罗森伯格大虾（Macrobrachium rosenbergii）肌肉对氨和缺氧共同毒性的综合氧化应激、线粒体应激及凋亡反应

《Aquatic Toxicology》：Integrated oxidative, mitochondrial, and apoptotic responses to ammonia–hypoxia co-toxicity in Macrobrachium rosenbergii muscle

氨氮与低氧协同胁迫导致凡纳滨对虾肌肉品质劣变，生存率显著下降，伴随水分增加、蛋白质和脂质含量降低及肉质参数恶化，氧化损伤加剧并伴随GCLC、GPX4等抗氧化基因表达上调及线粒体/过氧化物酶体功能抑制。

　　

Nusrat Liaqat | Huici Yang | Xuenan Li | Nauman Khan | Nader N. Hassona | Xilin Dai

农业部与农村事务部淡水水生遗传资源重点实验室，上海海洋大学，上海201306，中国

摘要

在集约化对虾养殖中，氨积累和氧气耗尽经常同时发生，但它们对食用肌肉质量的综合影响以及Macrobrachium rosenbergii中肌肉特异性机制的潜在作用仍知之甚少。本研究将幼年M. rosenbergii暴露于总氨氮（TAN；0、2和50 mg L?1）和溶解氧条件（正常氧与低氧）的因子组合下7天。通过RNA-seq转录组分析，研究了存活率、肌肉组成和质地、组织学、氧化生物标志物（SOD、CAT、GSH、MDA）以及基因表达。在正常氧条件下，随着TAN的增加，存活率略有下降（100–75%），但在低氧条件下急剧下降，高TAN–低氧组的存活率仅剩2.8%。共同压力显著增加了肌肉水分含量，同时降低了粗蛋白和脂质含量，并伴随着硬度、凝聚性和咀嚼性的明显恶化。组织学分析证实，在严重暴露下肌纤维逐渐分离并出现水肿。抗氧化防御机制表现出两相反应：在中等TAN条件下SOD、CAT和GSH水平升高，但在高TAN–低氧条件下急剧下降，而MDA水平持续上升，表明脂质过氧化加剧。转录组分析显示谷胱甘肽代谢基因（如GCLC、GPX4）显著上调，而线粒体氧化磷酸化和过氧化物酶体标志物（如COX1、SDHA、CAT）则一致下调。糖酵解基因（HK、PFK、PK）和凋亡调节基因（CYC、CASP8）的同时诱导表明发生了代谢重编程和不可逆的氧化损伤。总体而言，TAN–低氧共同压力超过了抗氧化能力，破坏了线粒体和过氧化物酶体功能，促进了凋亡，最终导致肌肉结构和肉质严重恶化。这些发现强调了在集约化水产养殖中协调管理氨和氧气的重要性，以保护对虾健康和产品价值。

引言

Macrobrachium rosenbergii的集约化养殖经常使对虾暴露于多种环境压力下，其中高氨氮和低溶解氧（DO）水平最为关键。高放养密度、过度喂食和有机物的积累促进了总氨氮（TAN）的积累，而微生物呼吸和通风不足则导致低氧（APHA, 2012; Cheng et al., 2002）。长期氨暴露会干扰氮排泄，损害鳃和肝胰腺功能，并增加活性氧（ROS）的产生和氧化损伤（Lin et al., 2022）。低氧会独立抑制有氧代谢，减少ATP的产生，改变离子调节，并引发甲壳类动物的炎症和氧化应激反应（Gu et al., 2023）。

尽管已有大量研究关注鳃、肝胰腺和血淋巴的反应，但TAN和低氧对M. rosenbergii主要可食用组织——肌肉的综合影响仍不清楚（Chang et al., 2022）。肌肉质量直接影响消费者的接受度、市场价值和加工性能，使其成为水产养殖中最具经济意义的属性之一（Sun et al., 2015a）。肌肉组织对系统性代谢和氧化干扰也非常敏感：能量分配、离子和水分平衡以及氧化还原状态的紊乱会迅速表现为水分含量、蛋白质稳定性和微观结构完整性的变化（Huang et al., 2023a）。由于这些肌肉特异性变化与产品产量、质地和整体肉质密切相关，了解环境压力如何影响肌肉生理对于将养殖条件与产品质量和经济回报联系起来至关重要（Huang et al., 2023b）。

