力竭追趕訓練對兩種鯉科魚類呼吸循環系統參數和力竭運動后代謝特征的影響

李秀明 張耀光 何春梅 郭海燕 付世建

(1. 重慶師范大學進化生理與行為學實驗室，重慶市動物生物學重點實驗室，重慶 400047; 2. 西南大學淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室，重慶 400715; 3. 重慶師范大學初等教育學院，重慶 400700; 4. 重慶市水產科學研究所，重慶400020)

按照供能方式的不同, 魚類的運動訓練可以分為有氧和無氧2種類型[1]。其中無氧運動訓練多采用高強度間歇性力竭追趕的方式進行[2—5]。一些研究發現, 力竭追趕訓練通常會對魚類攝食、生長和運動能力等產生顯著的影響[5—8]。魚類的呼吸和循環系統控制著氧氣的攝取和運輸, 對魚類的消化和運動代謝具有直接的影響。因此, 魚類運動訓練后呼吸和循環系統參數(如鰓指數、心臟指數、血液指標等)的變化也受到了研究者的廣泛關注[3,9—11]。不過, 相關研究多采用有氧運動訓練的方式進行,并且由于訓練強度和魚的種類等差異, 運動訓練對魚類呼吸循環系統的影響并未得到一致性的結論[9—12]。

為了適應復雜多變的水生環境, 魚類進化出各種不同的運動類型及其策略以提高其生存適合度[13,14]。魚類的無氧運動主要動用魚體白肌纖維進行無氧糖酵解供能, 具有運動強度大和持續時間短的特點。這種運動方式主要發生在穿越激流、捕獲獵物和逃避捕食者等生命活動中, 與魚類的生存和繁衍密切相關。力竭運動后過量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption, EPOC)是指動物在力竭運動后恢復期間超過運動前耗氧水平的耗氧量, 作為魚類無氧運動能力的重要評價指標受到了廣泛的關注[13,15—17]。大量研究發現, EPOC不僅與魚的營養水平和種類相關, 還受到攝食水平和水體溫度等外在因素的顯著影響[13,18,19]。迄今為止, 有關運動訓練對魚類EPOC影響的研究還相對較少[2—4,20]。

中華倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)和巖原鯉(Procypris rabaudi)都屬于鯉形目, 鯉科, 是長江中上游重要的溫水性名貴經濟魚類, 有“一巖, 二鳊, 三青波”的美譽[21,22]。近年來, 由于人工水利工程的建設和過度捕撈, 導致其資源量的顯著下降, 目前2種魚類都是人工增殖放流的常見魚種[23]。適度的運動訓練能夠顯著改善魚類的運動能力, 進而可能提高其生存能力[24,25]。但是魚類運動訓練的效果往往與其生活習性密切相關[2,4,5]。中華倒刺鲃喜歡激流生境, 而巖原鯉則生活在水流較緩的江河底層,它們具有不同的生活習性[21,22]。最近的研究發現,有氧運動訓練能夠顯著提高中華倒刺鲃幼魚的有氧代謝能力, 但對其無氧代謝能力無顯著性影響[20],有關無氧運動訓練對2種魚類運動代謝能力影響的研究還未見報道。本研究以中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚為實驗對象, 探討力竭追趕訓練對其呼吸和循環系統參數以及EPOC的影響, 以期豐富其運動生理學資料, 并為其資源保護提供重要的參考數據。

1 材料與方法

1.1 實驗魚的來源與馴養

本實驗采用的2種實驗魚購于當地魚種場(重慶合川和萬州)。實驗前將其放入室內循環水養殖系統中進行為期4周的馴養。每天用浮性顆粒飼料(通威)于09:00投喂至飽足。每隔2天更換養殖水體10%左右的水量。養殖水體水溫控制在(25±0.5)℃,溶氧控制在6 mg/L以上, 光周期設定為12L∶12D。

