金获取。王玲玉：撰写——审稿与编辑，数据可视化。李云：撰写——审稿与编辑，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（编号：2025YFF1000900）、国家自然科学基金联合资金（编号：U24A20456）、山东省重点研发计划（编号：2024LZGC005）以及中国农业研究系统专项基金（编号：CARS-47）的支持。
