来自酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）发酵的益生元通过代谢调节和抗氧化防御机制，保护中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）免受缺氧-热应激的伤害

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Postbiotics from Saccharomyces cerevisiae fermentation protect the Chinese mitten crab ( Eriocheir sinensis) against hypoxia-thermal stress through metabolic regulation and antioxidant defense

中国河蟹在缺氧-高温复合胁迫下通过补充酵母发酵产物（SCFP）提升抗逆性，其机制涉及代谢重编程（线粒体氧化磷酸化及氨基酸代谢增强）和抗氧化系统激活（ROS水平降低及GSH/GSSG比值升高）。摘要结束。

　　

宋 王 | 李 二超 | 罗 作勇 | 王 小丹 | 秦 建刚 | 陈 利桥

华东师范大学生命科学学院，中国上海东川路500号，200241

摘要

本研究探讨了来自Saccharomyces cerevisiae发酵产物（SCFP）的益生元对中华绒螯蟹在联合缺氧-热应激下的保护机制。幼蟹被随机分配到四个处理组（每组4个水箱，每水箱40只蟹），分别喂食含有0克/千克SCFP（对照组和非补充组）、3.2克/千克或6.4克/千克SCFP的饲料，持续56天。与对照组相比，SCFP补充显著增加了体重增长（p<0.05）。喂养试验结束后，对照组仍处于最佳条件下（24°C，7.0毫克/升溶解氧），而三个应激组（0克/千克、3.2克/千克和6.4克/千克SCFP）则暴露于急性缺氧-热应激环境中（30°C，1.0毫克/升溶解氧，24小时）。在应激条件下，未补充SCFP的蟹的耗氧率显著升高，而补充SCFP的蟹的耗氧率与对照组相当（p<0.05）。综合转录组分析和WGCNA分析显示，缺氧-热应激显著上调了应激反应途径，同时抑制了能量代谢途径。SCFP补充调节了关键代谢途径，特别是氧化磷酸化和氨基酸代谢。生化和细胞分析证实，6.4克/千克SCFP恢复了NADPH依赖的氧化还原平衡，并维持了线粒体膜电位的完整性，有效对抗了与应激相关的代谢失衡。这种改善的代谢状态得到了抗氧化能力的增强支持。具体而言，SCFP补充降低了细胞内的活性氧水平，减少了丙二醛含量（p<0.05），并改善了谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽的比例。这些发现表明，SCFP通过综合代谢和抗氧化机制保护蟹免受缺氧-热应激的影响，为集约化水产养殖提供了一种有前景的营养策略。

引言

全球气候变化给水产养殖带来了前所未有的挑战，主要是由于高温和低溶解氧的协同作用（Breitburg等人，2018年）。世界各地的集约化水产养殖系统越来越容易受到这些复合应激因素的影响（Woolway等人，2022年）。温度升高降低了氧的溶解度并加速了代谢耗氧，这种协同效应比单独的任何一种应激因素都更具破坏性。这种联合缺氧-热应激显著影响了多种生产系统的生长、生理稳态和存活率。例如，墨西哥的Litopenaeus vannamei虾在这种条件下经历了显著的氧化应激和代谢紊乱（Estrada-Cárdenas等人，2021a年），而中国的Apostichopus japonicus海参也表现出类似的脆弱性（Huo等人，2019年）。在池塘养殖中，这种缺氧-热应激尤为严重，高养殖密度加剧了温度和氧气耗尽的负面影响（Reid等人，2019年）。了解这些应激反应的分子机制并开发有效的缓解策略对于可持续水产养殖至关重要。

水生生物在面临低氧和高温的复合应激时面临显著的生理挑战。这主要是由于氧气供应与代谢需求之间的不匹配（Rubalcaba等人，2020年）。在热应激下，生物体的代谢耗氧量增加，而水中的溶解氧可用性降低（Clark等人，2008年）。这种双重效应在集约化水产养殖中尤为明显，高养殖密度进一步耗尽了氧气资源（Pan和von Herbing，2017年）。因此，氧气需求与供应之间的不平衡加剧了氧化应激。甲壳类动物的肝胰腺（类似于鱼类的肝脏）通过涉及能量代谢、抗氧化防御和线粒体调节的多种途径协调应激反应（Vogt，2019年；Zeng等人，2019年）。这种综合反应与生物体的耐热性直接与其代谢能力相关的观点一致（P?rtner等人，2017年）。尽管水生生物具有固有的适应机制，如增加糖酵解和快速蛋白质周转，但严重的低氧和高温复合应激仍可能超出这些机制的承受能力（Aparicio-Simón等人，2018年；Camacho-Jiménez等人，2023年），尤其是在代谢活跃的组织中，如肝胰腺（González-Ruiz等人，2020年；Estrada-Cárdenas等人，2021b年）。这种应激最终导致能量平衡紊乱、氧化损伤增加和细胞功能受损，从而危及集约化水产养殖中的存活率。

