Биология внутренних вод, 2020, № 3, стр. 309-312

Кратковременное голодание меняет чувствительность гликозидаз кишечника молоди карпа Cyprinus carpio L. к повышению температуры воды

А. А. Филиппов a, И. Л. Голованова a*

a Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук
пос. Борок, Некоузский р-н, Ярославская обл., Россия

* E-mail: golovanova@ibiw.ru

Поступила в редакцию 27.11.2018
После доработки 10.05.2019
Принята к публикации 22.07.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Установлено, что активность гликозидаз (мальтаза и амилолитическая активность) в слизистой оболочке кишечника молоди карпа Cyprinus carpio (L.) при резком увеличении температуры воды зависит от физиологического состояния (сытость/голод). Рыбы были акклимированы к температуре 22°С в летний (сеголетки) и зимний (двухлетки) сезоны. Повышение температуры воды со скоростью 8.0°С/ч приводило к росту амилолитической активности у сытых рыб, активность мальтазы не изменялась. Голодание в течение 3 или 10 сут меняло реакцию гликозидаз на температурный стресс: активность мальтазы росла, амилолитическая активность не изменялась. Кратковременное голодание не влияло на термоустойчивость молоди карпа: значения критического термического максимума у голодных и сытых особей не различались.

Ключевые слова: карп, кратковременное голодание, гликозидазы, мальтаза, амилолитическая активность, повышение температуры воды, критический термический максимум

Глобальное потепление, резкие колебания климата, а также сброс подогретых вод промышленных предприятий, атомных и тепловых электростанций нарушают температурный режим водоемов. Даже кратковременное изменение температуры до значений, лежащих за границами метаболического оптимума, может приводить к изменению обмена веществ (Константинов, 1993; Озернюк, 2000), интенсивности питания и скорости переваривания пищи, а также инактивации и денатурации ферментов (Голованов, 2013; Уголев, Кузьмина, 1993). Пищеварительные ферменты рыб хорошо адаптированы к условиям функционирования и их активность, как правило, повышается с ростом температуры (Kuz’mina, 2017). Высокая температура (25–30°С) способствует лучшей утилизации углеводов у карпа Cyprinus carpio (L.) и превращению их избытка в резервные липиды (Остроумова, 2012). Однако резкое увеличение температуры воды со скоростью 4–50°С/ч снижает активность гликозидаз (ферментов, гидролизующих углеводы) в кишечнике молоди рыб сем. Cyprinidae в 2–7.5 раз во все сезоны, исключая летний (Golovanova et al., 2013).

Активно растущая молодь, особенно у рыб планкто- и бентофагов, очень чувствительна к недостатку пищи (Ивлев, 1997). Голодание – мощный экологический фактор, способный менять реакцию организма на абиотические (рН, соленость, содержание кислорода, температура, токсиканты) и на биотические (грибковые и паразитарные заболевания, присутствие хищника) факторы (Ивлев, 1997). Ранее установлено, что функциональное состояние пищеварительной системы (сытость/голод) влияет на чувствительность кишечных гликозидаз рыб к действию магнитной бури (Kuz’mina et al., 2014). Однако реакцию гликозидаз на температурный стресс в зависимости от функционального состояния рыб ранее не исследовали.

Цель работы – исследовать влияние кратковременного голодания на активность гликозидаз в слизистой оболочке кишечника молоди карпа при резком повышении температуры воды.

В работе использованы сеголетки (0+) и двухлетки (1+) карпа Cyprinus carpio (L.), выращенные в прудах с естественной кормовой базой на стационаре полевых и экспериментальных работ “Сунога” Института биологии внутренних вод РАН. Сеголетки массой 1.49 ± 0.21 г были отловлены в начале августа при температуре воды 18°С, двухлетки массой 10.6 ± 0.57 г – в конце сентября при температуре воды 13°С. После отлова рыб в течение 1–2 ч доставляли в лабораторию, где помещали в аквариумы объемом 400 л с водой той же температуры и постоянной аэрацией. До начала экспериментов и в период акклимации рыб кормили ежедневно личинками хирономид Chironomus sp. в количестве 5–10% массы тела. Сеголетков в течение 10 сут после вылова акклимировали к температуре воды 22°С, затем помещали в два аквариума объемом 60 л по 18 экз. в каждом. В одном аквариуме рыб в течение 3 сут продолжали кормить личинками хирономид в количестве 5–10% массы тела, в другом рыб не кормили. Двухлетков карпа содержали в лабораторных условиях до середины января, затем в течение 10 сут акклимировали к температуре воды 22°С. Схема дальнейшего эксперимента подобна описанной для сеголетков, лишь период голодания у двухлетков был 10 сут. Воду в аквариумах меняли один раз в трое суток, при этом температурный режим и фотопериод (свет/темнота 12/12 ч, свет 07:00–19:00) оставались постоянными.

