Вопросы ихтиологии, 2022, T. 62, № 5, стр. 664-669
Активность ферментов энергетического и углеводного обмена у молоди трёхиглой колюшки Gasterosteus aculeatus (Gasterosteidae) из разных биотопов Белого моря
М. В. Чурова 1, *, Н. С. Шульгина 1, М. Ю. Крупнова 1, М. А. Родин 1, Н. Н. Немова 1
1 Институт биологии Карельского научного центра РАН – ИБ КарНЦ РАН
Петрозаводск, Россия
* E-mail: mchurova@yandex.ru
Поступила в редакцию 09.09.2021
После доработки 31.01.2022
Принята к публикации 10.02.2022
- EDN: JZQZKD
- DOI: 10.31857/S0042875222040063
Аннотация
Исследована активность ключевых ферментов энергетического и углеводного обмена (цитохром с оксидазы, лактатдегидрогеназы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, альдолазы) у молоди трёхиглой колюшки Gasterosteus aculeatus из разных биотопов Белого моря (губа Сельдяная, пролив Сухая Салма и лагуна Колюшковая). Установлено, что особи колюшки из разных биотопов различаются главным образом по уровню анаэробного обмена и степени использования углеводов в процессах гликолиза и биосинтеза в органах. Полученные результаты указывают на адаптивные механизмы перестройки метаболических путей энергетического обмена в зависимости от условий обитания в разных биотопах (температура, кормовая база).
Одним из важнейших доминирующих видов промежуточного уровня трофической цепи Белого моря является колюшка трёхиглая Gasterosteus aculeatus Linnaeus, 1758, которая способна успешно адаптироваться к новым условиям при смене мест обитания в ходе нерестовых миграций из открытого моря в прибрежные биотопы, различающиеся гидрологическими и трофоэкологическими условиями (Hendry et al., 2013; Доргам и др., 2018). Наиболее привлекательными для нереста колюшки являются мелководные биотопы с густыми зарослями растительности и хорошо закрытые от волнового воздействия (Доргам и др., 2018). К таким биотопам в Кандалакшском заливе Белого моря относятся губа Сельдяная и лагуна Колюшковая, производители занимают их в первую очередь, а численность молоди в этих местах сравнительно высокая – 20–40 экз/м2 (Rybkina et al., 2017). Однако типичными и многочисленными в районе исследования (Кандалакшский залив) являются более открытые и менее прогреваемые биотопы с разреженной растительностью, такие как пролив Сухая Салма (Доргам и др., 2018).
Известно, что условия обитания, в которых проходит развитие икры и мальков, влияют на уровень обменных процессов в организме, определяющих процессы роста и развития рыб, что в дальнейшем приводит к формированию физиолого-биохимической и размерной разнокачественности в популяции (Дгебуадзе, 2001; Озернюк, 2011). Одним из важнейших биохимических факторов, определяющих функциональную активность клеток в процессе роста и развития рыб и в адаптациях метаболизма, является уровень энергетического обмена (Озернюк, 1985). На основании изменений активности ключевых ферментов энергетического и углеводного обмена можно сделать вывод о некоторых метаболических особенностях организма рыб, способствующих их росту и формированию адаптационного потенциала жизнедеятельности в конкретных условиях водной среды (Чурова и др., 2011; Мещерякова и др., 2013). Ранее мы установили некоторые вариации в активности ферментов энергетического обмена в органах взрослых особей колюшки, приходящей на нерест в разные биотопы Белого моря. Эти вариации, вероятнее всего, были связаны с различиями в кормовой базе и солёностном режиме (Чурова и др., 2018). Есть данные, указывающие на различия по показателям липидного и белкового обмена у мальков колюшки из разных биотопов Белого моря (Мурзина и др., 2017; Lajus et al., 2020). Исследование показателей энергетического обмена у колюшки на ранних стадиях развития дополнит имеющиеся данные по биохимическому статусу молоди и роли метаболических превращений в формировании физиолого-биохимической разнокачественности, стратегии широкого расселения и в выживании этих видов в неоднородной среде Белого моря.
