昭通絨鼠夏冬季節體重和產熱特征的變化

楊押佐 賈 婷 張 浩 王政昆 朱萬龍*

(1.云南省高校西南山地生態系統動植物生態適應進化及保護重點試驗室，云南師范大學生命科學學院，生物能源持續開發利用教育部工程研究中心，云南省生物質能與環境生物技術重點試驗室，昆明，650500；2.云南經濟管理學院，昆明，650106)

當環境發生季節性變化時，小型哺乳動物(Mammalia)的體重也會發生變化[1]。野生小型哺乳動物體重的季節性變化模式主要分為穩定型、降低型和增加型[2]。季節性穩定型主要符合“調定點假說”(set-point hypothesis)，該假說最先由學者Kennedy[3]提出，即機體的體重調控中樞能夠使體重值保持相對穩定。季節性降低型的動物在秋冬季或低溫條件下體重降低，如黑線毛足鼠(Phodopussungorus)在秋季由于食物攝取量減少，體重也減少[4]。而季節性增加型則出現相反的趨勢，秋冬季或低溫條件體重增加。內臟器官和消化道的重量變化對動物的體重具有重要影響，因此可作為動物適應環境的重要指標，其重量的變化主要受到溫度、食物質量等因素的影響[5]。例如，在低溫環境中大絨鼠(Eothenomysmiletus)通過增加消化道和器官重量來確保機體的正常運行[6]。當發生季節變化時，高山姬鼠(Apodemuschevrieri)的身體組成和內臟器官重量同樣會表現出季節性變化[7]。

代謝產熱的適應性調節是小型哺乳動物適應環境變化的重要策略，其中，靜止代謝率(resting metabolic rate，RMR)和非顫抖性產熱(non-shivering thermogenesis，NST)在這一過程中具有重要作用[8]。研究表明，NST主要在小型哺乳動物的冷適應中起著關鍵作用[9]。例如，冷馴化條件下大絨鼠的NST增加，以抵抗低溫環境的脅迫[10]。肝臟和褐色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)的總蛋白(total protein，TP)質量分數和線粒體蛋白(mitochondrial protein，MtP)質量分數以及相關酶活是研究哺乳動物產熱特征的重要指標[11]。細胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase，COX)在細胞中主要負責催化分子氧的還原，其活性代表了細胞代謝強度的能力[12]。α-磷酸甘油氧化酶(α-glycerophosphate oxidase，α-GPO)主要分解代謝甘油三酯，能夠反映細胞脂肪氧化分解作用的強弱[13]。

瘦素通過與下丘腦中的受體結合，可以抑制動物的食物攝入，改變自主神經活動，增加能量消耗[14]。下丘腦因其能調節相關食欲神經肽的表達、參與食欲調控而成為能量調節中樞[15]。主要的食欲神經肽包括促食類和抑食類神經肽，分別是神經肽Y(neuropeptide Y，NPY)、刺鼠相關蛋白(agouti related peptide，AgRP)、阿片促黑色素原(pro-opiomelanocortin，POMC)和可卡因-安他非明轉錄調節肽(cocaine and amphetamine regulated transcript peptide，CART)[16]。

昭通絨鼠(Eothenomysolitor)為嚙齒目(Rodenria)，倉鼠科(Cricetidae)，絨鼠屬，是中國的特有物種，主要分布于云南東北部(昭通)和西部等地，常見于高山耕地[17]。冬天，它主要以植物莖葉為食，夏天以農作物種子為食[18]。云南省昭通地區地勢西高東低，有較完整的高原地貌，海拔為267—4 040 m，平均海拔為1 685 m；為典型的中溫帶氣候和高原大陸季風氣候，干濕季節分明，氣溫季節差異顯著，年平均氣溫11.6℃，常年極端低溫-8.3℃，年溫差小，日溫差較大[19]。本研究組之前的研究表明，在冷馴化條件下昭通絨鼠體重保持相對穩定，產熱能力增加[20]。筆者主要研究昭通絨鼠夏季和冬季體重與產熱特征的變化，旨在進一步探討昭通絨鼠對其生活環境的適應策略。

1 材料與方法

1.1 試驗動物

分別于2019年5月和11月捕自云南省昭通市周邊的農田附近(27.3°N，103.6°E)。夏季和冬季樣本各12只，其中夏季♀∶♂=8∶4；冬季♀∶♂=2∶10，均為健康的非繁殖期昭通絨鼠成年個體。捕回的動物于云南師范大學動物房進行單籠(26 cm×16 cm×15 cm)飼養，其環境光照為12L∶12D，且水食自取。捕回4 d內測定體重、食物攝入量、RMR和NST，試驗后處死動物，測定血清瘦素質量濃度、內臟器官和消化道重量、體脂重量、肝臟和BAT中的生化指標以及下丘腦神經肽基因表達量。試驗動物程序符合動物倫理并通過云南師范大學生命科學學院委員會的批準(13-0901-011)。

