急性热应激对奇努克鲑鱼免疫系统的影响及其抵抗鳗弧菌感染和降低死亡率的能力

《Fish & Shellfish Immunology》：The Effect of Acute Heat Stress on the Chinook Salmon Immune System and Their Ability to Combat Vibrio anguillarum Infection and Mortality

本研究通过急性热休克和细菌感染实验，评估了对 Chinook 鲑鱼免疫系统及抗感染能力的影响。结果显示热休克预处理降低了 Vibrio anguillarum 感染的死亡率，并调节了炎症因子（如 IL-1β、TNF-α）和抗炎因子（如 IL-10）的表达。热休克蛋白（HSP47、HSP90）基因表达在应激和感染后均显著上调，但血浆 HSP47 蛋白水平无显著差异。该研究首次证实热休克预处理可增强鲑鱼对细菌感染的抵抗力，为气候变化下鱼类健康管理提供了新见解。

　　随着全球气候变暖，加拿大西部的热浪频率、持续时间和强度预计将持续上升，这将导致浅流区域的水温发生显著波动。这种变化对鲑鱼科鱼类（如 Chinook 鲑鱼）构成了重大挑战，因为高温可能增加其对感染性疾病的易感性。为了探索这一问题，研究人员对幼年 Chinook 鲑鱼实施了一项模拟环境的热应激实验，并在热应激后14天内测量了其免疫反应。同时，这些鲑鱼还接受了活体 *Vibrio anguillarum* 的注射，以评估热应激是否使它们对系统性细菌感染产生免疫功能下降。实验中，研究人员通过qPCR方法检测了脾脏、鳃和后肠中 *il1b, il8, tnfa, il10, tgfb, hsp47, hsp70, hsp90* 的转录水平。研究结果表明，热应激并未显著影响因 *V. anguillarum* 引起的死亡率，且在热应激后，某些促炎和抗炎反应在初始阶段有所增强，随后在感染后三天内恢复到对照水平。此外，*hsp47* 和 *hsp90* 的转录水平在热应激和 *V. anguillarum* 感染后均有所上调，而 *hsp70* 的表达则没有显著变化。这些数据表明，实验性热应激对 Chinook 鲑鱼具有一定的预适应作用，有助于理解宿主、环境和病原体之间的相互作用。

### 1. 研究背景

近年来，热浪的发生频率和强度在全球范围内显著上升，特别是在加拿大西部地区。热浪通常指的是连续三天或更长时间内异常的温度变化，这些变化导致浅流区域的水温升高，进而影响鲑鱼科鱼类的生存和健康。浅流区域对温度波动尤为敏感，因为随着空气温度每升高1°C，流体温度通常相应上升0.4-0.6°C。这种温度变化对鲑鱼科鱼类的生理功能产生重要影响，包括其生存能力、摄食和生长速率。鲑鱼科鱼类在11-17°C的温度范围内生长最佳，当暴露于急性温度变化时，会表现出行为和代谢上的调整。然而，随着全球水温的上升，鲑鱼在从海水迁移到淡水繁殖的过程中，可能会遭遇其耐受极限的水温，这对它们的生存构成威胁。值得注意的是，水温的升高被认为是影响鲑鱼繁殖成功率、卵子存活率和成年鲑鱼生存的重要因素。此外，随着水温的持续升高，鲑鱼几乎没有时间进行适应或恢复，这种热应激可能导致其免疫功能暂时下降，例如通过增加糖皮质激素（如皮质醇）的分泌，这些激素已知会对鲑鱼的免疫系统产生抑制作用。因此，评估水温升高对鲑鱼科鱼类的影响，以了解其可能的亚致死效应，变得尤为重要。

Chinook 鲑鱼是北美太平洋鲑鱼中体型最大的一种，因其相对较低的种群数量和较大的体型，其肉质被认为是高品质的，并具有商业价值。自20世纪70年代以来，野生鲑鱼种群数量持续下降，加拿大渔业与海洋资源部（DFO）报告称，加拿大不列颠哥伦比亚省南部的 Chinook 鲑鱼种群已降至临界低水平。气候变化对太平洋鲑鱼种群的影响已成为一个日益受到关注的研究领域。例如，在1990年代，美国和加拿大沿岸的 Chinook 鲑鱼捕捞量出现急剧下降，这与显著的气候和水生环境变化同时发生。如今，人们普遍认识到气候变化可能对太平洋鲑鱼种群的生存能力产生严重影响，因此需要进一步研究其对鲑鱼科鱼类的影响程度以及它们如何应对环境变化。

