●?前言

2021年12月，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所杜衛(wèi)國(guó)研究組孫寶珺副研究員在Ecological Monographs期刊發(fā)表的題為 “Higher metabolic plasticity in temperate compared to tropical lizards suggests increased resilience to climate change ”的研究成果，通過蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的多組學(xué)聯(lián)合分析方法，揭示了溫帶草蜥物種與熱帶草蜥物種（南草蜥，）相比，溫帶草蜥物種（白條草蜥，和北草蜥，）具有更強(qiáng)的能量代謝溫度可塑性，并預(yù)測(cè)了熱帶蜥蜴物種更易遭受氣候變化的威脅。

英文標(biāo)題：Higher metabolic plasticity in temperate compared to tropical lizards suggests increased resilience to climate change

研究對(duì)象：南草蜥、白條草蜥、北草蜥

發(fā)表期刊：Ecological Monographs

影響因子：10.315

發(fā)表時(shí)間：2021.12

合作單位：中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所，動(dòng)物生態(tài)與保護(hù)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；加州大學(xué)伯克利分校整合生物學(xué)系；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院；中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所；阿伯丁大學(xué)生物與環(huán)境科學(xué)研究所；中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物進(jìn)化與遺傳卓越研究中心；中國(guó)科學(xué)院大學(xué)；杭州師范大學(xué)杭州市動(dòng)物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；滁州學(xué)院生物與食品工程系

運(yùn)用生物技術(shù)：iTRAQ標(biāo)記定量蛋白組學(xué)、GC-MS非靶代謝組學(xué)?(皆由鹿明生物提供技術(shù)支持)

●?研究背景

生物功能響應(yīng)溫度變異的地理格局，可以為氣候變暖背景下的動(dòng)物保護(hù)提供理論依據(jù)。但如何將群體或物種水平的響應(yīng)模式與個(gè)體水平的生理生化響應(yīng)機(jī)制聯(lián)系起來仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

氣候變異性假說（climate variability hypothesis）預(yù)測(cè)，由于熱帶變溫動(dòng)物通過馴化響應(yīng)溫度變異的能力有限，它們面對(duì)氣候變暖的脆弱程度將顯著高于溫帶的變溫動(dòng)物。然而，作為最重要的生理功能，能量代謝的馴化響應(yīng)發(fā)生在包括代謝酶、細(xì)胞，器官系統(tǒng)到整個(gè)有機(jī)體等多個(gè)生物層次。以往的研究主要集中在單一或少數(shù)幾個(gè)層次上，這使得我們對(duì)熱帶和溫帶物種之間的代謝適應(yīng)可能存在的差異缺乏詳盡的了解。

本研究以中國(guó)大陸分布的白條草蜥，北草蜥和南草蜥為研究對(duì)象，從多個(gè)層次闡明了不同緯度草蜥物種能量代謝溫度馴化響應(yīng)的格局和機(jī)制。

●?研究思路

●?研究結(jié)果

1.適應(yīng)熱環(huán)境和活動(dòng)體溫

在三種草蜥屬蜥蜴中，環(huán)境溫度較高的處理組蜥蜴的平均體溫均顯著高于較低低溫處理組的蜥蜴，但在相同的處理?xiàng)l件下，不同蜥蜴物種之間無顯著差異。

圖1 | 蜥蜴適應(yīng)過程中的溫度馴化環(huán)境與活動(dòng)體溫

2.生長(zhǎng)率與器官大小

南草蜥體長(zhǎng)和體重的增長(zhǎng)速率在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境中沒有改變，而北草蜥體長(zhǎng)和體重的增長(zhǎng)速率在高溫環(huán)境得到增強(qiáng)，白條草蜥體重的增長(zhǎng)速率在高溫環(huán)境增強(qiáng)但體長(zhǎng)的增長(zhǎng)速率沒有改變。北草蜥肝臟重量在低溫處理組中顯著提升，而其它器官在處理組中并無顯著差異。白條草蜥和南草蜥的器官大小在處理組之間均無顯著差異。