目前的工程解决方案，如机械曝气，带来了巨大的经济负担（Kumar等人，2013年；Jiang等人，2020年）。这些方法的高运营成本和能源需求激发了人们对能够提高生物体内在耐受性的可持续替代方案的兴趣。在这种情况下，益生元应运而生，ISAPP将其定义为“赋予健康益处的无生命微生物及其组分的制剂”（Salminen等人，2021年；del Valle等人，2023年）。这些非活性的制剂比活菌具有优势，包括更高的稳定性、一致的生物活性以及在水产养殖系统中的简化处理。在各种益生元中，Saccharomyces cerevisiae发酵产物（SCFPs，也称为酵母培养物（Maturana等人，2023年），包括酶、蛋白质、肽、氨基酸、脂肪酸、维生素和其他生物活性化合物（Nataraj等人，2020年；Yao Ang等人，2020年；Abdel-Latif等人，2022年），在调节氧化应激和维持代谢稳态方面显示出特别的前景。虽然SCFP在陆地牲畜中的能量代谢益处已有充分记录（Alugongo等人，2017年；Deters等人，2018年），但其在水生物种中的保护机制仍仅部分了解。尽管最近的研究表明酵母培养物可以调节鱼肝细胞的氧化应激和炎症（Bu等人，2019年）并改善普通鲤鱼的肝脏和肠道健康（Wang等人，2024a年），但SCFP的作用机制仍存在许多未解之谜。特别是，SCFP成分如何与水生物种的细胞应激反应途径相互作用仍不清楚，尤其是在调节缺氧-热应激下的能量代谢及其对代谢和抗氧化途径的整合调节方面。理解这些机制对于优化SCFP在水产养殖中的应用至关重要。

中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）是一种具有商业价值的水产养殖物种，由于其变温性和底栖生活方式，其对环境应激的敏感性增加（Yang等人，2021年；Pan等人，2024年）。肝胰腺是主要的代谢和解毒器官，其对环境变化的生理反应特征为研究对抗应激的营养干预提供了坚实的基础。该物种的应激反应机制和代谢途径在许多具有商业价值的甲壳类动物中是保守的，这些发现对于开发集约化甲壳类水产养殖中的应激管理策略特别有价值。

基于先前关于SCFP在陆地和水生物种中保护作用的证据，假设SCFP补充可以通过调节代谢和抗氧化途径来增强E. sinensis对缺氧-热应激的抵抗力。为了确定这种保护的具体分子机制，采用了结合转录组分析、生化和细胞实验的综合方法。本研究提供了关于益生元在水产养殖物种中对抗环境应激的保护作用的见解，对改进集约化生产系统的应激管理具有潜在意义。

实验饮食

基础饮食以鱼粉、豆粕和棉籽粕为主要蛋白质来源，并添加了鱼油和植物油（表1）。实验饮食被配制为等氮和等脂质，其中加入了三种不同水平的SCFP（来自中国深圳的Diamond V生物与发酵工程技术公司）：0克/千克、3.2克/千克和6.4克/千克。本研究中使用的SCFP剂量基于先前的研究，这些研究表明3.2克/千克

SCFP补充增强生长表现和抗应激能力

生长表现和生理反应见图1B-D。添加SCFP的饮食显著增加了中华绒螯蟹的体重增长（p<0.05），而在整个56天的喂养期间，所有实验组的存活率在统计上没有显著差异。在缺氧-热应激下，未添加SCFP的蟹的耗氧率显著高于对照组（p<0.05）。

讨论

环境应激，特别是高温和氧气耗尽的协同效应（缺氧-热应激），对集约化水产养殖构成了严峻挑战，尤其是在夏季生产期间（Stevens和Gobler，2018年；Sun等人，2019年）。本研究表明，添加SCFP的饮食可以全面保护E. sinensis免受缺氧-热应激的影响，通过协调调节能量代谢、抗氧化防御等途径实现

结论

添加6.4克/千克SCFP的饮食显著增强了E. sinensis在缺氧-热应激下的生长表现和抗应激能力。这种保护效果是通过以下途径实现的：（图9）增加的能量代谢和糖酵解；增强的抗氧化防御，包括恢复GSH-Px活性和降低ROS水平；以及维持线粒体功能。

CRediT作者贡献声明

宋 王：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、研究。李 二超：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、概念化。罗 作勇：资源获取、资金筹集。王 小丹：正式分析、数据管理。秦 建刚：撰写——审阅与编辑、资金筹集、概念化。陈 利桥：监督、资源管理、项目协调、资金筹集、概念化。

利益冲突声明

作者声明李 二超博士是Comparative Biochemistry and Physiology, Part D的副主编。然而，李 二超博士并未参与与本手稿相关的同行评审或编辑决策过程。

致谢

本研究得到了中国农业研究系统（202504）、中国国家重点研发计划（2023YFD2402000）、农业农村部和中国海洋渔业局的农业研究系统（CARS-48）、Diamond V生物与发酵工程技术（深圳）有限公司的资助。我们还要感谢华东师范大学生命科学学院的仪器共享平台提供的技术支持。