《Stress Biology》：Molecular and physiological adaptations to low-salinity stress in penaeid shrimp: a focus on Litopenaeus vannamei and Penaeus monodon
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这篇综述系统阐述了全球重要经济对虾（特别是凡纳滨对虾和斑节对虾）应对低盐胁迫的适应机制。文章整合了盐度信号感知（GPCR、Ca2+、磷脂信号）、信号转导（MAPK、PI3K/Akt、NF-κB通路）及下游生理分子响应（离子调节、自噬、内质网应激、免疫抗氧化）等最新研究进展，旨在为理解对虾耐盐性分子基础、培育耐逆品种及应对气候变化提供科学见解和应用策略。
引言
对虾是全球水产养殖中经济价值极高的种类，其养殖业的扩张有力地支持了沿海经济。然而，低盐胁迫是制约其健康、生长、存活和生产力的主要环境挑战之一。随着全球气候变化加剧和海平面上升，沿海及内陆养殖区的盐度波动变得更为剧烈和不可预测，这对养殖业构成了前所未有的压力。此外，过度抽水、海水淡化等人类活动进一步加剧了当地水盐度的突变，使养殖环境更不稳定。为应对这些挑战，对虾激活了一系列包括离子通道与泵调节、渗透保护物合成、抗氧化防御机制激活以及多种信号通路调控在内的生物学过程。在细胞层面，低盐度通常带来渗透、离子和氧化的复合挑战，可能损害蛋白质和DNA，扰乱细胞内信号传导，并促进细胞凋亡，从而危及对虾生存。然而，关于上游盐度传感器的鉴定、转录调节因子在胁迫期间调控基因表达的作用，以及这些过程在不同物种和基因型间的差异等关键分子细节仍知之甚少。本文旨在综述对虾盐度耐受分子机制的最新进展，重点关注凡纳滨对虾，并在可得证据下比较斑节对虾等其他对虾物种，以阐明盐度适应中的保守性与物种特异性特征。
盐度信号感知
低盐胁迫下G蛋白偶联受体的激活
G蛋白偶联受体在对虾基因组和转录组中广泛存在。在凡纳滨对虾参考基因组中，注释了457个GPCR基因。在斑节对虾中，基于转录组的分析鉴定了三大类GPCR。暴露于低盐度时，环境稀释改变了细胞外离子组成和渗透压条件。在对虾中，GPCR作为初级盐度传感器的直接证据仍然有限；相反，GPCR通路更可能是通过配体依赖性机制间接参与，即盐度变化改变了神经内分泌/旁分泌配体的可用性或受体-配体相互作用。配体驱动激活后，GPCR通过G蛋白发出信号，调节下游通路和效应酶。这种解离过程随后影响多种下游信号分子和转录因子，进而调节与盐度胁迫响应相关的基因表达。对斑节对虾鳃在慢性低盐胁迫下的转录组分析显示，差异表达基因显著富集于多个信号转导通路，包括PI3K–Akt、MAPK和钙信号通路，支持了GPCR相关级联反应在鳃中心渗透调节适应中的参与。尽管GPCR连锁信号与盐度适应有关，但将对特定GPCR基因作为直接上游渗透传感器的对虾特异性证据仍然有限。当前的组学研究主要支持GPCR相关级联在低盐挑战时的通路水平参与，而非证明特定受体的直接离子感应。
低盐胁迫下钙信号的激活
在凡纳滨对虾中，低盐胁迫下的Ca2+信号代表了一种协调的信号响应，以支持稳态和适应。随着盐度降低导致细胞外渗透压下降，渗透和离子扰动可能涉及多个Ca2+进入/处理途径。在斑节对虾中，急性低盐胁迫显著富集了与“钙离子跨膜转运”、“钙调蛋白结合”和“胞质钙离子浓度调节”相关的基因集，并伴随着Ca2+/Mg2+-ATPase活性/表达的增加。一旦这些通道检测到外部环境变化，它们便会开放，允许钙离子从外部环境内流或从内质网等内部储存中释放到细胞质中。这导致细胞内钙浓度瞬时增加，启动下游反应级联。在凡纳滨对虾中，对低盐度选择群体的多组学分析进一步报道了低盐条件下与钙激活氯离子通道相关基因的上调，支持了Ca2+依赖性效应与离子转运重塑的联系。胞质Ca2+的瞬时增加激活了一组广泛的钙敏感激酶和磷酸酶，从而微调离子泵和通道，帮助细胞重建离子和渗透稳态。这个过程不仅对恢复钙离子平衡至关重要，也对维持钾、钠等其他关键离子的平衡至关重要，确保全面的细胞功能。值得注意的是，细胞能量传感器AMPK与Ca2+波并行激活：在太平洋白虾从盐度20转移到盐度3后仅6小时，肝胰腺AMPK-α转录本就增加了约28倍。从机制上讲，Ca2+信号可以通过钙/钙调蛋白依赖性途径与能量感应耦合，从而将渗透性Ca2+动力学与代谢重编程联系起来。在对虾中，低盐度提高了肝胰腺中AMPK的表达，并伴随着mTOR相关分子的下调，支持了AMPK–mTOR在低盐适应过程中的参与。