表1 | 3種草蜥屬蜥蜴經(jīng)溫度馴化后的生長(zhǎng)速率和組織器官大小

3.靜息代謝率、器官大小、線粒體呼吸與COX活性

在3種草蜥中，靜息代謝率均隨著測(cè)定溫度升高而增強(qiáng)；南草蜥的靜息代謝率在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境間沒有差異，北草蜥在低溫環(huán)境中靜息代謝率增強(qiáng)；白條草蜥在高溫環(huán)境下，靜息代謝率溫度敏感性提升；呼吸控制率在3種草蜥中都隨測(cè)定溫度升高而增加，南草蜥和北草蜥的呼吸空置率在處理間并無顯著差異，而白條草蜥在高溫處理后呼吸控制率顯著提升。

北草蜥在低溫環(huán)境中的肝臟大小是高溫環(huán)境中的2.7倍，但在南草蜥和白條草蜥中沒有差異，而三種蜥蜴的心臟和腦大小在兩種處理間均無差異。

在南草蜥中，肝臟狀態(tài)3線粒體呼吸未受影響，狀態(tài)4線粒體呼吸在18到28℃中沒有變化，而低溫處理的南草蜥從33到38℃狀態(tài)4線粒體呼吸顯著增強(qiáng)；北草蜥在兩種環(huán)境下，肝臟狀態(tài)3線粒體呼吸和狀態(tài)4線粒體呼吸均無變化；高溫環(huán)境下的白條草蜥肝臟狀態(tài)3和狀態(tài)4線粒體呼吸顯著高于低溫環(huán)境中的個(gè)體。

南草蜥和北草蜥的肝臟細(xì)胞色素c氧化酶（COX）活性在兩種處理下，均無變化；而白條草蜥在高溫環(huán)境中的肝臟COX活性顯著提升。

圖2?|?靜息代謝率、器官大小、線粒體呼吸與COX活性研究

靜息代謝率 (a、b、c)，呼吸控制率(d、e、f)，器官大小(g、h、i)，線粒體狀態(tài)3呼吸(j、k、l)，線粒體狀態(tài)4呼吸(m、n、o)和細(xì)胞色素c氧化酶(COX)活性的馴化響應(yīng)(p, q, r)。

4.蛋白調(diào)控

采用了iTRAQ標(biāo)記定量蛋白組學(xué)對(duì)蜥蜴的肝臟進(jìn)行分析，一共確定了660種蛋白，其中白條草蜥、北草蜥和南草蜥在不同的溫度環(huán)境處理中找到的差異蛋白分別為302、251和170。91種差異蛋白涉及碳水化合物、脂類、氨基酸以及能量代謝，白條草蜥和北草蜥中涉及糖類、脂類、氨基酸或能量代謝的蛋白多于南草蜥；層級(jí)聚類分析表明，這些核心代謝途徑的調(diào)控模式在不同物種之間存在顯著差異。

三個(gè)物種糖酵解途徑中的酶是相對(duì)保守的調(diào)節(jié)，PFK和ACS在低溫處理中都出現(xiàn)了下調(diào)，進(jìn)而抑制糖酵解途徑；溫帶的白條草蜥和北草蜥顯示戊糖磷酸途徑在低溫下共同調(diào)控，補(bǔ)充低溫下乙酰輔酶a的生成不足；溫帶的白條草蜥的脂肪酸代謝調(diào)控出現(xiàn)了改變，8個(gè)脂肪酸降解的酶中7個(gè)在低溫處理下顯著上調(diào)進(jìn)而提升脂代謝，而在南草蜥和北草蜥中，并不顯著的差異調(diào)控。

不僅如此，白條草蜥在纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解途徑中存在不同的代謝酶調(diào)控，包括EchA, HADH, HSD17B10, ACAA，BCKDH, MCC和ACAT，而只有兩種酶在北草蜥中有差異表達(dá)，而沒有酶在南草蜥有差異表達(dá)；半胱氨酸和蛋氨酸代謝酶在所有物種中都有差異表達(dá)；最后是丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸代謝酶在南草蜥中存在更少的差異表達(dá)。

