日本对虾（Penaeus japonicus）对低温和氨胁迫的响应：内质网、脂滴与线粒体之间的相互作用

《Aquaculture》：Response of Penaeus japonicus to low temperature and ammonia stress: Interactions among the endoplasmic reticulum, lipid droplets, and mitochondria

本研究以日本对虾（Penaeus japonicus）为对象，探讨了低温（10°C和19°C）及其与氨氮胁迫的交互作用对肝胰腺细胞ER、脂滴（LDs）和线粒体（Mt）功能的影响。结果表明：10°C低温单独处理导致ER扩张、线粒体嵴萎缩及脂滴积累，激活自噬和ER应激相关基因，显著抑制能量代谢酶活性并引发氧化应激；而19°C低温与氨氮（12±0.5 mg/L）复合胁迫加剧细胞结构损伤，显著增强ER应激反应，导致线粒体严重萎缩和自噬体异常堆积。转录组与代谢组学分析揭示低温主要影响免疫防御、蛋白质合成及脂质代谢，而复合胁迫则严重干扰蛋白质转运和氧化磷酸化通路。这些发现为揭示对虾低温及复合胁迫耐受机制提供了理论依据。

　　

Jiayi Wang|Siyu Chen|Hongwei Shan

中国海洋大学海洋养殖重点实验室，教育部，青岛266003，中国

摘要

在本研究中，以28°C条件下饲养的Penaeus japonicus作为对照组，设置了两个低温胁迫组（10°C和19°C）以及一个低温（19°C）和氨（总氨氮浓度为12±0.5 mg/L）联合胁迫组。我们从内质网（ER）、脂滴和线粒体的角度探讨了P. japonicus对低温的响应机制以及氨胁迫的调节作用。结果表明，10°C的低温胁迫导致肝胰腺细胞中的内质网扩张和线粒体嵴收缩，并伴有脂滴的积累。10°C的低温胁迫显著上调了与内质网应激和自噬相关的基因，扰乱了脂质代谢途径，显著抑制了与能量代谢相关的酶活性，并引发了氧化应激。与单独19°C低温胁迫相比，低温和氨联合胁迫对肝胰腺细胞造成了更严重的结构损伤，增强了未折叠蛋白反应的激活，显著上调了与内质网应激相关的基因，并导致线粒体严重收缩和大量自噬体的积累。转录组学和代谢组学分析显示，10°C的低温胁迫主要影响P. japonicus的免疫防御、蛋白质合成、脂质运输和能量代谢，而19°C低温和氨联合胁迫则显著破坏了蛋白质运输和氧化磷酸化途径。这些发现表明，低温胁迫通过诱导内质网应激促进脂滴的形成，同时导致线粒体功能障碍，从而抑制能量代谢途径。氨胁迫加剧了低温引起的内质网应激和线粒体损伤，并导致自噬失调，进而导致自噬体积累。

引言

Penaeus japonicus是一种在中国广泛养殖的商业上重要的海洋虾类。2024年，中国的年产量为45,968吨（中华人民共和国农业农村部，2025年）。温度对虾的生长和存活具有关键影响，P. japonicus在25–30°C时生长表现最佳，在8–10°C时停止摄食（Duan等人，2017年）。为了获得更大的经济效益，P. japonicus的养殖周期通常会被延长，从而导致养殖温度低于最佳范围，从而引发低温胁迫。这个问题在P. japonicus的越冬养殖期间尤为突出（Bian等人，2025年）。低温胁迫不仅影响生理代谢和免疫功能，还会对肝胰腺造成结构和功能损伤，从而影响生长、发育和存活（Zhou等人，2011年；Zhu等人，2024a）。先前的研究表明，低温胁迫会损害P. japonicus的肝胰腺结构，改变氨基酸和不饱和脂肪酸的含量，并扰乱能量代谢途径（Ren等人，2020年）。

