力竭追赶训练对两种鲤科鱼类呼吸循环系统参数和力竭运动后代谢特征的影响

李秀明 张耀光 何春梅 郭海燕 付世建

(1. 重庆师范大学进化生理与行为学实验室，重庆市动物生物学重点实验室，重庆 400047; 2. 西南大学淡水鱼类资源与生殖发育教育部重点实验室，重庆 400715; 3. 重庆师范大学初等教育学院，重庆 400700; 4. 重庆市水产科学研究所，重庆400020)

按照供能方式的不同, 鱼类的运动训练可以分为有氧和无氧2种类型[1]。其中无氧运动训练多采用高强度间歇性力竭追赶的方式进行[2—5]。一些研究发现, 力竭追赶训练通常会对鱼类摄食、生长和运动能力等产生显著的影响[5—8]。鱼类的呼吸和循环系统控制着氧气的摄取和运输, 对鱼类的消化和运动代谢具有直接的影响。因此, 鱼类运动训练后呼吸和循环系统参数(如鳃指数、心脏指数、血液指标等)的变化也受到了研究者的广泛关注[3,9—11]。不过, 相关研究多采用有氧运动训练的方式进行,并且由于训练强度和鱼的种类等差异, 运动训练对鱼类呼吸循环系统的影响并未得到一致性的结论[9—12]。

为了适应复杂多变的水生环境, 鱼类进化出各种不同的运动类型及其策略以提高其生存适合度[13,14]。鱼类的无氧运动主要动用鱼体白肌纤维进行无氧糖酵解供能, 具有运动强度大和持续时间短的特点。这种运动方式主要发生在穿越激流、捕获猎物和逃避捕食者等生命活动中, 与鱼类的生存和繁衍密切相关。力竭运动后过量耗氧(Excess post-exercise oxygen consumption, EPOC)是指动物在力竭运动后恢复期间超过运动前耗氧水平的耗氧量, 作为鱼类无氧运动能力的重要评价指标受到了广泛的关注[13,15—17]。大量研究发现, EPOC不仅与鱼的营养水平和种类相关, 还受到摄食水平和水体温度等外在因素的显著影响[13,18,19]。迄今为止, 有关运动训练对鱼类EPOC影响的研究还相对较少[2—4,20]。

中华倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)和岩原鲤(Procypris rabaudi)都属于鲤形目, 鲤科, 是长江中上游重要的温水性名贵经济鱼类, 有“一岩, 二鳊, 三青波”的美誉[21,22]。近年来, 由于人工水利工程的建设和过度捕捞, 导致其资源量的显著下降, 目前2种鱼类都是人工增殖放流的常见鱼种[23]。适度的运动训练能够显著改善鱼类的运动能力, 进而可能提高其生存能力[24,25]。但是鱼类运动训练的效果往往与其生活习性密切相关[2,4,5]。中华倒刺鲃喜欢激流生境, 而岩原鲤则生活在水流较缓的江河底层,它们具有不同的生活习性[21,22]。最近的研究发现,有氧运动训练能够显著提高中华倒刺鲃幼鱼的有氧代谢能力, 但对其无氧代谢能力无显著性影响[20],有关无氧运动训练对2种鱼类运动代谢能力影响的研究还未见报道。本研究以中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼为实验对象, 探讨力竭追赶训练对其呼吸和循环系统参数以及EPOC的影响, 以期丰富其运动生理学资料, 并为其资源保护提供重要的参考数据。

1 材料与方法

1.1 实验鱼的来源与驯养

本实验采用的2种实验鱼购于当地鱼种场(重庆合川和万州)。实验前将其放入室内循环水养殖系统中进行为期4周的驯养。每天用浮性颗粒饲料(通威)于09:00投喂至饱足。每隔2天更换养殖水体10%左右的水量。养殖水体水温控制在(25±0.5)℃,溶氧控制在6 mg/L以上, 光周期设定为12L∶12D。