Затем группу рыб (по 6 экз. в каждой, две повторности) помещали в экспериментальный аквариум объемом 60 л, оборудованный системой нагрева и аэрации. Температуру воды в аквариуме повышали со скоростью 8°С/ч до потери рыбами равновесия (переворот кверху брюхом), сублетальное значение температуры фиксировали как КТМ. Такая скорость повышения температуры может наблюдаться при аварийных сбросах подогретых вод промышленных предприятий, а также часто применяется в качестве стандартной при определении термоустойчивости рыб (Голованов, 2013; Beitinger et al., 2000). Продолжительность эксперимента не превышала 2 ч. Рыб контрольной группы содержали при температуре акклимации и не подвергали нагреву. Всего в работе использовано по 36 экз. сеголетков и годовиков.

Для определения активности гликозидаз готовили суммарные гомогенаты из слизистой оболочки медиального отдела кишечников от 6 экз. рыб каждой экспериментальной группы, используя раствор Рингера для холоднокровных животных (110 ммоль NaCl, 1.9 ммоль KCl, 1.3 ммоль CaCl2, pH 7.4). Его же применяли для приготовления растворов субстратов (растворимый картофельный крахмал в концентрации 18 г/л и мальтоза в концентрации 50 ммоль/л). Инкубацию гомогената и субстрата проводили в течение 20–30 мин при температуре 20°С, рН 7.4. Амилолитическую активность, отражающую суммарную активность ферментов, гидролизующих крахмал (α-амилаза КФ 3.2.1.1, глюкоамилаза КФ 3.2.1.3 и мальтаза КФ 3.2.1.20), оценивали модифицированным методом Нельсона (Уголев и др., 1969), активность мальтазы – глюкозооксидазным методом с помощью набора для клинической биохимии “Фотоглюкоза” (ООО “Импакт”, Россия). Активность ферментов определяли в пяти биохимических повторностях и выражали в микромолях продуктов реакции, образующихся за 1 мин инкубации в расчете на 1 г влажной массы ткани с учетом фона (количества глюкозы в исходном гомогенате) (табл. 1). Достоверность различий оценивали с помощью однофакторного анализа (ANOVA, LSD-тест) при p ≤ 0.05.

Таблица 1.  

Активность гликозидаз в кишечнике молоди карпа при нагреве воды со скоростью 8.0°С/ч

Физиологическое состояние Активность гликозидаз, мкмоль/(г мин)
АА aктивность мальтазы
  Сеголетки
Сытость $\frac{{84.50 \pm {{{7.95}}^{*}}}}{{53.67 \pm 0.54}}$ $\frac{{26.62 \pm 0.59}}{{25.80 \pm 0.40}}$
Голод $\frac{{45.83 \pm 2.40}}{{44.67 \pm 0.96}}$ ${{\frac{{20.82 \pm 0.57}}{{18.24 \pm 0.35}}}^{*}}$
  Двухлетки
Сытость $\frac{{84.65 \pm {{{3.81}}^{*}}}}{{52.13 \pm 0.52}}$ $\frac{{6.83 \pm 0.16}}{{7.31 \pm 0.05}}$
Голод $\frac{{47.87 \pm 1.70}}{{41.94 \pm 1.10}}$ $\frac{{6.46 \pm {{{0.21}}^{*}}}}{{5.57 \pm 0.21}}$

Примечание. Над чертой – при нагреве воды со скоростью 8.0°С, под чертой – без нагрева (контроль). M ± m ‒ средние значения ± ошибка; АА ‒ амилолитическая активность. Отличия от контроля достоверны при p < 0.05.