环境压力会导致水生动物肌肉质量显著恶化，通常表现为成分变化、蛋白质含量减少、脂质谱改变以及肌纤维分离或破坏的组织学证据（Huang et al., 2023b; Xu et al., 2021）。这些表型变化与氧化失衡、线粒体功能障碍以及蛋白水解和凋亡途径的激活密切相关，这些都会损害肌肉结构完整性（Dong et al., 2021a; Tang et al., 2020）。在分子水平上，环境挑战改变了肌肉组织内的基因网络结构和代谢，影响抗氧化防御、凋亡调节和细胞骨架组织（Sun et al., 2015a）。因此，高通量转录组学已成为识别肌肉中应激响应途径的强大工具，包括与氧化调节、线粒体代谢和细胞损伤相关的途径（Huang et al., 2023b; Lin et al., 2022）。将经典的肌肉质量指标与氧化生物标志物、组织学和转录组分析相结合，为理解环境压力如何重塑水产养殖物种的肌肉生理和整体肉质提供了坚实的基础（Xu et al., 2021）。

在本研究中，我们在严格控制的水质条件下，考察了不同浓度TAN（0、2和50 mg L?1）和两种DO条件（正常氧：8.0–8.5 mg L?1；低氧：2.5–3.0 mg L?1）对M. rosenbergii肌肉质量、氧化状态和转录组的影响。我们评估了近似成分、质地特性、抗氧化酶活性、脂质过氧化和肌肉微观结构，并进行了基于RNA测序的通路分析。我们假设即使是在短时间内（7天）同时暴露于高TAN和低氧条件下，也会协同加剧氧化损伤和转录失调，从而导致这种经济重要物种的肌肉质量显著恶化。

实验动物和适应

幼年M. rosenbergii（平均初始体重10.01 ± 0.35克）来自中国上海金山的一家商业淡水孵化场。总共216只对虾在持续通气的条件下运输，并在90升的玻璃纤维水箱中适应7天（每箱12只对虾）。适应期间，水温保持在27 ± 1°C，pH值在7.8–8.0之间，溶解氧（DO）保持在5.0–6.0 mg L?1，光照时间为12小时，黑暗时间为12小时。对虾喂食商业颗粒饲料（38

RNA-seq数据质量和映射

肌肉样本的RNA-seq产生了39–44百万个干净读段，每个文库有5.9–6.5 GB的干净碱基，Q30值超过95%，GC含量为45–50%（表1）。总体映射率很高（总映射率为93.5–95.7%；唯一映射率为82.5–89.3%），表明数据均匀且质量高，适合后续的差异表达分析（表2）。

存活率

存活率受到TAN和DO的显著影响，两者之间存在明显的交互作用。

讨论

本研究提供了关于复合环境压力（氨氮和低氧）如何相互作用影响M. rosenbergii的存活率、肌肉质量、氧化平衡和基因调控的新见解。在低DO条件下，尤其是在高TAN条件下，存活率急剧下降。在组织水平上，水分含量增加，而粗蛋白、脂质和所有主要质地参数均下降。组织学分析显示肌纤维逐渐分离并出现水肿。抗氧化反应表现出两相性，SOD、

结论

本研究表明，TAN–低氧的复合效应导致M. rosenbergii的存活率和食用肌肉质量紧密相关地恶化。水分增加、蛋白质和脂质流失、质地变弱以及纤维紊乱与氧化应激密切相关，这反映在SOD/CAT/GSH反应的两相性、MDA水平上升以及谷胱甘肽相关基因（如GCLC和GPX4）的强烈诱导上。同时，线粒体和过氧化物酶体标志物（如SDHA、CAT）的表达下调

数据可用性

支持本研究所有发现的数据均包含在文章中。如有需要，可向通讯作者索取额外的补充材料。

CRediT作者贡献声明

Nusrat Liaqat：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、方法学、数据分析、概念化。Huici Yang：写作 – 审稿与编辑、数据管理。Xuenan Li：写作 – 审稿与编辑、数据管理。Nauman Khan：写作 – 审稿与编辑、数据管理。Nader N. Hassona：写作 – 审稿与编辑、数据管理。Xilin Dai：写作 – 初稿撰写、资金获取、数据分析、概念化。