### 2. 研究方法

为了评估热应激对 Chinook 鲑鱼免疫系统的影响，研究人员采用了模拟环境的热应激实验。实验使用了加拿大不列颠哥伦比亚省 Quinsam 河的水温数据，以设计一个能够反映夏季热浪期间浅流区域温度波动的热应激方案。实验分为四个处理组：无热应激和无感染（No HS/PBS）、热应激但无感染（HS/PBS）、无热应激但有感染（No HS/*Vibrio*）以及同时经历热应激和感染（HS/*Vibrio*）。在热应激实验中，鲑鱼被转移到两个916升的水箱中，模拟了热浪期间的温度波动。实验过程中，研究人员记录了温度和溶解氧的变化，以确保环境条件的精确控制。

为了评估感染情况，研究人员使用了 *Vibrio anguillarum* 的菌株，这是一种影响超过50种鱼类、甲壳类和双壳类动物的病原体。在感染实验中，鲑鱼被注射了含有8.2 x 10^6 CFU/mL 的活菌，或者接受无菌磷酸盐缓冲液（PBS）的注射。研究人员在不同时间点（0、0.25、1、3、7和14天）对每组鲑鱼进行了采样，并通过qPCR分析了免疫相关基因的表达水平。此外，还通过ELISA方法检测了HSP47蛋白在鲑鱼血浆中的浓度，并通过qPCR评估了 *V. anguillarum* 在脾脏中的负荷。实验中还测量了血浆中的代谢物水平，包括葡萄糖、乳酸和皮质醇，以评估热应激和感染对代谢反应的影响。

### 3. 研究结果

研究结果表明，热应激对 Chinook 鲑鱼的免疫反应产生了复杂的影响。在热应激后，促炎因子如 *il1b*、*il8* 和 *tnfa* 的转录水平在短期内显著上升，但随后在感染后三天内恢复到对照水平。这意味着热应激可能在一定程度上促进了免疫反应的启动，但并未持续影响其后续发展。此外，抗炎因子如 *il10* 和 *tgfb* 的表达模式也发生了变化，其中 *il10* 在感染后第三天显著上调，这可能是一种对过度炎症的调节机制。值得注意的是，*hsp47* 和 *hsp90* 的转录水平在热应激和感染后均有所上升，而 *hsp70* 的表达则没有显著变化。这表明某些热休克蛋白可能在应对热应激和感染时发挥了重要作用，而 *hsp70* 的表达可能受到其他因素的影响。

在血浆中，HSP47蛋白的浓度在所有处理组中均未发生显著变化，这可能表明HSP47的表达在血浆中的波动较小，或者其表达受其他机制调控。此外，血浆中的皮质醇和乳酸浓度在热应激后6小时内显著上升，随后恢复到基础水平。这些结果表明，热应激会触发一系列代谢反应，如糖异生和乳酸生成，这些反应可能与免疫系统的激活有关。然而，这些代谢变化在感染后并未显著改变，说明热应激和感染对代谢反应的影响是独立的。

### 4. 讨论

研究结果表明，热应激对 Chinook 鲑鱼的免疫系统可能具有一定的预适应作用。尽管热应激可能暂时影响免疫反应的启动，但随后的恢复表明其对免疫系统的长期影响较小。这一发现与一些研究表明热应激可以提高鲑鱼的免疫功能，例如通过增加某些促炎因子的表达，从而提高其对感染的抵抗力相一致。然而，热应激并未显著提高 *hsp70* 的表达，这与该基因通常作为环境应激的生物标志物的预期不符。这可能与 *hsp70* 基因在鲑鱼中的存在形式有关，因为该基因可能有多个同源基因，这些基因在不同组织中的表达模式可能不同。

此外，研究还发现，热应激和感染对代谢反应的影响是独立的。虽然热应激会暂时增加血浆中的皮质醇和乳酸浓度，但这些变化在感染后并未持续。这表明热应激和感染可能通过不同的机制影响代谢反应，而它们的相互作用仍需进一步研究。研究中还提到，HSPs（热休克蛋白）在鲑鱼免疫反应中可能具有重要作用，尤其是在应对细菌感染时。然而，由于 *hsp70* 的表达没有显著变化，这可能意味着其在某些情况下并不直接参与免疫反应的调控。

### 5. 结论

这项研究为理解热应激对 Chinook 鲑鱼免疫系统和代谢反应的影响提供了新的视角。研究发现，热应激并未显著影响因 *V. anguillarum* 引起的死亡率，但可能通过预适应作用，使鲑鱼在面对感染时具有一定的抵抗力。这种预适应作用可能通过调节促炎和抗炎反应，以及热休克蛋白的表达来实现。尽管如此，研究中也指出了需要进一步探索的领域，例如不同组织中 HSPs 的表达模式、免疫反应和代谢反应之间的相互作用，以及不同性别和体型的鲑鱼对热应激的反应差异。这些发现对于未来研究如何提高鲑鱼对环境变化的适应能力具有重要意义，同时也为理解气候变化对鲑鱼科鱼类的影响提供了基础数据。