磷脂信号
当凡纳滨对虾遭受低盐胁迫时，环境盐度的降低及随之而来的细胞外渗透压变化直接影响细胞膜的物理状态，特别是其流动性和膜蛋白的活性。这种胁迫诱导膜磷脂组成和状态的调整，这是细胞应对外部盐度变化的关键响应机制。重要的是，低盐度下的磷脂代谢应主要被视为膜重塑，以在细胞肿胀和体积恢复期间稳定膜完整性并保持渗透调节膜蛋白的功能/运输。在此过程中，磷脂转换可以通过磷脂酶激活，PLC介导的磷酸肌醇水解可产生如三磷酸肌醇和二酰甘油等第二信使。具体而言，磷酸肌醇库和DAG/PKC连锁信号的变化可以调节膜-蛋白相互作用以及离子转运系统的活性/运输，从而促进离子平衡恢复和低盐适应。在长期低盐胁迫下，对虾还会调整细胞膜磷脂的组成以增加膜流动性，特别是通过改变饱和与不饱和脂肪酸的比例。这种重塑有助于在持续的低渗挑战期间保持膜通透性以及渗透调节转运蛋白的功能构象/定位。不饱和脂肪酸的增加在低盐胁迫下保持了必要的膜流动性和灵活性，这对于膜蛋白，尤其是参与信号传导的受体和通道的功能至关重要。此外，膜流动性的这种调整有助于保持细胞感知外部信号的能力和信号传递的有效性。这些盐度感知模块将细胞外渗透/离子扰动转化为细胞内第二信使和膜/能量线索，这些线索汇聚于下游激酶和转录网络。
信号转导与基因表达调控
在盐度感知事件的下游，考虑到MAPK、PI3K–Akt和NF-κB通路在上游激活、下游效应器和生理结果方面的串扰和部分重叠，表1整合了这些模块的关键要素，以便并排比较低盐胁迫下的核心调节节点和对虾相关响应。随后的分节通过强调最相关的对虾证据以及低盐适应过程中通路间的潜在相互作用，在此基础上展开。在这些通路中，低盐适应期间的主要功能终点包括以鳃为中心的渗透调节、免疫启动/防御程序以及抗氧化/活性氧控制响应。
MAPK信号通路在对虾盐度胁迫下的作用
MAPK通路是一个核心应激响应通路，有助于凡纳滨对虾的盐度适应。该通路包含一系列依次激活MAPK的激酶级联，从而调节特定基因的表达，影响细胞在环境胁迫下的生长、分化和存活。如图2A所示，MAPK通路分为三个主要分支，即ERK、JNK和p38 MAPK分支，每个分支对应不同的刺激和功能。在盐度胁迫等环境胁迫下，MAPK通路被激活，启动激酶级联，其中MAPKKK激活MAPKK，进而激活MAPK。这个过程主要通过磷酸化实现，最终将信号传递到细胞核以激活特定的转录因子，影响细胞对外部胁迫的生物学响应。在这些分支中，ERK通路主要响应生长因子和有丝分裂信号，并通过Ras蛋白激活MEK1/2，进而激活ERK1/2，促进细胞分裂和增殖。JNK通路由胁迫和炎症因子激活，依赖于MKK4/7的磷酸化，从而激活JNK，导致c-Jun磷酸化，进而放大调节胁迫响应基因。p38 MAPK通路响应环境胁迫，通过MKK3/6激活来调节p38 MAPK，从而影响ATF-2和Max等转录因子，影响与炎症、细胞分化和凋亡相关的基因。这些通路对于细胞生长和分化、胁迫响应和炎症反应是不可或缺的。ERK通路支持细胞生长和分化，而JNK和p38 MAPK通路在严重环境胁迫下诱导凋亡，清除受损细胞。p38 MAPK通路还通过调节炎症因子的表达参与炎症过程和免疫响应。在MAPK家族中，JNK分支常与对虾在低盐度下的胁迫响应转录和凋亡/抗氧化程序相关，因此在此作为MAPK子分支进行讨论。从功能上讲，MAPK输出提供了从盐度触发的胁迫信号到适应性表型的联系，包括调节鳃上皮的渗透调节转运过程、协调免疫/炎症基因表达，以及调节低盐度下的抗氧化/胁迫响应程序。
PI3K/Akt信号通路及其在低盐胁迫下的基因调控机制