1.2 实验方案

力竭追赶训练方案参见相关文献[5]。简要介绍如下: 先随机选取身体健康且大小基本一致的中华倒刺鲃(28.36±0.08) g和岩原鲤(19.53±0.13) g幼鱼各60尾, 各自分为对照组和训练组(即: 中华倒刺鲃对照组和中华倒刺鲃训练组, 岩原鲤对照组和岩原鲤训练组), 每组3个重复, 每个重复10尾实验鱼。将每个重复的10尾实验鱼放入单独的养殖单元格(40 cm×15 cm×20 cm)中饲养, 每天饱足投喂1次(09:00)。训练组每天力竭追赶训练1次(17:00),即: 将每个重复的10尾实验鱼放入环形水道内(流速大于60 cm/s), 进行5—10min的人工力竭追赶训练。实验鱼一旦出现对人工刺激无明显反应或完全失去身体平衡的力竭状态便立即放回养殖单元格中。训练周期为21d。对照组实验鱼每天相同时间放入相同环形水道5—10min, 但不进行力竭追赶训练。训练期间其他实验条件如投喂制度、水体溶氧和水温等与驯养期间相同。

在力竭追赶训练周期结束以后, 从2种鱼各自对照组和训练组中随机挑选9尾(每个重复3尾)实验鱼进行心脏指数、鳃指数、血红蛋白含量和红细胞数目的测定(测定方法见后)。另外再从2种鱼各自对照组和训练组中随机挑选9尾(每个重复3尾)实验鱼单独放入流水式鱼类呼吸代谢仪内进行1d的适应性驯化。然后用溶氧测定仪(HQ30d, HACH,USA)测定实验鱼耗氧率作为其运动前代谢率(测定方法见后)。随后将单尾实验鱼放入环形水道中人工追赶2—3min至力竭状态, 迅速将其放回呼吸室(0.2 L)中并开始计时, 在1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60min分别测定实验鱼的耗氧率[18]。呼吸室水流速度约为0.85 L/min, 据水体置换率公式[26]计算,1min内呼吸室水体置换率达到99 %以上。

1.3 心鳃指数和血液指标测定

用天平称取实验鱼体重后用湿毛巾包裹防止其剧烈运动, 用1 mL一次性医用注射器从实验鱼尾部静脉抽血, 转移至Eppendorf管(肝素钠抗凝处理)。将血液用Dacie's液稀释200倍后滴在Neubarer计数板上进行红细胞计数。用血红蛋白仪(WJX-Ⅰ)测定实验鱼血红蛋白(Hb)含量(氰化高铁钾法)[27]。随后将实验鱼敲击头部致死, 取出心脏和鳃用天平称重(精确至0.0001 g)并计算心脏指数和鳃指数[3]。

1.4 耗氧率测定和参数计算

采用流水式鱼类呼吸代谢仪测定实验鱼耗氧率(测定方法参见相关参考文献[28])。耗氧率(Xm,mg O2/h, 作为其代谢率指标)采用以下公式计算:式中ΔO2表示装有实验鱼呼吸室和对照呼吸室(没有实验鱼)之间的溶氧浓度差值(mg O2/L, 溶氧浓度用溶氧仪测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, 称量呼吸室出水口1min内出水量得到)。为了消除个别鱼体重差异较大造成的影响, 用0.75作为体重系数将实验鱼耗氧率校正为1 kg体重[5,13,28]。标准化耗氧率采用以下公式计算:

式中Xs表示标准体重耗氧率[mg O2/(kg.h)],Xm是实验鱼未校正体重耗氧率[mg O2/h, 见(3)式], m表示鱼体体重(kg)。

本实验统计相关参数如下: (1)运动前代谢率[mg O2/(kg.h)]是指实验鱼力竭运动前的代谢率;(2)运动代谢峰值[mg O2/(kg.h)]是指实验鱼在力竭运动后恢复过程中观察到的最大代谢率; (3)峰值比率是指力竭运动前代谢率和力竭运动后代谢峰值之间的比值; (4)运动后恢复时间(min)是指力竭运动恢复过程中代谢率回落到与运动前代谢率无显著性差异所对应的时间; (5)过量氧耗(mg O2/kg)是指实验鱼在力竭运动后恢复过程中各个时间点高于运动前代谢率的差值在时间上的积分。以上参数计算方法参见相关文献[20]。

