光周期对红沼螯虾（Procambarus clarkii）昼夜节律基因表达、体色、色素细胞动态及应激反应的调控

《Aquaculture》：Photoperiodic regulation of circadian gene expression, body coloration, chromatophore dynamics, and stress responses in the red swamp crayfish ( Procambarus clarkii)

光照周期调控螯虾Procambarus clarkii昼夜节律基因表达、体色及应激反应，发现脑部主导节律调控，持续光照破坏节律并抑制抗氧化能力，提出模拟自然光周期优化养殖管理。

　　

程泽毅|黄进|钱晨|蔡向志|李腾|吴旭刚|李家瑶

农业农村部综合稻渔养殖生态系统重点实验室，上海海洋大学，上海201306，中国

摘要

光周期是甲壳类水产养殖中的关键环境因素。本研究探讨了不同光周期制度——正常明暗周期（LD，12小时光照：12小时黑暗）、连续光照（LL，24小时光照：0小时黑暗）和连续黑暗（DD，0小时光照：24小时黑暗）——对小龙虾（Procambarus clarkii）的昼夜基因表达（PcCry、PcClk、PcCyc、PcPer）、体色、色素细胞动态和生理应激的影响。结果表明，作为昼夜节律起搏器的大脑表现出比眼柄更早且更稳定的基因表达节律。光照增强了组织间的同步性，而黑暗则加强了大脑中的协同作用。与LD条件相比，LL条件破坏了昼夜基因的表达，导致体色a*值的相位延迟和振荡周期延长。LD和DD条件显示出约28小时的内源性节律，这可能是其内在的昼夜周期。体色的变化与红色素细胞的形态变化同步。例如，点状红色素细胞收缩，树突状红色素细胞扩张，表现出规律的交替。LL条件导致葡萄糖（GLU）水平显著波动，并扰乱了总超氧化物歧化酶（T-SOD）和丙二醛（MDA）的调节。相关性分析证实，稳定的昼夜节律与抗氧化能力呈正相关。本研究首次提供了小龙虾具有28小时内源性节律及其与生物钟压力直接关联的证据，证明了光周期调节的内源性调控机制。对于小龙虾养殖来说，照明应模拟自然明暗周期，而不是持续照明，以维持稳定的昼夜节律，减少压力，并提高健康和效率。

引言

光照对水生动物的多种生理过程有显著影响，包括生长、发育、繁殖、免疫和行为（Boeuf和Bail，1999；García-López等人，2006；Villamizar等人，2009）。在光学因素中，光周期被认为是调节生物体生理的关键环境因素（Matsuda等人，2012；Villamizar等人，2009）。研究表明，在水产养殖中策略性地应用光周期调节带来了多重益处。这些益处包括提高刺龙虾（Jasus edwardsii）（Bermudes和Ritar，2008）、罗非虾（Litopenaeus vannamei）（Santos等人，2016）、Scylla paramamosain（Chen等人，2023）和Cherax quadricarinatus（Cheng等人，2023）的生长效率；促进河虾（Cryphiops caementarius）的生殖腺同步发育（Moreno-Reyes等人，2021）以及降低中国绒螯蟹（Eriocheir sinensis）的应激反应，从而更好地维持生理稳态（Zhang等人，2023a）。光周期还通过影响免疫和抗氧化能力来调节甲壳类动物的健康（Nelson-Mora等人，2013）。例如，短光周期处理（2小时光照：22小时黑暗和4小时光照：20小时黑暗）显著上调了太平洋白虾（Penaeus vannamei）的免疫相关酶的表达——包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、酚氧化酶（PO）、酸性磷酸酶（ACP）和溶菌酶（LZM）（Wang等人，2022）。随着集约化水产养殖系统的不断发展，对精确光环境管理的需求变得越来越重要。因此，针对特定物种和发育阶段科学定制的光周期已成为促进生长、提高健康和增强养殖水生动物抗压能力的重要策略。