Цель работы – изучить активность ферментов энергетического и углеводного обмена (цитохром с оксидазы, лактатдегидрогеназы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и альдолазы) в органах молоди трёхиглой колюшки из разных биотопов Кандалакшского залива Белого моря.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Материал собран в Кандалакшском заливе Белого моря в трёх районах нереста трёхиглой колюшки: губе Сельдяная, лагуне Колюшковая, проливе Сухая Салма (табл. 1). Молодь колюшки отлавливали на нерестилищах 31.07 и 18.08.2017 г. закидным неводом длиной 7.5 м и высотой 1.5 м в пределах 30 м от береговой линии. Образцы замораживали в жидком азоте и в нём хранили до начала анализа. Общая длина (TL) и масса исследованных особей представлены в табл. 2.
Таблица 1.
Параметр | Губа Сельдяная | Лагуна Колюшковая | Пролив Сухая Салма |
---|---|---|---|
Координаты | 66°33′81′′ с.ш. 33°62′25′′ в.д. | 66°31′33′′ с.ш. 33°64′60′′ в.д. | 66°31′17′′ с.ш. 33°64′74′′ в.д. |
Температура воды, °С: |
|||
31.07.2017 г. | 13 | 15 | 13 |
18.08.2017 г. | 14 | 15 | 14 |
Общая характеристика | Треугольная губа с широким входом и мелководной вершиной. Максимальная глубина около 3 м | Площадь поверхности – 0.064 км2. Соединена с морем только в полную воду. Максимальная глубина до 4 м, средняя глубина 1.5 м | Типичный для района исследований прибрежный биотоп с уклоном дна 6–8 см/м |
Солёностный режим | Распреснение практически отсутствует | Слабое распреснение за счёт изоляции и атмосферных осадков | Среднее распреснение (влияние стока р. Кереть) |
Водная растительность | Фукоиды на литорали, очень густая зостера Zostéra marína на большей части акватории. Биомасса зостеры до 1 кг/м2 сухого вещества и проективное покрытие до 100% | Нитчатые водоросли и в районе пролива – зостера (биомасса до 100 г/м2 сухого вещества и проективное покрытие 0–30%) | Фукоиды на литорали, глубже – разреженная зостера (1–3 побега на м2 и биомасса до 3 г/м2 сухого вещества) |
Зоопланктон | Сообщество с характерными для поверхности Белого моря формами | Сильно обеднённый видовой состав с преобладанием Acartia longiremis | Сообщество с характерными для поверхности Белого моря формами |
Объекты питания молоди колюшки | Доминирование копепод Temora longicornis и Microsetella norvegica, инфузория Helicostomella subulata. Oligochaeta и Orthocladiinae | Преимущественное доминирование копеподы Acartia longiremis. Oligochaeta и Orthocladiinae | Нет данных |
Таблица 2.