圖3?| 環(huán)境適應(yīng)后的酶調(diào)控

（a）糖酵解；（b）磷酸戊糖途徑；（c）檸檬酸循環(huán)；（d）脂肪酸降解

5.代謝調(diào)控

代謝組學(xué)分析確認(rèn)到204個(gè)代謝物，而只有白條草蜥中顯示存在能量代謝相關(guān)的差異代謝物，其中8個(gè)差異代謝物和糖類、脂類、氨基酸和能量代謝相關(guān)。

圖4?| 冷處理和熱處理代謝物的聚類熱圖

（a）T.sexlineatus，（b）T.septentrionalis，（c）T.wolteri

6.蛋白和代謝聯(lián)合分析

對(duì)蛋白組與代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)碳水化合物和氨基酸代謝有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。在白條草蜥中，低溫處理的MDH酶、蘋果酸代謝產(chǎn)物及FAD降解產(chǎn)物均高于高溫處理，低溫處理的蜥蜴下調(diào)了NIT2、GOT1和ADSL，它們分別催化天冬酰胺轉(zhuǎn)化為TCA循環(huán)的底物草酰乙酸和延胡索酸。

圖5?| 差異表達(dá)蛋白(DEPs)和代謝物在白條草蜥中丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝的整合調(diào)控

● 研究結(jié)論

通過從熱帶到溫帶三種不同草蜥的研究，發(fā)現(xiàn)了氣候變異性假說的有力證據(jù)。與溫帶的兩種蜥蜴相比，熱帶蜥蜴展現(xiàn)了有限的能量代謝溫度馴化響應(yīng)，而兩個(gè)溫帶物種中展示了兩種截然不同的生理生化適應(yīng)機(jī)制：廣泛分布的溫帶物種北草蜥在肝臟大小上顯示了極大的可塑性，；分布較窄的白條草蜥則依靠在線粒體功能，代謝酶活性、蛋白質(zhì)組和代謝組水平上的調(diào)節(jié)來完成環(huán)境適應(yīng)。而缺乏上述任何調(diào)控的熱帶蜥蜴物種南草蜥，未來可能將遭受氣候變暖的嚴(yán)重影響。

小鹿推薦

本研究對(duì)不同緯度蜥蜴的氣候變化響應(yīng)做了比較，從而證實(shí)溫帶蜥蜴比熱帶蜥蜴有更強(qiáng)的溫度環(huán)境馴化響應(yīng)能力，同時(shí)結(jié)合代謝組學(xué)和蛋白組學(xué)的方法對(duì)溫帶蜥蜴的氣候調(diào)節(jié)機(jī)制提供了解釋。

這是中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所孫寶珺副研究員在Ecological?Monographs這一具有90余年歷史的生態(tài)學(xué)頂級(jí)期刊上發(fā)表的關(guān)于中國(guó)大陸草蜥響應(yīng)氣候變化的第二篇文章。隨著代謝組學(xué)和蛋白組學(xué)研究的不斷深入，兩大組學(xué)整合將會(huì)越來越多的應(yīng)用于環(huán)境變化、生理病理機(jī)制研究等領(lǐng)域；歐易/鹿明生物公司為廣大科研工作者提供多種蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的檢測(cè)服務(wù)，歡迎廣大研究者前來垂詢。

文末看點(diǎn)｜

lumingbio

在獲得AFADESI平臺(tái)原創(chuàng)團(tuán)隊(duì)全力支持下，截止2021年9月，鹿明生物已經(jīng)完成共計(jì)近千例樣本經(jīng)驗(yàn)，包括心臟、腦、腫瘤、腸道、肝臟、腎臟、皮膚等十幾種組織樣本空間代謝組學(xué)檢測(cè)及分析，檢測(cè)物質(zhì)涵蓋膽堿類、多胺類、氨基酸類、肉堿類、核苷類、核苷酸類、有機(jī)酸類、碳水化合物類、膽固醇類、膽酸類、脂質(zhì)類等多種類代謝物。

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