1.2 食物攝入量測定

采用食物平衡法[7]測定昭通絨鼠的食物攝入量，每日于09：00—10：00完成喂食，次日相同時間段收集剩余食物置于烘箱中60℃烘干至重量不變，每日食物攝入量=食物供給量-剩余食物量。

1.3 RMR和NST測定

采用小型哺乳動物代謝籠(PRO-MRMR-8 Sable Systems International Inc)測定昭通絨鼠的RMR。試驗開始前先將動物置于小型哺乳動物代謝籠中適應30 min，監測和記錄RMR。在RMR測定后，迅速取出試驗動物，在肩胛間部位注射去甲腎上腺素(NE)，注射劑量經預備試驗確定為0.8 mg/kg，注射完再放回代謝籠內測定NST，持續測定30 min，最大持續耗氧量出現時即為動物的NST[21]。

1.4 血清瘦素質量濃度測定

試驗動物處死后迅速取血，取出的血液于冰箱中4℃靜置1 h后，4 000 r/min離心30 min，取出上層血清置于-80℃超低溫冰箱保存，采用美國Linco公司生產的瘦素放射免疫分析試劑盒測定血清瘦素質量濃度，具體參照葉芳艷等[22]的方法。

1.5 內臟器官和消化道重量測定

取完血后，進行試驗動物的解剖，取出心臟、肝臟、脾、肺、腎、BAT以及胃腸道(胃、小腸、盲腸、大腸)等內臟器官，用分析天平稱重(±1 mg)。同時稱量胴體重。

1.6 體脂重量測定

參照葉芳艷等[22]采用的索氏抽提法測定。

1.7 肝臟和BAT中的生化指標測定

提取肝臟和BAT線粒體蛋白，測定蛋白質量分數。TP質量分數和MtP質量分數采用Folin-phenol法測定，使用牛血清蛋白作為參照[23]。COX活性和α-PGO活性采用氧電極法測定[24]。

1.8 下丘腦神經肽基因表達量測定

參照朱萬龍等[25]的研究方法進行下丘腦神經肽NPY、AgRP、POMC和CART基因表達量的測定，根據表1列出的引物進行序列擴增[26]。

表1 大絨鼠下丘腦神經肽Real-Time qPCR基因特異性引物

1.9 數據分析

利用SPSS 22.0軟件包進行數據分析。不同性別的昭通絨鼠的生理指標差異不顯著，故合并統計所有數據。體重用單因素方差(one-way ANOVA)分析，食物攝入量、RMR、NST、血清瘦素質量濃度、內臟器官和消化道重量、體脂、肝臟和BAT中的生化指標以及下丘腦神經肽基因表達量均采用協方差(ANCOVA)分析，以體重作為協變量。結果以“平均值±標準誤”表示，P<0.05為差異顯著，P<0.01為差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 夏冬季體重、體脂、攝食量和身體組成的差異

昭通絨鼠夏冬季體重分別為(36.58±0.98)、(34.06±0.68)g，差異不顯著(t1，22=0.98，P>0.05)；體脂重夏冬季分別為(3.96±0.53)、(1.12±0.15)g，冬季體脂重顯著低于夏季(t1，22=2.14，P<0.05)。昭通絨鼠夏冬兩季攝食量分別為(3.25±0.63)、(5.69±0.35)g，夏季較低，冬季較高，差異極顯著(t1，22=4.36，P<0.01)。昭通絨鼠胴體重夏季顯著高于冬季；夏冬兩季除肺重、盲腸重和大腸重季節間差異不顯著外，其余身體組成和消化道重量均出現了季節性差異，冬季顯著高于夏季(表2)。

表2 昭通絨鼠組織器官的季節變化

2.2 代謝率和產熱

昭通絨鼠RMR夏冬季差異顯著，分別為(2.80±0.14)、(5.24±0.32)mL/(g·h)(t1，22=1.85，P<0.05)；NST夏冬季差異顯著，分別為(3.98±0.22)、(7.65±0.34)mL/(g·h)(t1，22=2.69，P<0.05)。肝臟和BAT中的TP質量分數、MtP質量分數、COX活性和α-PGO活性均出現了季節性變化，冬季指標顯著高于夏季(表3)。

表3 昭通絨鼠肝臟、BAT中蛋白質質量分數和酶活性的季節變化

2.3 瘦素和下丘腦神經肽基因相對表達量

昭通絨鼠血清瘦素質量濃度夏季為(4.15±0.33)ng/mL，冬季為(2.58±0.19)ng/mL，二者差異極顯著(t1，22=3.25，P<0.01)。下丘腦神經肽基因相對表達量出現了季節性變化，NPY和AgRP表達量冬季顯著高于夏季，夏冬兩季NPY分別為(1.00±0.11)和(1.54±0.14)(t1，22=2.12，P<0.05)，夏冬兩季AgRP分別為(1.00±0.10)和(1.88±0.11)(t1，22=2.68，P<0.05)；POMC和CART表達量夏季顯著高于冬季，夏冬兩季POMC分別為(1.00±0.10)和(0.41±0.09)(t1，22=-3.21，P<0.01)，夏冬兩季CART分別為(1.00±0.15)和(0.26±0.10)(t1，22=-4.52，P<0.01)。

