《Fish Physiology and Biochemistry》：Protective role of nano-selenium on Gymnocypris przewalskii under saline–alkaline stress: a comprehensive analysis of transcriptomics and metabolomics
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为提升珍稀耐盐碱鱼种青海湖裸鲤在极端水环境下的养殖成活率，本研究通过多组学联合分析，探究了饲料中添加纳米硒（SeNPs）对增强其耐盐碱胁迫的保护作用及分子机制。结果表明，4 mg/kg SeNPs可使胁迫下幼鱼的存活率提升至100%，其保护作用通过调控氧化还原、糖代谢（如“糖酵解/糖异生”通路）及甲状腺激素信号通路相关基因与代谢物（如牛磺酸、脯氨酸和海藻糖）的表达与丰度实现。这为极端环境下水产养殖的抗逆饲料开发提供了新策略。
青海湖，我国最大的内陆咸水湖，以其高盐、高碱、低温、低氧的极端水生环境而闻名。这里生活着一种被称为“高原精灵”的独特鱼类——青海湖裸鲤（Gymnocypris przewalskii）。它不仅是这片湖泊生态系统的关键物种，为众多候鸟提供食物，还在维持青藏高原东北部的生物多样性中扮演着不可替代的角色。然而，这种珍贵的鱼类自20世纪末以来，因气候变化、过度捕捞及繁殖生境破坏，野生资源一度急剧下降，被列为濒危物种。尽管通过多年大规模人工增殖放流（截至2022年累计放流19.7亿尾），其资源量有所恢复，保护级别从“濒危”降至“易危”，但一个严峻的挑战依然存在：从人工繁育环境放流至青海湖及其支流的高盐碱水体中，大部分幼鱼因无法适应剧烈的渗透压和氧化应激而死亡。数据显示，当前人工放流对资源恢复的贡献率仅为26%。因此，如何提高幼鱼在盐碱胁迫下的存活率，成为青海湖裸鲤资源保护与可持续利用的关键瓶颈。
在此背景下，研究人员将目光投向了一种新型的饲料添加剂——纳米硒（Selenium nanoparticles, SeNPs）。硒是水生动物必需的微量元素，参与免疫、抗氧化等多种重要生理功能。与传统无机硒和有机硒相比，SeNPs具有毒性更低、生物活性更高、肠道附着吸收更好等优势，已在改善多种水产动物的生长、抗氧化能力和抗逆性方面展现出潜力。那么，在饲料中添加SeNPs，能否成为增强青海湖裸鲤抵抗盐碱胁迫的“保护盾”呢？其背后又涉及哪些复杂的分子调控网络？
为了回答这些问题，研究团队展开了一项结合转录组学与代谢组学的整合分析。该研究发表于《Fish Physiology and Biochemistry》期刊，系统揭示了SeNPs通过调节基因表达和代谢过程，增强青海湖裸鲤耐盐碱能力的分子机制，为开发针对极端环境的水产抗逆饲料提供了重要的理论依据。
主要技术方法
研究选取了900尾1龄青海湖裸鲤幼鱼（由青海湖裸鲤救护中心提供），随机分为6组，分别饲喂添加了0（对照组）、2、4、7、9、11 mg/kg SeNPs的基础饲料，进行为期8周的养殖试验。随后，将所有实验鱼直接转移至模拟青海湖盐碱度的水环境中（盐度15‰，碱度32 mmol/L）进行120小时的胁迫暴露，并记录存活率。确定4 mg/kg SeNPs添加组（NSE4）存活率最高后，采集该组及对照组在胁迫前（0h）和胁迫后（120h）的肝脏样本。利用Illumina NovaSeq X Plus平台对肝脏进行转录组测序，同时采用非靶向液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术进行代谢组学分析。通过生物信息学方法筛选差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）和差异丰度代谢物（Differentially Abundant Metabolites, DAMs），并进行基因本体（Gene Ontology, GO）和京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）通路富集分析，最后对两组学数据进行关联整合分析，以揭示SeNPs的保护机制。
研究结果
1. 存活率
盐碱胁迫后，各实验组青海湖裸鲤的存活率呈现先升后降的非线性剂量反应关系。其中，饲喂4 mg/kg SeNPs（NSE4）的组别存活率达到100%，而对照组的存活率最低，为81.67%。这表明膳食补充SeNPs能显著提高幼鱼在盐碱胁迫下的存活率，且4 mg/kg为最佳添加剂量。
2. 转录组学分析
通过比较不同处理组的基因表达谱，研究人员发现：
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胁迫引起广泛基因表达变化：在未添加SeNPs的对照组中，盐碱胁迫前后（NSEC_120 vs. NSEC_0）产生了多达3495个DEGs，而在添加SeNPs的组别中（NSE4_120 vs. NSE4_0），DEGs数量减少至1852个。这提示SeNPs可能缓冲了胁迫引起的剧烈转录组扰动，起到了稳定作用。