Активность гликозидаз у голодных карпов обеих возрастных групп на 17–29% ниже, чем у сытых, p < 0.05. Реакция гликозидаз на повышение температуры воды со скоростью 8.0°С/ч у голодных и сытых карпов различна. У сеголетков при нагреве воды АА возрастает на 57% лишь у сытых, а активность мальтазы на 14% лишь у голодных особей по сравнению с активностью ферментов у рыб контрольной группы. У двухлетков рост температуры воды также приводит к повышению АА на 63% лишь у сытых, активности мальтазы – на 16% лишь у голодных особей. Ранее установлено, что у сытых сеголетков карпа, акклимированных к температуре 3°С зимой, рост температуры воды со скоростью 10.0°С/ч снижает АА на 40% (Golovanova et al., 2013). Очевидно, реакция гликозидаз на резкое повышение температуры воды в зимний период зависит от температуры предварительной акклимации. Адаптивное повышение активности мальтазы в слизистой оболочке кишечника у голодных рыб при резком увеличении температуры воды отмечено впервые. Известно лишь о повышении активности мальтазы в 2.7 раза в целом организме годовиков головешки-ротана Perccottus glenii Dyb. (акклимированных осенью к температуре 13°С) с ростом температуры воды со скоростью 8.0°С/ч, при этом АА снижалась в 1.7 раза (Аминов, 2018). По-видимому, у голодных и у сытых рыб функционируют разные изоформы мальтазы, отличающиеся по температурным характеристикам. Продолжительность голодания (3 сут у сеголетков и 10 сут у двухлетков) не влияла на силу и направленность изменений активности гликозидаз при температурном стрессе. Следует отметить, что АА у карпов, акклимированных к температуре 22°С зимой, и у сеголетков, акклимированных к той же температуре летом, почти одинакова. В то же время, активность мальтазы у двухлетков в ~3 раза ниже, что может быть обусловлено сменой объектов питания и изменением биохимического состава кормовых организмов. Кроме того, эти различия могут быть связаны с большей адаптационной пластичностью панкреатических (α-амилаза) ферментов по сравнению с собственно мембранными (мальтаза), а также различиями температурных характеристик указанных ферментов (Уголев, Кузьмина, 1993).

Адаптации пищеварительной системы рыб к изменению температуры внешней среды реализуются, главным образом, благодаря перестройкам ферментных систем и липидного матрикса мембран (Уголев, Кузьмина, 1993). Регуляция скорости ферментативных процессов осуществляется преимущественно на клеточном и молекулярном уровне посредством изменения концентрации и свойств ферментов (Hochachka, Somero, 2002). В экспериментах in vivo изменение активности пищеварительных гидролаз с ростом температуры воды может свидетельствовать как об изменении интенсивности синтеза ферментов, так и условий их функционирования. Поскольку для синтеза новых пищеварительных ферментов требуется, по крайней мере, несколько суток (Уголев, Кузьмина, 1993; Kuz’mina, 2017), а продолжительность резкого температурного воздействия в наших экспериментах не превышала 2 ч, снижение активности гликозидаз, вероятно, обусловлено изменением свойств существующих ферментов.

Значения КТМ при скорости нагрева 8°С/ч у голодных сеголетков достигали 37.3 ± 0.3°С, у сытых – 37.8 ± 0.1°С, у двухлетков 36.1 ± 0.23 и 35.7 ± 0.3°С соответственно. Отсутствие статистически значимых различий КТМ у голодных и сытых особей каждой возрастной группы показывает, что как трехдневное голодание у сеголетков, так и десятидневное голодание у двухлетков, не влияет на термоустойчивость молоди карпа. При этом в зимний сезон значения КТМ у двухлетков карпа, акклимированных к температуре 22°С, были на 8°С выше, чем у акклимированных к температуре 3°С (Golovanova et al., 2013). Эти результаты подтверждают предположение, что температура акклимации оказывает определяющее влияние на уровень КТМ у неполовозрелых особей (Голованов, 2013). На примере леща Abramis brama (L.) и плотвы Rutilus rutilus (L.), акклимированных к температуре 22°С, а также пеляди Coregonus peled (Gmelin), акклимированной к температуре 16°С летом, показано, что пятисуточное голодание снижает значение верхней летальной температуры (определяемой по прекращению движения жаберных крышек) на 2.1–3.1°С. У сытых сеголетков леща оно было 34.6, плотвы – 31.7, пеляди – 29.2°С, у голодных 31.8, 28.6 и 27.1°С соответственно (Голованов, 2013). В то же время, в некоторых случаях голодание не играет существенной роли, а доминирует другой фактор, например, паразитарные заболевания (Ивлев, 1997). Поскольку температурные и трофические условия в значительной мере определяют эффективность питания рыб, изменения активности пищеварительных ферментов при резком повышении температуры позволяют прогнозировать последствия термального загрязнения водной среды.