1.2 實驗方案

力竭追趕訓練方案參見相關文獻[5]。簡要介紹如下: 先隨機選取身體健康且大小基本一致的中華倒刺鲃(28.36±0.08) g和巖原鯉(19.53±0.13) g幼魚各60尾, 各自分為對照組和訓練組(即: 中華倒刺鲃對照組和中華倒刺鲃訓練組, 巖原鯉對照組和巖原鯉訓練組), 每組3個重復, 每個重復10尾實驗魚。將每個重復的10尾實驗魚放入單獨的養殖單元格(40 cm×15 cm×20 cm)中飼養, 每天飽足投喂1次(09:00)。訓練組每天力竭追趕訓練1次(17:00),即: 將每個重復的10尾實驗魚放入環形水道內(流速大于60 cm/s), 進行5—10min的人工力竭追趕訓練。實驗魚一旦出現對人工刺激無明顯反應或完全失去身體平衡的力竭狀態便立即放回養殖單元格中。訓練周期為21d。對照組實驗魚每天相同時間放入相同環形水道5—10min, 但不進行力竭追趕訓練。訓練期間其他實驗條件如投喂制度、水體溶氧和水溫等與馴養期間相同。

在力竭追趕訓練周期結束以后, 從2種魚各自對照組和訓練組中隨機挑選9尾(每個重復3尾)實驗魚進行心臟指數、鰓指數、血紅蛋白含量和紅細胞數目的測定(測定方法見后)。另外再從2種魚各自對照組和訓練組中隨機挑選9尾(每個重復3尾)實驗魚單獨放入流水式魚類呼吸代謝儀內進行1d的適應性馴化。然后用溶氧測定儀(HQ30d, HACH,USA)測定實驗魚耗氧率作為其運動前代謝率(測定方法見后)。隨后將單尾實驗魚放入環形水道中人工追趕2—3min至力竭狀態, 迅速將其放回呼吸室(0.2 L)中并開始計時, 在1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60min分別測定實驗魚的耗氧率[18]。呼吸室水流速度約為0.85 L/min, 據水體置換率公式[26]計算,1min內呼吸室水體置換率達到99 %以上。

1.3 心鰓指數和血液指標測定

用天平稱取實驗魚體重后用濕毛巾包裹防止其劇烈運動, 用1 mL一次性醫用注射器從實驗魚尾部靜脈抽血, 轉移至Eppendorf管(肝素鈉抗凝處理)。將血液用Dacie's液稀釋200倍后滴在Neubarer計數板上進行紅細胞計數。用血紅蛋白儀(WJX-Ⅰ)測定實驗魚血紅蛋白(Hb)含量(氰化高鐵鉀法)[27]。隨后將實驗魚敲擊頭部致死, 取出心臟和鰓用天平稱重(精確至0.0001 g)并計算心臟指數和鰓指數[3]。

1.4 耗氧率測定和參數計算

采用流水式魚類呼吸代謝儀測定實驗魚耗氧率(測定方法參見相關參考文獻[28])。耗氧率(Xm,mg O2/h, 作為其代謝率指標)采用以下公式計算:式中ΔO2表示裝有實驗魚呼吸室和對照呼吸室(沒有實驗魚)之間的溶氧濃度差值(mg O2/L, 溶氧濃度用溶氧儀測量呼吸室出水口水中溶氧得到),f表示呼吸室的水流速度(L/h, 稱量呼吸室出水口1min內出水量得到)。為了消除個別魚體重差異較大造成的影響, 用0.75作為體重系數將實驗魚耗氧率校正為1 kg體重[5,13,28]。標準化耗氧率采用以下公式計算:

式中Xs表示標準體重耗氧率[mg O2/(kg.h)],Xm是實驗魚未校正體重耗氧率[mg O2/h, 見(3)式], m表示魚體體重(kg)。

本實驗統計相關參數如下: (1)運動前代謝率[mg O2/(kg.h)]是指實驗魚力竭運動前的代謝率;(2)運動代謝峰值[mg O2/(kg.h)]是指實驗魚在力竭運動后恢復過程中觀察到的最大代謝率; (3)峰值比率是指力竭運動前代謝率和力竭運動后代謝峰值之間的比值; (4)運動后恢復時間(min)是指力竭運動恢復過程中代謝率回落到與運動前代謝率無顯著性差異所對應的時間; (5)過量氧耗(mg O2/kg)是指實驗魚在力竭運動后恢復過程中各個時間點高于運動前代謝率的差值在時間上的積分。以上參數計算方法參見相關文獻[20]。