采用公式Y=a+be-cX拟合实验鱼运动后代谢率和恢复时间的关系[13]。其中a值表示运动前代谢率,b值表示代谢率增量, c值表示代谢恢复速率(c值越小表示运动后代谢率恢复速率越慢)。

1.5 数据分析

采用EXCEL (2007)对所有实验数据进行常规计算, 数值用平均值±标准误(Mean ± SE)表示。统计分析采用SPSS17.0和STATISTICA 7.0软件进行。鱼的种类和训练对所有参数的影响采用双因素方差分析(ANOVA)。2种实验鱼种内对照组和训练组之间以及种间相同处理组之间所有参数采用T-Test分析, 显著性水平设定为P＜0.05。

2 结果

2.1 心鳃指数和血液指标

中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼的心脏指数、鳃指数、血红蛋白含量和红细胞数目在各自对照组和训练组之间都没有显著性差异(表 1)。2种鱼相同处理组之间的心脏指数没有显著性差异(表 1)。岩原鲤对照组和训练组的鳃指数(分别为4.08‰和4.27‰)分别显著性低于中华倒刺鲃对照组和训练组(分别为4.61‰和4.91‰)(P=0.001)(表 1)。2种鱼的血红蛋白含量和红细胞数目在相同处理组之间没有显著性差异(表 1)。鱼的种类和训练对心鳃指数和血液指标没有交互作用(表 1)。

2.2 力竭运动前代谢率

中华倒刺鲃对照组和训练组的运动前代谢率之间没有显著性差异, 但岩原鲤训练组运动前代谢率显著低于其训练组(P＜0.05)(表 2)。岩原鲤对照组和训练组的运动前代谢率都分别显著性低于中华倒刺鲃对照组和训练组(P＜0.001)(表 2)。鱼的种类和训练对力竭运动前代谢率没有交互作用(表 2)。

表 1 力竭追赶训练对中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼心鳃指数和血液指标的影响(平均值±标准误)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 力竭运动后代谢率特征

在力竭运动后, 所有实验鱼的代谢率都迅速上升达到峰值, 随后急剧下降并逐步恢复到运动前水平(图 1)。中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼的运动代谢峰值在各自对照组和训练组之间都没有显著性差异(表 2)。岩原鲤对照组和训练组的运动代谢峰值都分别显著性低于中华倒刺鲃对照组和训练组(P＜0.001)(表 2)。中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼的峰值比率在各自对照组和训练组之间都没有显著性差异,种间相同处理组之间也没有显著性差异(表 2)。中华倒刺鲃训练组运动后恢复时间显著高于其对照组(P＜0.05)。岩原鲤对照组和训练组之间运动后恢复时间没有显著性差异。运动后恢复时间在种间相同处理组之间没有显著性差异(表 2)。中华倒刺鲃训练组过量耗氧显著高于其对照组(P＜0.05)。岩原鲤对照组和训练组之间过量耗氧没有显著性差异。岩原鲤对照组和训练组的过量耗氧都分别显著性低于中华倒刺鲃对照组和训练组(P＜0.001)(表 2)。鱼的种类和训练对力竭运动后代谢率参数没有交互作用(表 2)。

表 2 力竭追赶运动训练对中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼力竭运动后代谢反应的影响(平均值±标准误)Tab. 2 The effect of exhaustive chasing training on excess post-exercise oxygen consumption (EPOC) response in Spinibarbus sinensis and Procypris rabaudi (Mean±SEM)

图 1 力竭追赶训练对中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼力竭运动后代谢率的影响Fig. 1 The effect of exhaustive chasing training on EPOC response in Spinibarbus sinensis and Procypris rabaudi