在低盐胁迫下，PI3K/Akt通路作为调节细胞存活、增殖和抗胁迫响应的核心信号通路之一，起着至关重要的作用。该通路通常被细胞外信号激活，例如生长因子或其他环境刺激，包括低盐胁迫，启动PI3K的激活。一旦PI3K被激活，它催化产生PIP3，作为关键信使激活Akt。Akt的激活触发了一系列下游效应。Akt被激活后，它磷酸化mTOR，促进合成代谢和细胞生长。这些效应不仅促进细胞存活和增殖，还通过抑制凋亡通路中的蛋白质来防止程序性细胞死亡。除了上述基因，PI3K/Akt通路还调节其他几个关键基因和蛋白质的表达和活性。当未被Akt磷酸化时，FOXO蛋白进入细胞核并促进细胞周期抑制剂和凋亡相关基因的表达。Akt的激活磷酸化FOXO家族成员，导致其被排除在细胞核外并抑制其转录活性，从而促进细胞存活而非凋亡。在低盐胁迫下，PI3K/Akt通路的激活和调节功能对于维持细胞稳态和保护细胞免受胁迫诱导的损伤至关重要。此外，该通路内部的负反馈调节机制确保了信号通路的动态平衡和适当响应。在生物体水平上，这种存活/能量分配作用与低盐度下以鳃为中心的渗透调节的高ATP需求是一致的。
NF-κB信号通路及其在低盐胁迫下的基因调控机制
在水生生物中，特别是在面临低盐胁迫的凡纳滨对虾等物种中，NF-κB通路的激活和调节起着至关重要的作用。该通路是细胞响应各种胁迫的关键调节通路，包括盐度变化，它通过分子机制响应环境压力以维持细胞存活和发展。低盐胁迫可以通过IκB调节和核转位激活NF-κB信号，从而促进对虾中的免疫/胁迫响应和抗凋亡基因程序。在低盐胁迫下，NF-κB通路的调节作用尤为重要，因为它不仅通过促进炎症和免疫反应基因的表达来增强细胞防御机制，还通过调节抗凋亡和细胞存活基因的表达来帮助细胞适应低盐环境，从而减轻胁迫的生理影响。总之，这些信号模块将对盐度的感知转化为对虾协调的功能适应结果：激活以鳃为中心的渗透调节机制以恢复离子和酸碱平衡；重新分配存活和能量以维持离子转运的消耗并限制细胞损伤；以及将先天免疫与抗氧化防御耦合以对抗活性氧积累并降低低盐度下的疾病易感性。
对虾对低盐胁迫的生理和分子响应
基于感知层和信号转导层，对虾部署器官和组织水平的效应机制，以在盐度胁迫下重建渗透和离子平衡。
生理调节机制
对虾使用鳃、触角膜和上颌腺进行渗透调节。在分子水平上，这些组织输出由离子转运上皮和排泄结构执行，其转运蛋白表达/活性由总结的盐度感知和信号转导模块进行调节。在此过程中，鳃起着核心作用，其中离子转运上皮细胞根据环境盐度的变化动态调整离子的吸收或排泄。这些鳃离子细胞通过核心转运系统的协调调节来实现渗透调节。在低盐环境中，斑节对虾通过鳃增强离子吸收以增加体内离子浓度，从而提高体内渗透压，有效防止过度吸水及随后的细胞破裂。反之，在高盐环境中，斑节对虾增强离子排泄以降低内部渗透压，适应盐度升高。触角膜和上颌腺的参与通过精确控制水和离子的排泄进一步增强这种调节机制，有助于维持体内渗透平衡。触角膜在对虾的渗透调节中起着关键的辅助作用。这些腺体主要处理低盐环境中多余水分的排泄以及高盐条件下多余离子的排泄。从机制上讲，触角膜的输出通过共享的第二信使和激酶网络与鳃离子转运相协调。触角膜的功能由一系列信号通路和转录调节网络促进。上颌腺也有助于对虾的渗透调节，特别是在缓冲盐度胁迫期间的血淋巴渗透/离子变化。目前的证据表明，它们的调节可能依赖于与鳃和触角膜相似的分子效应器，尽管对虾特异性的机制数据仍然有限。这些生理调整对水产养殖有直接影响，在环境波动期间保持逐渐的盐度过渡和最小化渗透冲击是支持对虾离子调节能力和降低死亡率的关键策略。最近对盐度波动下斑节对虾的转录组分析揭示了渗透调节基因的显著调节。特别是，Na+/K+-ATPase亚基的表达在低盐胁迫下显著上调，这与在生理水平观察到的主动离子吸收增强一致。类似地，碳酸酐酶转录本显著升高，支持了酸碱平衡调节在渗透调节中的作用。此外，与细胞骨架重塑相关的基因显示出动态变化，表明细胞结构正在积极响应渗透梯度进行重组。
mTOR通路的激活
实验证据表明，将虾从盐度20转移到盐度3可在6小时内使肝胰腺AMPK蛋白升高约1.6倍，而肌肉AMPK在12小时内恢复到基线，强调了快速但组织特异性的能量感应响应。一旦AMPK稳定了细胞能量预算，它便控制向下游合成代谢调节因子的转换，其中最显著的是mTOR通路，它整合营养线索与生长和修复程序。在凡纳滨对虾对低盐胁迫的分子响应中，mTOR通路通过一系列精细调节的步骤，在调节对虾生长、代谢和存活机制中起核心作用。mTOR通路是一个高度保守的细胞生长和