Лагуна Колюшковая | Губа Сельдяная | Пролив Сухая Салма | |||
---|---|---|---|---|---|
TL, см | Масса, г | TL, см | Масса, г | TL, см | Масса, г |
31.07.2017 г. | |||||
$\frac{{1.520{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.880}}{{1.619 \pm 0.069{\kern 1pt} *{\kern 1pt} *}}$ | $\frac{{0.046{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 0.091}}{{0.061 \pm 0.005{\kern 1pt} *}}$ | $\frac{{1.290{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.360}}{{1.333 \pm 0.015}}$ | $\frac{{0.018{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 0.031}}{{0.023 \pm 0.005}}$ | $\frac{{1.680{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 1.960}}{{1.818 \pm 0.032{\kern 1pt} *}}$ | $\frac{{0.047{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 0.107}}{{0.072 \pm 0.007{\kern 1pt} *}}$ |
18.08.2017 г. | |||||
$\frac{{1.810{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 2.120}}{{2.003 \pm 0.033}}$ | $\frac{{0.067{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 0.125}}{{0.098 \pm 0.006}}$ | $\frac{{1.790{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 2.220}}{{2.015 \pm 0.052}}$ | $\frac{{0.052{\kern 1pt} --{\kern 1pt} 0.114}}{{0.087 \pm 0.007}}$ |
Активность ферментов энергетического и углеводного обмена, учитывая маленькие размеры особей, определяли во всем организме молоди (без хвостового плавника). Активность цитохром c оксидазы (ЦО, КФ 1.9.3.1) определяли по методу Смита (Smith, 1955), измеряя увеличение количества окисленного цитохрома c. Общую активность лактатдегидрогеназы (ЛДГ, 1.1.1.27) и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФДГ, 1.1.1.49) определяли, измеряя количества восстановленных никотинамидадениндинуклеотида и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН) по общепринятым методикам (Кочетов, 1980). Активность альдолазы (КФ 4.1.2.13) определяли по методике Бека в модификации Ананьева и Обуховой (Колб, Камышников, 1976). Активность ферментов выражали в мкмоль/мин/г белка. Концентрацию белка определяли методом Брэдфорда (Bradford, 1976). Исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра КарНЦ РАН.
Статистический анализ результатов проводили с применением критерия Краскела–Уоллиса и последующим сравнением выборок с использованием критерия Манна–Уитни. Различия считали достоверными при р < 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ активности ферментов энергетического и углеводного обмена позволяет оценить важнейшие процессы образования энергии – аэробного синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) (ЦО) (Goolish, Adelman, 1987), анаэробного гликолиза (ЛДГ) (Gauthier et al., 2008), а также участие углеводов в процессах образования энергии и синтезе различных промежуточных соединений (альдолаза, Г6ФДГ) (Tian et al., 1998; Johansen, Overturf, 2006). Особи из всех трёх местообитаний, пойманные в июле, по уровню активности ЦО и альдолазы между собой не различались (рисунок, а, б), что указывает на отсутствие между ними различий по уровню аэробного обмена и степени использования углеводов в этот период. При этом обнаружена достоверно более высокая активность ЛДГ у особей из прол. Сухая Салма по сравнению с молодью из лаг. Колюшковая (рисунок, в). Активность ЛДГ является индикатором анаэробного обмена (гликолиза) в мышцах, глюконеогенеза в печени, показателем баланса между аэробным и анаэробным метаболизмом (Somero, Childress, 1980). Учитывая наличие положительной корреляции активности данного фермента с размерами особей (табл. 3), полученный результат можно объяснить участием этого фермента в анаэробном гликолизе, который является главным процессом энергообеспечения белых мышц при интенсивных сокращениях (рывковых движениях) (Goolish, 1991; Davies, Moyes, 2007; Чурова и др., 2011). Можно также предположить, что более высокая активность ЛДГ у особей из пролива по сравнению с молодью из лагуны связана прежде всего с размерами рыб: особи из пролива крупнее по длине и массе (табл. 2) и, как следствие, энергозатраты в виде АТФ на интенсивную плавательную активность у них выше. Нельзя исключать и связь высокой активности ЛДГ с подвижностью особей, которая может быть различной в зависимости от условий обитания в биотопах (растительность, наличие хищников) (Демчук и др., 2018; Доргам и др., 2018). Ранее было показано, что уровень активности ЛДГ отражает степень физической активности рыб и особенности их плавания (Drazen, Seibel, 2007). Прол. Сухая Салма характеризуется разреженными зарослями зоостеры Zostéra marína и фукоидов, в то время как лаг. Колюшковая и губа Сельдяная отличаются густой растительностью (заросли нитчатки и зоостеры в лагуне и заросли зоостеры в губе), предоставляющей благоприятные кормовые условия и укрытия для молоди (Доргам и др., 2018). Кроме того, в лаг. Колюшковая практически отсутствуют хищники (Демчук и др., 2018). Учитывая эти характеристики биотопов, можно предположить, что особи из прол. Сухая Салма по сравнению с особями из лагуны более подвижны в процессе избегания хищников и конкуренции за укрытия.