中华倒刺鲃训练组a值显著高于其对照组, 但b值显著性低于对照组(P＜0.05)。岩原鲤对照组和训练组之间a值和b值都没有显著性差异。岩原鲤对照组和训练组的a值和b值都分别显著性低于中华倒刺鲃对照组和训练组(P＜0.001)(表 3)。2种鱼各自对照组和训练组之间c值都没有显著性差异,但岩原鲤对照组和训练组的c值分别显著性低于中华倒刺鲃对照组和训练组(P=0.006)(表 3)。鱼的种类和训练对a值和c值没有交互作用, 但对b值有交互作用(表 3)。

3 讨论

3.1 力竭追赶训练对两种鲤科鱼类呼吸循环系统参数的影响

有氧运动训练过程中鱼类需要摄取和运输氧气来满足有氧代谢供能, 因此, 有氧运动训练对鱼类呼吸和循环系统能够产生直接刺激。以往的大多数研究发现, 适当的有氧运动训练往往会对鱼类的呼吸和循环系统产生显著性的正面影响。例如持续4周的有氧运动训练使虹鳟(Oncorhynchus mykiss)的心脏搏动能力和心输出量显著提高[29]。大鳞大马哈鱼(Oncorhynchus tshawytscha)经历8个月1.5倍体长/s的水流刺激后, 其红细胞比容显著高于对照组[30]。持续的运动训练(1.5倍体长/s, 90d)使亚马逊石脂鲤(Brycon amazonicus)血红蛋白含量和红细胞数目比对照组显著增加24%和18%[10]。相比于有氧运动训练, 很少有研究涉及无氧运动训练对呼吸和循环系统的影响。虽然无氧运动主要采用无氧糖酵解供能, 但无氧运动后“氧债”的偿还也涉及氧气的摄取和运输, 进而间接刺激鱼类的呼吸和循环系统。有研究发现, 间歇性的力竭追赶训练能够显著提高瓦氏黄颡鱼(Peltebagrus vachelli)的心脏指数[3]。本研究发现, 力竭追赶训练并没有对中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼的心脏指数、鳃指数、血红蛋白含量、红细胞数目等参数产生显著的影响。由此表明, 力竭追赶训练对鱼类呼吸循环系统的影响可能与其种类密切相关。

3.2 力竭追赶训练对两种鲤科鱼类力竭运动前后代谢特征的影响

在本研究中, 运动前代谢率主要反映实验鱼在禁食且相对静止的状态下维持基本生命活动的最低能量需求, 在一些研究中称之为维持代谢率或标准代谢率[31]。目前, 有关力竭追赶训练对鱼类运动前代谢率的影响并没有得到一致性的结论。例如,力竭追赶训练(1次/d, 14d)没有导致瓦氏黄颡鱼和锦鲫(Carassius auratus)幼鱼运动前代谢率显著变化[3,4]。但是南方鲇(Silurus meridionalis)幼鱼在力竭追赶训练(1次/d, 15d)后其运动前代谢率显著增加[2]。本研究发现, 力竭追赶训练并没有引起中华倒刺鲃幼鱼运动前代谢率的显著变化, 但导致岩原鲤幼鱼运动前代谢率显著下降。这与以往的研究结果相一致[5]。此结果也再次表明无氧运动训练对鱼类维持代谢耗能的影响存在明显的种间差异, 其原因有待进一步研究。

