中华鳖胚胎发育响应巢温变化的部分生理生化对策

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在全球变暖背景下,动物对温度变化的响应是当前动物学领域的一个研究热点。作为外温动物,爬行动物的行为和生理功能直接受制于环境温度,环境温度变化是导致全球爬行动物多样性下降的重要原因。目前关于爬行动物响应温度变化的研究还主要集中在成体水平,很少涉及比成体更为敏感与脆弱的胚胎,特别是卵生爬行动物的胚胎。因此,本研究探究中华鳖胚胎巢温的时空变异,中华鳖胚胎响应巢温变化的模式,并结合转录组技术阐述其响应温度变化的部分生理生化与分子基础。  通过三个中华鳖种群(高纬度:山东聊城,中纬度:湖南常德和低纬度:广西贵港)野外巢穴温度的监测,发现巢温的变化主要表现在窝内变异以及地理变异。对于同一窝卵,上层卵所经历的平均温度稍高于下层卵,而且上层的温度波动幅度大于下层。高纬度种群胚胎经历的温度波动幅度大于中、低纬度种群,但是其平均温度低于低纬度种群。  为探究中华鳖胚胎响应巢温变化的窝内变异模式,选择以高纬度种群中华鳖胚胎为研究对象,通过室内模拟上下层温度(上层:26±3℃;下层:26±2℃),开展上下层卵的交互孵化实验。结果发现,不论在哪个孵化温度,上层卵与下层卵的孵化期没有差异,而且孵化过程中胚胎的呼吸代谢率、幼体的形态特征也没有差异。然而,幼体的翻背时间受到巢内卵位置的影响。当在26±2℃下孵化时,上层幼体与下层幼体的翻背翻背时间没有差异,但当在26±3℃下孵化时,下层幼体的翻背时间长于上层幼体。这些结果提示(1)虽然上层卵和下层卵能够同时孵出,但是下层胚胎以自身神经肌肉系统发育不完全导致翻背时间延长为代价;(2)同一窝内不同胚胎的发育策略是对其在巢内位置的适应,这有助于提高后代的适合度。  进而以广西、湖南和山东中华鳖胚胎为对象,通过在室内模拟三个种群胚胎所经历的低温波动(26±3℃)和高温波动(31±3℃),开展交互孵化实验,探究中华鳖胚胎发育可塑性的地理变异模式。我们的研究结果表明,孵化期和幼体的翻背时间受到种群和孵化温度的影响。低温孵化时,中高纬度种群胚胎的孵化期短于低纬度种群,而且胚胎每天的心率高于低纬度种群,但在高温孵化时,此差异消失。低温孵化时,中高纬度种群幼体的翻背时间短于低纬度种群,而在高温孵化时,高纬度种群幼体的翻背时间短于中纬度种群的幼体。这表明来自不同纬度种群的胚胎可能已经进化出不同的发育热敏感性,以此来响应各自巢环境的变化。  最后选择高低两个纬度的中华鳖种群,室内模拟真实的巢温波动(高纬度:26±3℃;低纬度:28±1.5℃),开展交互孵化实验,探究胚胎发育模式的纬度变异。随后开展这两个种群胚胎肝脏的转录组测定,探究两个种群的胚胎在两个孵化温度下基因表达的差异。结果显示,在两个孵化温度下,高纬度种群胚胎的发育速率表现出了逆纬度梯度的变异模式,即高纬度种群胚胎的发育速率快于低纬度种群,而且高纬度种群幼体的翻背时间也短于低纬度种群。高纬度种群胚胎发育过程中的心率和呼吸代谢率均高于低纬度种群,但是心脏和肝脏的大小没有表现出种群间差异。转录组分析发现,相对于低纬度种群来讲,高纬度种群胚胎在26±3℃和28±1.5℃孵化时,分别特异调控了283和184个转录本的表达;在两个孵化温度下共同调控了147个转录本的表达。主要调控差异体现在以下几方面:(1)高纬度种群上调了与不饱和脂肪酸合成相关的酶(Fads1,Fads2和Scd)的转录本的表达。由于不饱和脂肪酸是细胞膜的重要组成部分,这暗示高纬度胚胎通过增加膜内不饱和脂肪酸含量来提高胚胎的代谢率。(2)不同孵化温度条件下高纬度种群倾向于不同的代谢途径为胚胎发育提供能量。在低温孵化时,倾向于依赖无氧代谢。如上调了(Galt,Gnpda1和Loc102447192(己糖激酶-2))的表达,协助六碳糖进入酵解途径,同时下调了促进糖异生过程的转录本的表达(Ppp1r3c)。而在高温孵化时,高纬度种群胚胎更多的依赖有氧代谢,并抑制了无氧代谢过程。如编码线粒体电子传递链复合物亚基的转录本(Loc102444236(cytochrome c oxidase subunit6A),Ndufa2),协助蛋白质转运到线粒体的转录本(Oscp1)的表达被上调,而Pfkfb3的上调则通过减少果糖-2,6-二磷酸的量从另一方面抑制了酵解途径。同时高纬度种群胚胎还通过减少进入酵解途径的底物来抑制无氧代谢过程,如下调催化甘露糖变为甘露糖-6-磷酸(Pmml)和山梨醇变为果糖(Sord)相关酶的转录本的表达。  综上所述,本研究首次探究了爬行动物胚胎发育的窝内变异,拓展了爬行动物胚胎发育对温度变化响应研究的层次。此外,本研究第一次在转录组水平上阐明了爬行动物胚胎发育速率逆纬度梯度变异的分子机制,为后续深入研究这种现象的分子机制提供了方向。
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