Молодь колюшки из губы Сельдяная отличалась от особей других биотопов более высокой активностью Г6ФДГ в тканях (рисунок, г). Г6ФДГ является ключевым ферментом пентозо-фосфатного пути, в котором происходит образование пентоз и генерируется восстановитель в форме НАДФН, использующийся в реакциях биосинтеза жирных кислот, стероидных гормонов, холестерина, сфинголипидов (Tian et al., 1998). Поскольку уровень аэробного и анаэробного обмена у особей между биотопами не различался, высокая активность Г6ФДГ может указывать на повышение степени использования углеводов в процессах биосинтеза у молоди из губы Сельдяная. Эти данные, а также сравнительно маленькие размеры особей (TL 1.333 ± 0.015 см) из данного биотопа (табл. 2) позволяют предположить, что обнаруженные различия могут быть связаны с особенностями питания особей на данной стадии развития в исследуемых биотопах. Так, было показано (Demchuk et al., 2015), что у мальков колюшки при достижении размеров тела 15 мм происходит переключение с одних объектов питания на другие. Качественный состав пищи также может влиять на различия в процессах биосинтеза, в частности липогенеза (Мурзина и др., 2017).
Различия по размерам молоди колюшки между биотопами в июле (табл. 2) связаны, скорее всего, со сроками нереста производителей и вылупления молоди: более высокая температура в лагуне могла привести к раннему нересту и к более быстрому развитию молоди (Lajus et al., 2020). В августе выборки из лагуны и губы Сельдяная практически однородны, это может быть следствием того, что более крупные особи, достигшие порогового миграционного размера 20–24 мм, покинули прибрежные районы (Lajus et al., 2020). Этим, скорее всего, объясняется и малое количество колюшки в прол. Сухая Салма в августе (Lajus et al., 2020).
Различия в уровне энергетического обмена у особей, развивающихся в биотопах лаг. Колюшковая и губа Сельдяная, в августе были очевидны: уровни активностей ферментов ЦО, ЛДГ и альдолазы были достоверно выше у молоди из лаг. Колюшковая (рисунок, а, б, г). Результаты свидетельствуют о сравнительно высоком уровне энергетического обмена у молоди в условиях повышенных температур в лагуне (табл. 1). Можно полагать, что у мальков колюшки из лагуны преобладает использование углеводов в энергетическом обмене, что в свою очередь может быть связано с различиями количественного и качественного состава кормовой базы. Лагуна отличается от других биотопов более бедным видовым составом пищевых объектов с преобладанием Acartia longiremis, а в губе Сельдяная питание более разнообразное, при этом основными объектами являются Temora longicornis и Microsetella norvegica (Rybkina et al., 2016; Доргам и др., 2018). Различия в кормовой базе и температурных условиях способствуют вариациям липидного состава тканей рыб из разных биотопов (Мурзина и др., 2017). Так, у молоди из губы Сельдяная обнаружено более высокое содержание запасных липидов (триацилглицеролов) и соответственно показателей отношений запасных липидов к структурным, что обеспечивает создание энергетических резервов в форме триацилглицеролов. Таким образом, согласно вышеуказанным данным и нашим результатам особи из разных местообитаний могут различаться по соотношению энергетических субстратов, используемых в аэробном и анаэробном обмене.