采用公式Y=a+be-cX擬合實驗魚運動后代謝率和恢復時間的關系[13]。其中a值表示運動前代謝率,b值表示代謝率增量, c值表示代謝恢復速率(c值越小表示運動后代謝率恢復速率越慢)。

1.5 數據分析

采用EXCEL (2007)對所有實驗數據進行常規計算, 數值用平均值±標準誤(Mean ± SE)表示。統計分析采用SPSS17.0和STATISTICA 7.0軟件進行。魚的種類和訓練對所有參數的影響采用雙因素方差分析(ANOVA)。2種實驗魚種內對照組和訓練組之間以及種間相同處理組之間所有參數采用T-Test分析, 顯著性水平設定為P＜0.05。

2 結果

2.1 心鰓指數和血液指標

中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚的心臟指數、鰓指數、血紅蛋白含量和紅細胞數目在各自對照組和訓練組之間都沒有顯著性差異(表 1)。2種魚相同處理組之間的心臟指數沒有顯著性差異(表 1)。巖原鯉對照組和訓練組的鰓指數(分別為4.08‰和4.27‰)分別顯著性低于中華倒刺鲃對照組和訓練組(分別為4.61‰和4.91‰)(P=0.001)(表 1)。2種魚的血紅蛋白含量和紅細胞數目在相同處理組之間沒有顯著性差異(表 1)。魚的種類和訓練對心鰓指數和血液指標沒有交互作用(表 1)。

2.2 力竭運動前代謝率

中華倒刺鲃對照組和訓練組的運動前代謝率之間沒有顯著性差異, 但巖原鯉訓練組運動前代謝率顯著低于其訓練組(P＜0.05)(表 2)。巖原鯉對照組和訓練組的運動前代謝率都分別顯著性低于中華倒刺鲃對照組和訓練組(P＜0.001)(表 2)。魚的種類和訓練對力竭運動前代謝率沒有交互作用(表 2)。

表 1 力竭追趕訓練對中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚心鰓指數和血液指標的影響(平均值±標準誤)Tab. 1 The effect of exhaustive chasing training on the indexes of heart and gill and hematological parameters in S. sinensis and P. rabaudi(Mean±SEM)

2.3 力竭運動后代謝率特征

在力竭運動后, 所有實驗魚的代謝率都迅速上升達到峰值, 隨后急劇下降并逐步恢復到運動前水平(圖 1)。中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚的運動代謝峰值在各自對照組和訓練組之間都沒有顯著性差異(表 2)。巖原鯉對照組和訓練組的運動代謝峰值都分別顯著性低于中華倒刺鲃對照組和訓練組(P＜0.001)(表 2)。中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚的峰值比率在各自對照組和訓練組之間都沒有顯著性差異,種間相同處理組之間也沒有顯著性差異(表 2)。中華倒刺鲃訓練組運動后恢復時間顯著高于其對照組(P＜0.05)。巖原鯉對照組和訓練組之間運動后恢復時間沒有顯著性差異。運動后恢復時間在種間相同處理組之間沒有顯著性差異(表 2)。中華倒刺鲃訓練組過量耗氧顯著高于其對照組(P＜0.05)。巖原鯉對照組和訓練組之間過量耗氧沒有顯著性差異。巖原鯉對照組和訓練組的過量耗氧都分別顯著性低于中華倒刺鲃對照組和訓練組(P＜0.001)(表 2)。魚的種類和訓練對力竭運動后代謝率參數沒有交互作用(表 2)。

表 2 力竭追趕運動訓練對中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚力竭運動后代謝反應的影響(平均值±標準誤)Tab. 2 The effect of exhaustive chasing training on excess post-exercise oxygen consumption (EPOC) response in Spinibarbus sinensis and Procypris rabaudi (Mean±SEM)

圖 1 力竭追趕訓練對中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚力竭運動后代謝率的影響Fig. 1 The effect of exhaustive chasing training on EPOC response in Spinibarbus sinensis and Procypris rabaudi

