在人工饲养条件下，不同世代、生命阶段及温度对幼年溪红点鲑（Salvelinus fontinalis）脑组织基因表达的影响

《Aquaculture》：Influence of generations in captivity, life stage and temperature on gene expression in brain tissue of juvenile brook charr (Salvelinus fontinalis)

　　吉兹兰·巴努斯（Ghizlane Banousse）、塞琳·奥德（Céline Audet）、安杰利娜·拉涅奥（Angélina Lagneau）、亚历克斯·怀尔德（Alex Wilder）、克里斯·C·威尔逊（Chris C. Wilson）和克里斯蒂娜·A·D·塞梅纽克（Christina A.D. Semeniuk）来自加拿大魁北克省里穆斯基大学（Université du Québec à Rimouski，UQAR）的里穆斯基海洋科学研究所（Institut des sciences de la mer de Rimouski，ISMER），地址为G5L 3A1。

摘要
在孵化场这种稳定、低压力的环境中长期饲养可能导致鱼类物种出现适应性反应，从而降低其表型可塑性，限制它们对环境变化的响应能力。这可能对鱼苗释放到自然栖息地后的生存、生长和行为产生负面影响。本研究考察了18个与四个关键生物过程（应激反应调节、细胞应激反应、食欲调节和神经发生）相关的基因在两种温度（7°C和10°C）下在溪红点鲑（Salvelinus fontinalis）鱼苗和幼鱼中的转录差异。这些鱼苗来自两个具有相同遗传背景的圈养品系：一个是历史悠久的希尔湖品系（圈养代数超过25代，F＞25），另一个是最近从安大略省阿尔冈昆公园的斯科特湖引入的F1品系，后者含有大量的希尔湖血统。研究旨在评估溪红点鲑对饲养温度差异的转录可塑性是否受到不同生命阶段驯化的影响，并确定这种可塑性是由环境因素、遗传因素还是亲本因素驱动的。研究结果发现，多代驯化降低了启动应激反应的阈值，这表现在最驯化的品系中与细胞应激反应相关的基因表达上调。两个组在基因表达变异的遗传率估计方面相似，均表明在高温条件下其长期适应潜力有限。

引言
为了增加鲑鱼种群数量，采用人工繁殖并进行放流的做法在鲑鱼保护项目中日益普遍（Johnsson等，2014；Ritter，1997；Létourneau等，2018）。对于溪红点鲑等物种而言，这种做法主要是为了支持休闲渔业（Fraser，2008；Wood，2017）。在这种情况下，鱼苗在人工环境中孵化，随后在孵化场饲养后再被释放到自然栖息地。然而，孵化场与自然环境之间的差异导致了圈养鱼类与野生鱼类在遗传和表型上的分化（Huntingford，2004）。在没有天敌、食物丰富且环境稳定的人工环境中饲养鱼类可能会导致由于自然选择压力减弱而丧失可塑性（Hutchings和Fraser，2008）。先前的研究表明，与野生鱼类相比，圈养鱼类对应激的敏感性较低（Lepage等，2000；Verbeek等，2008；Douxfils等，2011），并且圈养鱼类、新圈养鱼类和野生鱼类之间存在显著的基因表达差异（Douxfils等，2011；Wellenreuther等，2019）。

非最佳温度条件可以在大脑水平上引发应激反应，这一过程主要由下丘脑-垂体-肾轴（HPI轴）和大脑交感-嗜铬细胞轴（BSC轴）的激活介导（Wendelaar Bonga，1997；Trenzado等，2003；Alfonso等，2020）。这些途径调节皮质醇和儿茶酚胺的释放，其中皮质醇是主要的应激激素，负责调节多种适应性生理和行为功能（Trenzado等，2003；Esteban等，2004）。皮质醇的释放是由大脑中的神经肽如ACTH、CRF和AVT1激活引起的，其作用通过多种组织中的盐皮质激素（MR）和糖皮质激素（GR1和GR2）受体实现（Aluru和Vijayan，2009；Wendelaar Bonga，1997）。这些皮质类固醇受体的激活在调节对环境变化的行为反应中起着关键作用，尤其是通过影响神经可塑性。神经可塑性的关键标志物包括BDNF、PCNA、NEUROD1、NEUROG1、SOX2和DCX（S?rensen等，2013）。关于神经发生相关基因表达与应激反应之间的关系仍存在争议。一些研究表明两者呈负相关，即基因表达降低与皮质醇和应激反应相关基因的表达增加相关（Colson等，2019；Nonnis等，2021；Tang等，2022），而其他研究则呈现相反的趋势（Topal等，2021；Johansen等，2012）。此外，在细胞层面，热休克蛋白（HSPs）能够保护细胞并防止蛋白质变性，进一步促进应激反应（Feder和Hofmann，1999）。此外，环境压力下食欲的调节对于管理能量需求至关重要，涉及CART、AGRP、CCK等信号，这些信号进一步影响生物体应对压力的能力（Unniappan等，2002；Kehoe和Volkoff，2007；Forlano和Cone，2007；Kang等，2010；Yan等，2011）。因此，研究参与应激反应调节、神经可塑性、细胞应激反应和食欲调节的关键基因的可塑性有助于预测生物体如何应对温度等环境变化。尽管这一点具有潜在的重要性，但对于在放松选择和人工（孵化场）条件下多代饲养的亲本中基因表达对转录热可塑性的影响仍知之甚少。