Ранее полученные результаты исследования активности ферментов у взрослых особей колюшки в нерестовый период указывают на различия активности альдолазы, которая ниже у особей из лагуны по сравнению с другими биотопами, что свидетельствует о снижении степени использования углеводов в энергетическом обмене (Чурова и др., 2018). Характер изменчивости активности альдолазы как у молоди, так и у взрослых особей из лагуны по сравнению с другими биотопами, вероятно, связан с особенностями кормовой базы на разных стадиях развития.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Условия обитания на нерестилищах, различающихся солёностью, температурой, кормовой базой и другими факторами, определяют различия в сроках вылупления молоди, темпах эмбрионального и личиночного развития рыб, что может быть одной из причин формирования неоднородной по размерам и физиолого-биохимическим характеристикам популяции колюшки. Об этом свидетельствуют обнаруженные у молоди колюшки из разных биотопов Белого моря, отобранной в разные летние месяцы, различия в активности ферментов энергетического и углеводного обмена. Эти различия позволяют оценить процессы образования энергии с участием аэробного синтеза АТФ, анаэробного гликолиза и уровень использования углеводов на путях образования энергии, а также при синтезе различных промежуточных соединений. Результаты, полученные для мальков в июле, указывают на адаптивные механизмы энергетического обмена к условиям обитания у разных по размерам особей. В августе при сравнении одинаковых по размерным характеристикам особей различия в уровне аэробного и анаэробного обмена, интенсивности использования углеводов были обусловлены, по-видимому, главным образом температурой и составом кормовой базы. Результаты проведённых исследований наряду с данными по липидному статусу молоди колюшки из разных биотопов (Мурзина и др., 2017) позволяют сделать заключение о том, что условия, складывающиеся в разных биотопах (нерестилищах) Белого моря, обусловливают различия в энергетическом обмене трёхиглых колюшек, что в конечном счёте направлено на их адаптацию к существенным затратам энергии на обеспечение процессов миграции, смены кормовой базы, созревания половых продуктов.
Список литературы
Дгебуадзе Ю.Ю. 2001. Экологические закономерности изменчивости роста рыб. М.: Наука, 276 с.
Демчук А.С., Иванов М.В., Иванова Т.С. и др. 2018. Питание беломорской трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus (Linnaeus, 1758) на нерестилищах // Тр. КарНЦ РАН. № 4. С. 42–58. https://doi.org/10.17076/them818
Доргам А.С., Головин П.В., Иванова Т.С. и др. 2018. Гетерогенность морфологических признаков трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus на разных этапах нереста // Там же. № 4. С. 59–73 https://doi.org/10.17076/them819
Колб В.Г., Камышников В.С. 1976. Клиническая биохимия. Минск: Беларусь, 311 с.
Кочетов Г.А. 1980. Практическое руководство по энзимологии. М.: Высш. шк., 272 с.
Мещерякова О.В., Чурова М.В., Немова Н.Н. 2013. Межвидовые, возрастные и половые различия в активности цитохром с оксидазы белых мышц рыб из водоемов Северо-Запада России // Тр. КарНЦ РАН. № 3. С. 136–143.
Мурзина С.А., Нефедова З.А., Пеккоева С.Н. и др. 2017. Вариации некоторых показателей липидного метаболизма у молоди колюшки (Gasterosteus aculeatus L.) из разных биотопов Кандалакшского залива Белого моря // Уч. зап. ПетрГУ. № 8 (169). С. 21–27.
Озернюк Н.Д. 1985. Энергетический обмен в раннем онтогенезе рыб. М.: Наука, 175 с.
Озернюк Н.Д. 2011. Адаптационные особенности энергетического метаболизма в онтогенезе рыб // Онтогенез. Т. 42. № 3. С. 235–240.
Чурова М.В., Мещерякова О.В., Немова Н.Н. 2011. Взаимосвязь активности ферментов энергетического обмена с темпами роста и размерами рыб // Уч. зап. ПетрГУ. № 4 (117). С. 31–37.