Выводы. Чувствительность гликозидаз кишечника молоди карпа к повышению температуры воды зависит от физиологического состояния особей. У сытых сеголетков и двухлетков карпа, акклимированных к температуре 22°С, рост температуры со скоростью 8°С/ч снижает АА, у голодных – повышает активность мальтазы. Продолжительность голодания (3 сут у сеголетков и 10 сут у двухлетков) не оказывает влияния на наблюдаемые эффекты. Кратковременное голодание не влияет на термоустойчивость молоди карпа (значения КТМ у голодных и сытых особей не различаются). Эти данные позволяют предположить, что резкий рост температуры воды может изменять скорость ассимиляции углеводов в кишечнике молоди в зависимости от физиологического состояния рыб.

Список литературы

  1. Аминов А.И. 2018. Влияние гербицида Раундап на активность гликозидаз рыб и объектов их питания: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Нижний Новгород: Нижегородский гос. ун-т. 24 с.

  2. Голованов В.К. 2013. Эколого-физиологические закономерности распределения и поведения пресноводных рыб в термоградиентных условиях // Вопр. ихтиол. Т. 53. № 3. С. 286. https://doi.org/10.7868/S0042875213030016

  3. Ивлев В.С. 1997. Экспериментальная экология питания рыб. Киев: Наук. думка.

  4. Константинов А.С. 1993. Влияние колебаний температуры на рост, энергетику и физиологическое состояние молоди рыб // Изв. РАН. Сер. биол. № 1. С. 55.

  5. Озернюк Н.Д. 2000. Температурные адаптации. Москва: Изд-во Мос. ун-та.

  6. Остроумова И.Н. 2012. Биологические основы кормления рыб. Санкт-Петербург: Гос. НИИ озер. и реч. рыб. хоз-ва.

  7. Уголев A.M., Кузьмина В.В. 1993. Пищеварительные процессы и адаптации у рыб. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат.

  8. Уголев А.М., Иезуитова Н.Н., Масевич Ц.Г. и др. 1969. Исследование пищеварительного аппарата у человека. Обзор современных методов. Ленинград: Наука.

  9. Beitinger T.L., Bennet W.A., McCauley R.W. 2000. Temperature tolerances of North American freshwater fishes exposed to dynamic changes in temperature // Environ. Biol. Fishes. V. 58. № 3. P. 237. https://doi.org/10.1023/A:1007676325825

  10. Golovanova I.L., Golovanov V.K., Smirnov A.K., Pavlov D.D. 2013. Effect of ambient temperature increase on intestinal mucosa amylolytic activity in freshwater fish // Fish Physiol. Biochem. V. 39. Is. 6. P. 1497. https://doi.org/10.1007/s10695-013-9803-9

  11. Hochachka P.W., Somero G.N. 2002. Biochemical adaptation. Mechanism and process in physiological evolution. Oxford: Oxford University Press.

  12. Kuz’mina V.V., Ushakova N.V., Krylov V.V., Petrov D.V. 2014. The effects of geomagnetic storms on proteinase and glycosidase activities in fish intestinal mucosa // Biol. Bull. V. 41. Is. 2. P. 154. https://doi.org/10.1134/S1062359014020058

  13. Kuz’mina V.V. 2017. Digestion in fish. A new view. Balty: LAP Lambert Acad. Publ.

Дополнительные материалы отсутствуют.