3 討論

在面對季節環境變化時，許多小型哺乳動物會通過調節體重變化獲得更多的生存機會，而這種生存策略具有種屬特異性[2]。例如，中緬樹鼩(Tupaiabelangeri)在冬季由于受到的低溫脅迫相對較弱，食物資源相對充足，體重高于夏季[27]。長爪沙鼠(Merionesunguiculatus)由于具有集群貯食行為和不冬眠的現象，體重也是冬季較高，夏季較低[28]。而高山姬鼠和高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)冬季由于能量消耗增加，體重則顯著低于夏季[29-30]。本研究發現昭通絨鼠體重季節性差異不顯著，與黑線倉鼠(Cricetulusbarabensis)[2]、非洲刺毛鼠(Acomyscahirinus)[31]體重變化相似，說明昭通絨鼠夏冬季節體重調節符合“調定點假說”。

動物體重的平衡主要取決于能量攝入和能量消耗之間的平衡[32]。其中，活動水平的強弱是影響小型哺乳動物能量攝入和體重的重要因素[33]。本研究昭通絨鼠在食物資源充足的夏季體重并沒有增加，可能受到昭通地區晝夜溫較差大的影響，通過減少活動行為來降低能量消耗，確保體重相對穩定，同時還能夠降低被捕食的風險，提高野外生存率；而在冬季極端低溫和食物資源匱乏的惡劣環境下，昭通絨鼠采取增加覓食行為促進攝食量的策略，彌補機體能量的散失，維持體重的相對穩定以度過不良環境。體脂重量也參與動物體重的調節，能反映動物的營養狀況[34]。昭通絨鼠的體脂重量冬季低于夏季，說明昭通絨鼠在冬季面對低溫和食物資源匱乏的極端環境時，也需要像高山姬鼠[29]一樣動用體內的脂肪彌補自身產熱的支出。此外，動物器官重量的變化可作為動物對外界環境條件變化的反映[35]。當發生季節變化時，許多動物的內臟器官以及消化道等身體組成會出現相應的改變，比如黑線倉鼠冬季的身體組成與夏季相比，肝臟、肺、腎和胃腸道等器官更重[36]。大絨鼠通過增加其小腸、盲腸等器官長度或重量來抵御冬季溫度降低、食物質量下降的環境變化[6]。本研究昭通絨鼠胴體重夏季顯著高于冬季；而身體組成和消化道重量除肺重、盲腸重和大腸重季節間差異不顯著外，其余器官均是冬季顯著高于夏季，說明昭通絨鼠能通過增加身體組織和器官重量來彌補胴體重的降低，進而維持季節間體重的平衡。

增加能量代謝和產熱是小型哺乳動物應對低溫環境的一種有效策略[37]。例如，暴露于低溫環境下的黑線倉鼠的代謝率、非顫抖性產熱和BAT中的COX活性顯著增加[38]。莫氏田鼠(Microtusmaximowiczii)的RMR和NST在較冷的月份也出現增加[39]。本研究昭通絨鼠RMR和NST在季節變化中同樣出現類似的變化趨勢，冬季顯著增加。同時研究還表明，昭通絨鼠冬季的肝臟和BAT中的TP質量分數、MtP質量分數、COX活性和α-PGO活性顯著高于夏季。以上結果表明，昭通絨鼠冬季能夠通過增加能量代謝和產熱調節機體能量的平衡，最終維持體重的季節性穩定，更好地適應生存。

瘦素能夠作為一個潛在的肥胖信號，通過與下丘腦中的特定受體結合，參與調整動物體重的季節性變化[40]。研究顯示，瘦素質量濃度降低能夠增加動物促食類神經肽NPY和AgRP的表達，增加能量攝入[41]。由此可見，下丘腦神經肽在調節能量平衡過程中發揮重要作用[42]。例如，中緬樹鼩在冬季通過增加促食類神經肽的表達量，增加體重以彌補產熱增加，夏季則表現出相反的調節機制[25]。同樣，高山姬鼠面對冬季低溫環境也能降低瘦素，增加NPY和AgRP的高表達對體重和能量攝入進行調節[29]。本研究中昭通絨鼠的血清瘦素質量濃度和下丘腦神經肽基因表達量也出現了類似的季節性變化，NPY和AgRP表達量夏季較低、冬季較高，與血清瘦素質量濃度變化情況相反；而POMC和CART表達量則是夏季較高，冬季較低。冬季昭通絨鼠血清瘦素質量濃度較低，主要作為一種饑餓信號增加促食類神經肽的表達，促進攝食，保持其體重的穩定；夏季相對來說食物資源豐富，POMC和CART表達量增加能夠在一定程度上減少食物攝入，確保昭通絨鼠的體重維持在一個相對穩定的范圍內。

綜上所述，昭通絨鼠夏冬季節的體重變化符合“調定點假說”，其在冬季主要通過降低體脂重量，增加攝食量、代謝產熱以及內臟器官和消化道重量來適應季節環境的變化。