中華倒刺鲃訓練組a值顯著高于其對照組, 但b值顯著性低于對照組(P＜0.05)。巖原鯉對照組和訓練組之間a值和b值都沒有顯著性差異。巖原鯉對照組和訓練組的a值和b值都分別顯著性低于中華倒刺鲃對照組和訓練組(P＜0.001)(表 3)。2種魚各自對照組和訓練組之間c值都沒有顯著性差異,但巖原鯉對照組和訓練組的c值分別顯著性低于中華倒刺鲃對照組和訓練組(P=0.006)(表 3)。魚的種類和訓練對a值和c值沒有交互作用, 但對b值有交互作用(表 3)。

3 討論

3.1 力竭追趕訓練對兩種鯉科魚類呼吸循環系統參數的影響

有氧運動訓練過程中魚類需要攝取和運輸氧氣來滿足有氧代謝供能, 因此, 有氧運動訓練對魚類呼吸和循環系統能夠產生直接刺激。以往的大多數研究發現, 適當的有氧運動訓練往往會對魚類的呼吸和循環系統產生顯著性的正面影響。例如持續4周的有氧運動訓練使虹鱒(Oncorhynchus mykiss)的心臟搏動能力和心輸出量顯著提高[29]。大鱗大馬哈魚(Oncorhynchus tshawytscha)經歷8個月1.5倍體長/s的水流刺激后, 其紅細胞比容顯著高于對照組[30]。持續的運動訓練(1.5倍體長/s, 90d)使亞馬遜石脂鯉(Brycon amazonicus)血紅蛋白含量和紅細胞數目比對照組顯著增加24%和18%[10]。相比于有氧運動訓練, 很少有研究涉及無氧運動訓練對呼吸和循環系統的影響。雖然無氧運動主要采用無氧糖酵解供能, 但無氧運動后“氧債”的償還也涉及氧氣的攝取和運輸, 進而間接刺激魚類的呼吸和循環系統。有研究發現, 間歇性的力竭追趕訓練能夠顯著提高瓦氏黃顙魚(Peltebagrus vachelli)的心臟指數[3]。本研究發現, 力竭追趕訓練并沒有對中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚的心臟指數、鰓指數、血紅蛋白含量、紅細胞數目等參數產生顯著的影響。由此表明, 力竭追趕訓練對魚類呼吸循環系統的影響可能與其種類密切相關。

3.2 力竭追趕訓練對兩種鯉科魚類力竭運動前后代謝特征的影響

在本研究中, 運動前代謝率主要反映實驗魚在禁食且相對靜止的狀態下維持基本生命活動的最低能量需求, 在一些研究中稱之為維持代謝率或標準代謝率[31]。目前, 有關力竭追趕訓練對魚類運動前代謝率的影響并沒有得到一致性的結論。例如,力竭追趕訓練(1次/d, 14d)沒有導致瓦氏黃顙魚和錦鯽(Carassius auratus)幼魚運動前代謝率顯著變化[3,4]。但是南方鲇(Silurus meridionalis)幼魚在力竭追趕訓練(1次/d, 15d)后其運動前代謝率顯著增加[2]。本研究發現, 力竭追趕訓練并沒有引起中華倒刺鲃幼魚運動前代謝率的顯著變化, 但導致巖原鯉幼魚運動前代謝率顯著下降。這與以往的研究結果相一致[5]。此結果也再次表明無氧運動訓練對魚類維持代謝耗能的影響存在明顯的種間差異, 其原因有待進一步研究。

一些魚類的最大有氧代謝率能夠通過力竭性運動誘導出來, 因此, 力竭運動后代謝峰值也經常被作為評價魚類有氧代謝能力的重要指標之一[17,20,32]。研究發現, 有氧運動訓練能夠導致一些魚類運動代謝峰值顯著提高, 比如虹鱒[33]、大鱗大馬哈魚[34]和中華倒刺鲃[20]。但一些研究也發現, 無氧運動訓練也能夠提高魚類的有氧代謝能力。比如力竭追趕訓練導致瓦氏黃顙魚和南方鲇幼魚運動代謝峰值顯著提高[2,3]。本研究發現, 力竭追趕訓練沒有對中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚的運動代謝峰值產生顯著影響, 表明其有氧代謝能力并沒有得到顯著改善。這與錦鯽幼魚的研究結果類似[4]。此外, 一些研究表明, 運動訓練后魚類有氧代謝能力的提高往往伴隨著呼吸和循環系統功能的改善[3,20]。本研究發現, 力竭追趕訓練并沒有對2種魚類的呼吸和循環系統參數產生顯著影響, 這可能是其有氧代謝能力沒有顯著性變化的原因之一。

