《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Physiological and transcriptomic responses of the gills in Gymnocypris eckloni under acute and chronic hypoxia stress
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高原鱼类缺氧适应机制及关键基因鉴定研究系统分析急性（12h）和慢性（24h、96h、168h）缺氧对沙塘鳠鳃抗氧化酶活性、糖酵解代谢及免疫相关基因表达的影响，结合转录组测序（STEM和WGCNA）鉴定出akt、gk、 sod1等12个关键基因，揭示MAPK、HIF-1等信号通路在缺氧响应中的调控作用，为耐低氧鱼类分子育种提供理论依据。
吴申吉|夏明哲|王紫怡|刘丹|王伟|张春芳|贾俊梅|田飞|齐德林
青海大学高原生态与农业国家重点实验室，西宁，810016，中国
摘要
随着全球变暖和环境污染的加剧，缺氧已成为水生生态系统中不可避免的环境因素，并对鱼类产生多种不利影响。Gymnocypris eckloni是青藏高原的代表性物种，具有出色的适应缺氧环境的能力，然而关于其缺氧适应机制的了解仍然有限。本研究探讨了急性缺氧（12小时，H12S）和慢性缺氧（不同持续时间，H24S、H96S和H168S）对G. eckloni鳃部生化参数和转录组的影响。研究发现，所有组别的鳃部都遭受了严重的氧化损伤，并且观察到无氧糖酵解增加，而在H12S组中有氧糖酵解也有所提升。急性缺氧条件下，炎症反应、细胞凋亡和翻译过程受到显著抑制，而信号传导和蛋白质合成过程则得到增强。通过STEM和WGCNA分析，我们从3608个差异表达基因（DEGs）中识别出几个与缺氧相关的关键基因（egln、akt、pdk1、foxo1、pfk、gapdh、gk、bax、casp8、il-8和il-1β）。在缺氧胁迫下，akt、gk、sdh、gapdh和ldh的表达显著上调，而sod1、cat、bax、casp8和ccl8的表达则呈现相反趋势。富集分析显示，大多数DEGs显著富集在MAPK信号通路、细胞因子-细胞因子受体相互作用通路、FoxO信号通路、mTOR信号通路、糖酵解/糖异生和细胞凋亡相关通路中。本研究揭示了G. eckloni在应对急性与慢性缺氧胁迫时的分子机制差异，为培育耐缺氧鱼类提供了宝贵的遗传资源。
引言
溶解氧（DO）是水生生态系统中最重要的环境因素之一，直接影响鱼类的生存和生长（Ackerly等人，2018；Zhang等人，2025）。水生环境的氧气含量较低（仅为大气氧分压的三分之一），并且由于自然因素（光合作用、季节变化、极端气候和昼夜交替）和人类活动（水体富营养化和全球变暖）的影响，DO存在时空波动，迫使鱼类频繁暴露在缺氧或缺氧-复氧环境中（Pollock等人，2007；Xiao，2015）。尽管鱼类在长期进化过程中发展出了生理、组织和行为上的适应策略，如提高血液中的氧气亲和力、增加鳃丝表面积和加速呼吸速率，但严重的缺氧或慢性缺氧会减缓鱼类生长速度，降低疾病抵抗力和耐受性，可能导致大量死亡，从而造成巨大的生态和经济损失（Zhu等人，2013；Wang等人，2023）。因此，缺氧已成为水产养殖可持续发展和保护珍稀野生鱼类种质资源领域的高度优先关注问题。