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SeNPs调控关键通路：在同时经历胁迫的SeNPs添加组与对照组比较（NSE4_120 vs. NSEC_120）中，DEGs显著富集于“糖酵解/糖异生”、“淀粉和蔗糖代谢”等通路。其中，与氧化还原活性相关的基因，如血凝素（Hemopexin, HPX）和富含亮氨酸重复序列蛋白4B（Leucine-rich repeat-containing protein 4B, LRRC4B/NGL3）表达发生显著变化。此外，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（Phosphoenolpyruvate carboxykinase, pckA/PCK）、甲醛脱氢酶（frmA, ADH5, adhC）等与糖代谢相关的基因表达也发生显著改变。
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关注甲状腺激素通路：在NSE4_120 vs. NSEC_120组特有的DEGs中，基因显著富集于“甲状腺激素信号通路”，其中溶质载体有机阴离子转运蛋白家族成员1C1（Solute carrier organic anion transporter family member 1C1, SLCO1C1）显著上调。这表明SeNPs的保护作用可能涉及能量代谢和内分泌调节的交叉对话。
3. 代谢组学分析
代谢组学分析共鉴定出1400余种代谢物，主成分分析显示胁迫和SeNPs处理均显著改变了肝脏代谢谱。
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鉴定差异代谢物：在NSE4_120 vs. NSEC_120比较中，共鉴定出390个DAMs。这些代谢物显著富集于“蛋白质消化吸收”、“氨基酰-tRNA生物合成”等通路。
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发现渗透调节相关代谢物：在SeNPs添加组自身胁迫前后比较（NSE4_120 vs. NSE4_0）中，发现了与渗透调节相关的差异代谢物，包括牛磺酸（Taurine）、脯氨酸（Proline）和海藻糖（Trehalose）。其中，海藻糖被注释到“淀粉和蔗糖代谢”等显著富集的通路中。这些相容性溶质在帮助细胞应对渗透胁迫中扮演关键角色。
4. 转录组与代谢组整合分析
对NSE4_120 vs. NSEC_120组的DEGs和DAMs进行联合通路富集分析，发现64条共富集通路，其中“淀粉和蔗糖代谢”通路被显著富集。此外，该组特有的DEGs和DAMs共同显著富集于“癌症中的中央碳代谢”通路。相关性分析显示，己糖激酶（Hexokinase, HK）基因的表达与海藻糖的丰度呈正相关，而与D-果糖-6-磷酸和D-葡萄糖-6-磷酸的丰度呈负相关。溶质载体家族基因SLC16A3、SLC7A5的表达也与D-果糖-6-磷酸、D-葡萄糖-6-磷酸、L-天冬酰胺等代谢物的丰度存在显著负相关。这些高度相关的基因-代谢物对可能是SeNPs发挥保护作用的核心调控节点。
结论与讨论
本研究通过多组学整合分析，首次系统阐明了膳食补充纳米硒（SeNPs）增强青海湖裸鲤耐盐碱胁迫的分子机制。核心结论如下：
SeNPs（最佳剂量4 mg/kg）能显著提高盐碱胁迫下青海湖裸鲤幼鱼的存活率。其保护作用是一个多通路协同的复杂过程：1. 增强氧化应激防御：SeNPs上调了如HPX等氧化还原相关基因的表达，强化了机体的抗氧化能力，以清除胁迫产生的过量活性氧，减轻氧化损伤。2. 重塑能量代谢：SeNPs通过调控“糖酵解/糖异生”等通路中的关键基因（如PCK, HK, ADH5等），可能优化了肝脏的糖代谢流，为应对渗透压调节这一高耗能过程提供了即时、充足的ATP能量供应。3. 激活渗透调节物质合成：SeNPs促进了牛磺酸、脯氨酸和海藻糖等渗透保护物质的代谢变化，这些相容性溶质有助于维持细胞体积和内部稳态，抵抗外部高渗环境。4. 潜在的内分泌调控：SeNPs对“甲状腺激素信号通路”中基因（如SLCO1C1）的调控，提示其可能通过影响甲状腺激素的转运或信号传导，间接调节机体的基础代谢率和应激适应能力。
综上所述，本研究不仅深化了对青海湖裸鲤极端环境适应机制的理解，更重要的是，为利用SeNPs作为一种有效的营养策略，提升水产养殖动物在盐碱等逆境下的抗逆性能和存活率提供了坚实的理论依据和潜在的饲料配方方案。未来研究可着眼于SeNPs长期添加的效应及其在蛋白组和表观遗传等更精细分子层面的作用机制，以推动其在水产养殖中的安全、高效应用。