一些鱼类的最大有氧代谢率能够通过力竭性运动诱导出来, 因此, 力竭运动后代谢峰值也经常被作为评价鱼类有氧代谢能力的重要指标之一[17,20,32]。研究发现, 有氧运动训练能够导致一些鱼类运动代谢峰值显著提高, 比如虹鳟[33]、大鳞大马哈鱼[34]和中华倒刺鲃[20]。但一些研究也发现, 无氧运动训练也能够提高鱼类的有氧代谢能力。比如力竭追赶训练导致瓦氏黄颡鱼和南方鲇幼鱼运动代谢峰值显著提高[2,3]。本研究发现, 力竭追赶训练没有对中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼的运动代谢峰值产生显著影响, 表明其有氧代谢能力并没有得到显著改善。这与锦鲫幼鱼的研究结果类似[4]。此外, 一些研究表明, 运动训练后鱼类有氧代谢能力的提高往往伴随着呼吸和循环系统功能的改善[3,20]。本研究发现, 力竭追赶训练并没有对2种鱼类的呼吸和循环系统参数产生显著影响, 这可能是其有氧代谢能力没有显著性变化的原因之一。

表 3 力竭追赶训练对中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼力竭运动恢复过程代谢率曲线拟合方程(Y =a+be-cX)参数的影响(平均值±标准误)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)

鱼类力竭运动后的EPOC大小(EPOC magnitude)是反映其最大无氧代谢能力的重要指标[3,17]。以往的研究者大多采用力竭追赶训练的方式来对鱼类进行无氧运动训练, 以期提高其无氧代谢能力,但并非所有种类都达到了理想的效果[2—4]。研究发现, 力竭追赶训练(1次/d, 14或15d)并没有对瓦氏黄颡鱼和南方鲇幼鱼的EPOC大小产生显著性影响[2,3]。但相似的力竭追赶训练制度却显著提高了锦鲫幼鱼的无氧代谢能力, 研究者认为主要是由于其力竭运动恢复期间(7—20min)的耗氧率显著增加所致[4]。本研究发现, 力竭追赶训练没有对岩原鲤幼鱼的EPOC大小产生显著性影响, 但显著提高了中华倒刺鲃幼鱼的EPOC大小和运动后恢复时间。由此表明, 力竭追赶训练显著改善了中华倒刺鲃幼鱼的无氧运动代谢能力, 这可能与其运动后恢复时间的延长有关。

3.3 两种鲤科鱼类力竭运动前后代谢特征的比较

有研究发现, 锦鲫和草鱼(Ctenopharyngodon idellus)等鲤科鱼类具有较为活跃的觅食活动和避敌行为, 其力竭运动前后的代谢反应往往要高于活动较为迟缓的瓦氏黄颡鱼和南方鲇等鲇形目鱼类。因此, 研究者认为鱼类力竭运动前后代谢率特征与其活跃程度之间具有密切联系[13]。通过比较发现, 岩原鲤运动前代谢率和运动后代谢峰值都显著低于中华倒刺鲃(表 2), 由此暗示其不太活跃的生活习性, 这与以往的研究结果相似[35]。相比而言,中华倒刺鲃具有较为活跃的生活习性, 这可能与其生活在水流较急的江河水体底层环境和短距离洄游习性有关。此外, 本研究还发现, 对照组中华倒刺鲃幼鱼的心脏指数和血液指标与对照组岩原鲤没有显著差异, 但其鳃指数却显著大于对照组岩原鲤幼鱼。由此表明, 中华倒刺鲃和岩原鲤幼鱼运动前后代谢率的差异可能主要是由于其对氧气摄取能力的不同造成, 而与氧气输送能力无关。

力竭运动后代谢率恢复速率直接影响鱼类的重复力竭运动能力, 与鱼类的生存密切相关[36]。以往的研究发现, 锦鲫和草鱼等鲤科鱼类的代谢恢复率明显高于南方鲇和鲇等鲇形目鱼类, 研究者认为这将有利于力竭运动后快速恢复, 为下次力竭运动做好准备, 这可能与其较低的营养等级有关[13]。本研究发现, 中华倒刺鲃幼鱼代谢恢复速率(c值)显著高于岩原鲤幼鱼(表 3)。由此表明, 相比与岩原鲤幼鱼, 中华倒刺鲃幼鱼从力竭运动中恢复得更快,这可能有利于其再次觅食或逃避捕食者。鲤科鱼类力竭运动后恢复速率存在明显的种间差异, 其原因有待进一步研究。