鉴于缺氧对水产养殖业的负面影响，国内外研究人员对缺氧胁迫对鱼类行为、组织学、生理学和生物化学的影响进行了广泛研究，这些变化本质上是基因表达和调控的变化（Nikinmaa和Rees，2005；Abdel-Tawwab等人，2019）。尽管从线虫到哺乳动物的缺氧信号通路高度保守（Xiao，2015），但目前关于鱼类缺氧反应的分子机制研究仍处于初级阶段。许多经济重要鱼类的转录谱变化已被研究，包括长江鲟（Acipenser dabryanus）（Chen等人，2026）、鲶鱼（Pelteobagrus vachelli）（Li等人，2023）、大口黑鲈（Micropterus salmoides）（Sun等人，2020a，Sun等人，2020b）、虹鳟（Oncorhynchus mykiss）（Wu等人，2024b）和大型黄鱼（Larimichthys crocea）（Ding等人，2023）。这些研究表明，缺氧胁迫显著改变了与抗氧化系统、红细胞生成、血管生成、能量代谢、免疫反应和细胞周期相关的基因表达，观察到HIF-1信号通路、VEGF信号通路、PPAR信号通路和糖酵解/糖异生等信号通路在鱼类缺氧适应过程中起着关键作用。此外，鱼类对急性与慢性缺氧的分子机制存在显著差异，发现急性缺氧胁迫对糖酵解的影响尤为明显，而在慢性缺氧胁迫下脂质代谢是鱼类的重要能量来源（Li等人，2018；Ding等人，2023）。这些发现为理解鱼类对缺氧的适应机制提供了宝贵见解，表明转录组分析是研究鱼类缺氧反应机制的理想方法。
青藏高原是世界上最独特的地理单元之一。裂胸鱼类（Teleostei: Cyprinidae）作为青藏高原鱼类群的主要组成部分，在该地区及其周边水系中具有重要的生态价值（Qi等人，2018）。Gymnocypris eckloni是黄河上游裂胸鱼类的代表性物种，由于种群增殖的成功，具有很高的经济价值和发展潜力。G. eckloni的进化历史和独特栖息环境使其具有出色的缺氧适应能力，因此我们推测其缺氧反应机制与高DO需求的鱼类有所不同。迄今为止，关于G. eckloni的研究主要集中在生物学特性、形态观察和人工繁殖方面（Yang等人，2017；Zhang等人，2020；Zhao和Zhou，2024），对缺氧胁迫下的分子调控机制的深入研究较少。
本研究分析了急性与慢性缺氧在不同持续时间下对G. eckloni鳃部抗氧化、代谢和免疫相关生理参数的影响，并通过RNA-seq技术鉴定出关键缺氧相关基因和通路。这些结果不仅加深和丰富了我们对裂胸鱼类适应缺氧环境的机制的理解，也为耐缺氧鱼类的分子育种奠定了基础。
实验部分
缺氧处理和采样
本研究中使用的G. eckloni（体重：80.50±3.60克，体长：16.80±0.53厘米）来自中国青海省循化县的本地鱼类人工增殖与放流站。这些实验鱼被随机分配到三个透明塑料水箱中，在以下条件下饲养两周：DO=8.4±0.1毫克/升，温度=14–16℃，pH=7–8。适应后，根据我们之前的研究（Qi等人，2017）进行了急性与慢性缺氧实验
缺氧对抗氧化、代谢和免疫参数的影响
与对照组相比，H12S、H24S和H168S组的T-SOD活性显著降低（p<0.05），CAT活性在H12S、H96S和H168S组也显著降低（p<0.05）（图1）。缺氧胁迫后所有阶段的MDA含量均高于对照组，HK和PK的活性也呈现类似趋势，而T-AOC和AKP则表现出相反趋势。H12S和H96S组的SDH活性显著增加（p<0.05），LDH活性也有所增加讨论
由于全球变暖和水质恶化，鱼类遭遇缺氧环境的频率显著增加，导致严重的生态和经济损失。为了应对缺氧环境，鱼类会调节关键基因的表达，以更有效地运输、储存和利用氧气（Rashid等人，2017；Babin等人，2024）。与哺乳动物相比，关于鱼类缺氧适应策略和缺氧反应机制的研究仍处于初级阶段
结论
通过整合鳃部生理参数和比较转录组数据，我们系统地研究了G. eckloni的缺氧耐受机制。与慢性缺氧胁迫相比，急性缺氧胁迫对抗氧化系统、炎症反应、能量代谢、信号传导和遗传信息处理的影响更为明显，无氧和有氧糖酵解的增强以及翻译起始的抑制为G. eckloni提供了优势
CRediT作者贡献声明
吴申吉：撰写——原始草稿，数据整理。夏明哲：撰写——审稿与编辑。王紫怡：验证。刘丹：正式分析。王伟：撰写——审稿与编辑。张春芳：监督。贾俊梅：正式分析。田飞：撰写——审稿与编辑。齐德林：资金获取，概念构思。
致谢
本工作得到了青海省首席科学家计划（2024-SF-102）和国家自然科学基金（32371578）的支持。