基因表达对环境变化的响应具有可遗传的遗传基础，而表型特征（如基因转录）背后的遗传结构可能受到环境的影响，从而产生基因型-环境相互作用（G×E相互作用）（Nussey等，2007）。亲本效应也是影响后代表型表达的另一个因素（Charmantier和Garant，2005；Visscher等，2008）。母体效应如母体提供的资源和卵子质量通常在早期生命阶段被检测到（Heath等，1999；Perry等，2004），而父体效应的研究较少。然而，最近的研究揭示了父体效应对后代表型（如存活率、生长、卵子和幼鱼大小）的重要性（Garant等，2003；Green和McCormick，2005；Fraboulet等，2009；Rutkowska等，2020）。在父亲提供护理（如筑巢和保护）的物种中，父体效应可能尤为显著，从而影响后代的存活率。在没有父方护理的物种中，父体效应主要通过精子的质量介导（Gasparini等，2017）。因此，区分遗传效应与环境及亲本影响对于更好地理解表型可塑性的机制以及预测表型变化对环境变化的长期适应性至关重要。

溪红点鲑（Salvelinus fontinalis）是一种广温性鲑鱼，需要凉爽且含氧丰富的水域。它原产于北美洲中部和东部，分布范围从乔治亚州延伸到纽芬兰，并延伸至安大略省南部和北部以及魁北克省和拉布拉多省（Scott和Crossman，1973；MacCrimmon和Campbell，1969）。它是一种非常受欢迎的淡水鱼类，用于休闲渔业，也是安大略省最早（与湖鳟S. namaycush一起）也是最常被放流的物种之一（Wood，2017；Mitchell等，2017）。作为一种对温度敏感的物种，已有大量关于其在人工环境和野生环境中的生态表现的文献（例如，Smith和Ridgway，2019；Jourdain-Bonneau等，2023；Gourtay等，2024）。

在本研究中，我们旨在评估圈养代数对溪红点鲑鱼苗和幼鱼在两种不同温度（7°C和10°C）下与应激反应调节（SRR）、神经可塑性（N）、细胞应激反应（CSR）和食欲调节（AR）相关脑基因表达的影响。我们假设经过长期驯化的希尔湖品系（圈养代数超过25代，F＞25）的后代对温度变化的敏感性低于斯科特湖品系（F1）的后代，因为后者是来自希尔湖孵化场的野生种群。我们还估计了表型可塑性的遗传率和亲本贡献，以更好地理解其来源。我们假设具有更多代数圈养历史（F＞25）的后代在基因表达变异方面的遗传率较低，并且在鱼苗阶段母体贡献比父体贡献更为显著。

**鱼类来源、繁殖和饲养设计**
本研究中使用的溪红点鲑品种来自安大略省自然资源部（OMNR）渔业研究设施在科德里顿（44.15°N，77.80°W）持有的两个品系：希尔湖品系和斯科特湖品系。希尔湖品系已在安大略省的孵化场作为亲本使用近一个世纪，圈养代数超过25代（F＞25组），在宾夕法尼亚州还有额外的未知驯化代数，被认为是高度驯化的品种。

**圈养代数、生命阶段和饲养温度对生长的影响**
在鱼苗阶段，F1个体的体长和体重都大于F＞25个体的个体（生命阶段×圈养代数时间<0.001，表1，图1）。然而，在幼鱼阶段，两组之间的标准长度没有显著差异，且F1个体的体重小于F＞25个体的个体（图1）。在鱼苗阶段，没有观察到温度效应。然而，在10°C下饲养的幼鱼质量和对数标准长度显著低于在7°C下饲养的幼鱼。

**讨论**
本研究的目的是评估圈养代数对大脑的影响以及这些影响如何影响鱼类对温度-饲养条件的响应。在我们检查的18个目标基因中，我们发现了与圈养代数相关的表达差异，这些差异在某些情况下也与温度条件和发育阶段有关。总体而言，我们的结果部分支持长时间圈养不会降低基因表达变异对温度变化的适应性的假设。

**结论**
目前人们对于驯化对鱼类应对气候变化引起的温度升高的影响仍存在担忧。我们的研究结果表明，长时间圈养并未降低鱼类基因表达变异对温度变化的适应性。具体来说，F＞25代的个体在10°C下饲养时表现出更高的细胞应激相关基因表达水平，表明它们启动应激反应的阈值较低。

**作者贡献声明**
吉兹兰·巴努斯（Ghizlane Banousse）：撰写初稿、可视化处理、验证、软件使用、方法设计、数据分析、数据整理。
塞琳·奥德（Céline Audet）：撰写、审稿与编辑、可视化处理、验证、监督、项目管理、方法设计、研究设计、资金申请、数据分析、概念化。
安杰利娜·拉涅奥（Angélina Lagneau）：撰写、审稿与编辑、软件使用、方法设计。
亚历克斯·怀尔德（Alex Wilder）：撰写、审稿与编辑、方法设计。
克里斯·C·威尔逊（Chris C. Wilson）：撰写、审稿与编辑。

**伦理说明**
动物的饲养、繁殖和鱼苗饲养均遵循加拿大动物护理委员会的推荐。实验方案符合温莎大学AUPP 18–08标准。

**资金支持**
本研究由加拿大自然科学与工程研究委员会（项目编号06768）为克里斯蒂娜·A·D·塞梅纽克提供资助，同时得到了加拿大政府（通过Genome Canada、GEN-FISH项目）、安大略基因组学研究所（Ontario Genomics Institute）和Génome Québec（OGI-184）的资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

**致谢**
作者感谢B. Sloan、S. Ferguson以及温莎大学预测生态实验室团队在鱼类采集和饲养方面的协助与贡献。作者还感谢加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）及其CREATE项目FishCAST的支持。