Чурова М.В., Шульгина Н.С., Немова Н.Н. 2018. Активность ферментов энергетического и углеводного обмена в органах колюшки из разных биотопов Белого моря в период нереста // Докл. РАН. Т. 482. № 1. С. 111–113 https://doi.org/10.31857/S086956520003148-5
Bradford M.M. 1976. Rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. V. 72. № 1–2. P. 248–254. https://doi.org/10.1006/abio.1976.9999
Davies R., Moyes C.D. 2007. Allometric scaling in centrarchid fish: origins of intra- and inter-specific variation in oxidative and glycolytic enzyme levels in muscle // J. Exp. Biol. V. 210. № 21. P. 3798–3804. https://doi.org/10.1242/jeb.003897
Demchuk A., Ivanov M., Ivanova T. et al. 2015. Feeding patterns in seagrass beds of three-spined stickleback Gasterosteus aculeatus juveniles at different growth stages // J. Mar. Biol. Assoc. UK. V. 95. № 8. P. 1635–1643. https://doi.org/10.1017/S0025315415000569
Drazen J.C., Seibel B.A. 2007. Depth-related trends in metabolism of benthic and benthopelagic deep-sea fishes // Limnol. Oceanogr. V. 52. № 5. P. 2306–2316. https://doi.org/10.2307/4502378
Gauthier C., Campbell P., Couture P. 2008. Physiological correlates of growth and condition in the yellow perch (Perca flavescens) // Comp. Biochem. Physiol. Part A Mol. Integr. Physiol. V. 151. № 4. P. 526–532. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2008.07.010
Goolish E.M., Adelman I.R. 1987. Tissue specific cytochrome c oxidase activity in largemouth bass: the metabolic cost of feeding and growth // Physiol. Zool. V. 60. № 4. P. 454–464. https://doi.org/10.1086/physzool.60.4.30157907
Goolish E.M. 1991. Aerobic and anaerobic scaling in fish // Biol. Rev. V. 66. № 1. P. 33–56. https://doi.org/10.1111/j.1469-185X.1991.tb01134.x
Hendry A.P., Peichel C.L., Matthews B. et al. 2013. Stickleback research: the now and the next // Evol. Ecol. Res. V. 15. P. 111–141.
Johansen K.A., Overturf K. 2006. Alterations in expression of genes associated with muscle metabolism and growth during nutritional restriction and refeeding in rainbow trout // Comp. Biochem. Physiol. Part A Mol. Integr. Physiol. V. 144. P. 119–127. https://doi.org/10.1016/j.cbpb.2006.02.001
Lajus D., Lysenko L., Kantserova N. et al. 2020. Spatial heterogeneity and temporal dynamics of protein-degrading activity and life-history traits in threespine stickleback Gasterosteus aculeatus // Int. Aquat. Res. V. 12. № 3. P. 161–170. https://doi.org/10.22034/iar.2020.1894323.1019
Rybkina E.V., Demchuk A.S., Lajus D.L. et al. 2016. Dynamics of parasite community during early ontogenesis of marine threespine stickleback, Gasterosteus aculeatus // Evol. Ecol. Res. V. 17. № 3. P. 335–354.
Rybkina E.V., Ivanova T.S., Ivanov M.V. et al. 2017. Habitat preference of three-spined stickleback juveniles in experimental conditions and in wild eelgrass // J. Mar. Biol. Assoc. UK. V. 97. № 7. P. 1437–1445. https://doi.org/10.1017/S0025315416000825
Smith L. 1955. Spectrophotometric assay of cytochrome c oxidase // Methods in Biochem. Analysis. V. 2. N.Y.; London: Intersci. Publ. P. 427–434. https://doi.org/10.1002/9780470110188.ch13
Somero G.N., Childress J.J. 1980. A violation of the metabolism-size scaling paradigm: activities of glycolytic enzymes in muscle increase in larger size fish // Physiol. Zool. V. 53. № 3. P. 322–337. https://doi.org/10.1086/physzool.53.3.30155794
Tian W.N., Braunstein L.D., Pang J. et al. 1998. Importance of glucose-6-phosphate dehydrogenase activity for cell growth // J. Biol. Chem. V. 273. № 17. P. 10609–10617. https://doi.org/10.1074/jbc.273.17.10609
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Вопросы ихтиологии