表 3 力竭追趕訓練對中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚力竭運動恢復過程代謝率曲線擬合方程(Y =a+be-cX)參數的影響(平均值±標準誤)Tab. 3 The effect of exhaustive chasing training on variables in the equation Y=a+be-cX describing the time course of post-exercise oxygen consumption in Spinibarbus sinensis and Procypris rabaudi (Mean±SEM)

魚類力竭運動后的EPOC大小(EPOC magnitude)是反映其最大無氧代謝能力的重要指標[3,17]。以往的研究者大多采用力竭追趕訓練的方式來對魚類進行無氧運動訓練, 以期提高其無氧代謝能力,但并非所有種類都達到了理想的效果[2—4]。研究發現, 力竭追趕訓練(1次/d, 14或15d)并沒有對瓦氏黃顙魚和南方鲇幼魚的EPOC大小產生顯著性影響[2,3]。但相似的力竭追趕訓練制度卻顯著提高了錦鯽幼魚的無氧代謝能力, 研究者認為主要是由于其力竭運動恢復期間(7—20min)的耗氧率顯著增加所致[4]。本研究發現, 力竭追趕訓練沒有對巖原鯉幼魚的EPOC大小產生顯著性影響, 但顯著提高了中華倒刺鲃幼魚的EPOC大小和運動后恢復時間。由此表明, 力竭追趕訓練顯著改善了中華倒刺鲃幼魚的無氧運動代謝能力, 這可能與其運動后恢復時間的延長有關。

3.3 兩種鯉科魚類力竭運動前后代謝特征的比較

有研究發現, 錦鯽和草魚(Ctenopharyngodon idellus)等鯉科魚類具有較為活躍的覓食活動和避敵行為, 其力竭運動前后的代謝反應往往要高于活動較為遲緩的瓦氏黃顙魚和南方鲇等鲇形目魚類。因此, 研究者認為魚類力竭運動前后代謝率特征與其活躍程度之間具有密切聯系[13]。通過比較發現, 巖原鯉運動前代謝率和運動后代謝峰值都顯著低于中華倒刺鲃(表 2), 由此暗示其不太活躍的生活習性, 這與以往的研究結果相似[35]。相比而言,中華倒刺鲃具有較為活躍的生活習性, 這可能與其生活在水流較急的江河水體底層環境和短距離洄游習性有關。此外, 本研究還發現, 對照組中華倒刺鲃幼魚的心臟指數和血液指標與對照組巖原鯉沒有顯著差異, 但其鰓指數卻顯著大于對照組巖原鯉幼魚。由此表明, 中華倒刺鲃和巖原鯉幼魚運動前后代謝率的差異可能主要是由于其對氧氣攝取能力的不同造成, 而與氧氣輸送能力無關。

力竭運動后代謝率恢復速率直接影響魚類的重復力竭運動能力, 與魚類的生存密切相關[36]。以往的研究發現, 錦鯽和草魚等鯉科魚類的代謝恢復率明顯高于南方鲇和鲇等鲇形目魚類, 研究者認為這將有利于力竭運動后快速恢復, 為下次力竭運動做好準備, 這可能與其較低的營養等級有關[13]。本研究發現, 中華倒刺鲃幼魚代謝恢復速率(c值)顯著高于巖原鯉幼魚(表 3)。由此表明, 相比與巖原鯉幼魚, 中華倒刺鲃幼魚從力竭運動中恢復得更快,這可能有利于其再次覓食或逃避捕食者。鯉科魚類力竭運動后恢復速率存在明顯的種間差異, 其原因有待進一步研究。