随着市场需求的增加，中国P. japonicus的养殖逐渐向工业化、集约化生产系统转变。虽然生产力有所提高，但环境压力也越来越明显。氨是集约化P. japonicus水产养殖中的主要环境压力源，主要来源于未食用饲料和粪便的微生物分解以及虾的排泄物。氨对虾的毒性作用主要包括细胞膜完整性的损害、氧化应激的诱导和免疫功能的紊乱（Zhang，2021年；Hapsari等人，2025年）。此外，氨胁迫会激活红沼螯虾（Procambarus clarkii）的氧化应激途径和自噬，导致细胞功能障碍（Zhu等人，2025年）。先前的研究还表明，氨胁迫会抑制P. japonicus的免疫调节，诱导氧化应激和凋亡，并干扰未折叠蛋白反应（UPR）（Ou等人，2022年）。为了应对氨胁迫，P. japonicus通过增加热休克蛋白和抗氧化酶的活性以及激活氮代谢途径来减轻毒性（Wang等人，2024年）。

内质网（ER）、脂滴（LDs）和线粒体（Mt）是介导水生动物对环境胁迫响应的重要细胞器。温度波动、缺氧和污染物暴露等环境挑战可以诱导内质网应激并激活UPR以维持细胞稳态（Wadgaonkar和Chen，2021年）。在13°C的低温暴露后，P. vannamei中与蛋白质处理和内质网应激相关的信号通路显著增强（Wang等人，2023年）。脂滴不仅在水生动物适应环境过程中作为能量储存细胞器发挥作用，还参与应激缓冲和信号调节，其功能与内质网密切相关。Tunicamycin诱导的内质网应激促进了Larimichthys crocea原代肝细胞和肠细胞中脂滴的积累（Chen等人，2021年）。在内质网应激条件下，脂滴通过隔离错误折叠的蛋白质或多余的脂质发挥细胞保护作用（Bosma等人，2014年）。作为能量代谢的中心枢纽，线粒体在低温胁迫下特别容易受损，包括活性氧（ROS）的积累和β-氧化的抑制（Zhu等人，2024b）。此外，脂滴与线粒体之间的增加接触可以减轻Pelteobagrus fulvidraco中MnO?纳米颗粒引起的肝脏脂质毒性（Zhao等人，2024年）。

在水产养殖中，P. japonicus不仅受到低温胁迫的影响，还经常受到低温和氨联合胁迫的影响。因此，研究P. japonicus对低温胁迫和低温与氨联合胁迫的响应非常重要。本研究结合使用了组织学、转录组学和代谢组学方法，以及生理和生化参数的分析，阐明了P. japonicus对低温胁迫的适应调节机制，并从内质网、脂滴和线粒体的角度明确了氨对这些调节过程的影响。本研究的结果为阐明胁迫耐受机制以及选育耐低温和高氨条件的P. japonicus品系提供了理论见解和实践意义。

材料与方法

所有实验程序均遵循中华人民共和国关于实验室动物管理的法规（http://www.gov.cn/gongbao/content/2011/content_1860757.htm）。

P. japonicus肝胰腺组织的组织学观察

通过H&E染色显示的P. japonicus肝胰腺的组织学特征如图1A所示。在28°C组中，肝胰腺结构清晰、组织有序，周围组织保持完整。在10°C组中，肝胰腺结构变得模糊，出现严重的空泡化，管状的腔结构几乎完全丧失。在19°C组中，部分结构发生崩溃

低温和低温-氨联合胁迫诱导内质网应激和UPR

内质网在生物体的脂质合成和蛋白质处理中起着核心作用（Li等人，2024年）。在10°C组中，肝胰腺细胞结构严重模糊并出现空泡化，内质网明显扩张，表明低温对肝胰腺和内质网都造成了结构损伤。这些观察结果与P. vannamei中的先前的研究结果一致，即急性寒冷胁迫导致肝胰腺管状结构的消失（Wang等人，2023年）

结论

本研究从细胞器相互作用的角度阐明了P. japonicus对低温胁迫和低温与氨联合胁迫的肝胰腺响应。低温诱导内质网应激并促进脂滴的形成，通过调节脂质和能量代谢来帮助适应。与19°C组相比，氨进一步破坏了内质网-脂滴-线粒体之间的相互作用网络，导致代谢功能障碍和氧化应激加剧

CRediT作者贡献声明

Jiayi Wang：撰写——原始草稿，研究，正式分析，数据管理。Siyu Chen：方法学，数据管理。Hongwei Shan：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，监督，方法学。

未引用的参考文献

Heid等人，1996

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省重点研发计划的支持，项目编号为2023LZGC020。