水生动物具有内在的生物节律（Cavallari等人，2011），其中明暗周期是同步和调节这些内源性振荡的主要环境因素（Blanco-Vives等人，2011；del Pozo等人，2011）。许多甲壳类动物表现出与潮汐、昼夜或季节周期同步的节律性行为，如繁殖、蜕皮和迁徙（Aiken和Waddy，1980；Matsuda等人，2002；Schmalbach等人，1994）。昼夜节律作为内在的时间控制系统，通过与外部光信号的相互作用，协调多种生理过程的周期性波动，包括感觉敏感性、抗氧化防御（Granato等人，2004；Schvezov等人，2013）、血糖稳态（Fanjul-Moles等人，2010）和氧气消耗率（Valverde等人，2009）。昼夜系统根据光周期调节抗氧化酶的活性和表达，表现出明显的节律模式。例如，石蟹（Lithodes santolla）中的超氧化物歧化酶（SOD）和多种氧化应激指标表现出根据光周期调整的昼夜波动（Schvezov等人，2013）。小龙虾的眼柄和大脑含有昼夜节律起搏器（Escamilla-Chimal和Fanjul-Moles，2008）。这些节律通过视网膜外的光感受器受到光的调节（Fanjul-Moles和Prieto-Sagredo，2003）。核心的昼夜基因——周期（Cyc）、时钟（Clk）、时间无关（Tim）、周期（Per）和隐花色素（Cry）——作为信号分子调节昼夜节律，控制大约24小时的内源性昼夜节律（Xie Wei，2020）。其中一些基因（PcCry、PcClk、PcCyc和PcPer）已在Procambarus clarkii中被克隆，它们在昼夜调节网络中的作用正在逐渐明朗。具体来说，在这个网络中，PcCyc和PcClk形成一个异二聚体，激活下游基因并在反馈回路中发挥正向调节作用。同时，光敏感的PcCry将光信号转换，与PcPer一起可能在昼夜回路中形成负反馈（Sun，2017）。尽管大量研究表明这些基因、光和内源性节律之间存在关联，但节律变化调节对甲壳类动物生理的影响仍很大程度上未被探索。特别是，内源性节律与应激反应之间的关系尚未得到广泛研究。深入理解这些模式及其调节机制可以为健康的水产养殖模型提供理论基础（Zhang等人，2024）。

体色不仅是促进环境适应的关键表型特征，还是甲壳类动物健康状况和商业价值的宝贵指标（Peng等人，2026）。甲壳类动物的体色变化受昼夜或潮汐节律的调节（Costa等人，2025；Jiao等人，2021；Tong等人，2025；Zheng等人，2023），这些节律协调色素细胞内的内部信号通路（Gong Zhi等人，2015）。例如，招潮蟹在白天呈现较深的体色，而在夜间变浅，这一现象主要由光照暴露调节（Barnwell，1966）。最近的研究进一步表明，小龙虾的体色也会发生节律性变化（Guo Lanlan，2023），表明其调节与内在生物钟密切相关。

已知光周期显著影响甲壳类动物的生理和行为。然而，对于经济上重要的物种Procambarus clarkii来说，其昼夜节律、内源性节律与外部光环境之间的关系，以及这些因素如何共同影响体色和应激反应仍缺乏充分研究。本研究旨在阐明这些相互作用，从而为优化小龙虾养殖中的光照管理提供理论基础，以提高产品质量和抗压能力。

实验材料

幼年小龙虾从上海海洋大学崇明研究站获得，并在试验前进行了两周的适应期。在此期间，选择了500只健康的幼年小龙虾（初始重量9.5±1.0克），并将其放置于20个循环水养殖箱（224毫米×140毫米×330毫米）中。使用全光谱荧光灯（Jiyin，杭州Jiyin智能科技有限公司，中国）来模拟户外光照。这些灯在08:00开启，在

不同光周期对Procambarus clarkii昼夜基因表达的影响

Procambarus clarkii大脑中昼夜基因（PcCry、PcClk、PcCyc和PcPer）的峰值表达在不同光周期条件下比在眼柄中更早出现（图1b、2b、3b和4b）。在大脑中，光照组（LL和LD）的节律波动和峰值表达水平比持续黑暗组（DD）更早出现（图1b、2b、3b、4b）。相比之下，在眼柄中，DD组的波动相对

大脑作为昼夜节律的主导振荡器，具有光依赖性的组织间协调

甲壳类动物的昼夜节律本质上是自我维持的，但受外部环境条件（主要是光周期）的调节（Zhang等人，2013）。研究表明，小龙虾的昼夜系统不是由单一大脑控制的，而是一个涉及环境输入、多个起搏器、外围振荡器和复杂神经化学途径的整合网络（Fanjul-Moles和Prieto-Sagredo，2003）。在Procambarus clarkii中，昼夜基因的表达

结论

本研究阐明了光周期如何在分子、表型和生理层面上调节Procambarus clarkii的内源性昼夜系统。大脑时钟基因驱动节律协调，光照增强了组织间的同步性，而黑暗则显示了大脑的主导作用。持续黑暗揭示了一个大约28小时的内源性周期，驱动体色和红色素细胞的动态。稳定的LD环境维持了精确的昼夜模式，而LL条件导致相位延迟，红色素细胞

CRediT作者贡献声明

程泽毅：撰写——原始草稿、方法学、正式分析。黄进：可视化、项目管理。钱晨：资源、方法学、概念化。蔡向志：资源、调查、概念化。李腾：资源、调查、概念化。吴旭刚：监督、项目管理。李家瑶：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。

伦理声明

动物实验按照上海海洋大学伦理委员会的指导方针和批准进行，并严格遵循了《上海海洋大学实验动物使用指南》中详细规定的标准操作程序（SOPs）。

未引用参考文献

da等人，2025

利益冲突声明

作者声明本研究在没有任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行。

致谢

本研究得到了“澜沧-湄公河流域稻鱼合作与人员培训”（项目编号：18240066）和中国农业农村部农业研究系统的专项基金（CARS-48）的资助。