两栖类能量代谢在遗传变异与环境适应性研究中的应用

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通常我们认为动物的基础代谢率（BMR）、标准代谢率 (SMR)和静息代谢率（RMR）等能量代谢参数是相对稳定且可重复的。但是因为代谢率的重复性随着连续测量之间的间隔的变长而逐渐降低，所以对长寿命的生物种群而言得出这种“可重复性”的结论可能为之尚早。 蝾螈的生命周期通常在十年左右，为了在更大的时间尺度上探究高原蝾螈静息代谢率的重复性以及其亲代与子代之间的遗传关系，捷克的科研人员利用SSI动物呼吸代谢测量系统对高原蝾螈进行了长达5年的持续跟踪观察。 实验数据表明蝾螈亲本和后代RMR之间没有高度的相似性，反而家庭内部不同后代间的RMR具有一定的相似性，这表明该特征具有广义遗传性。幼体短期RMR可重复性评估表明蝾螈幼体RMR受固定因素“体重”的显著影响，并不受“测量月份”的影响，但是随着时间的推迟，种群内个体间的差异逐步拉大。而且经过体重校正的RMR多年来保持稳定，这表明生长的能量成本对蝾螈RMR的变化影响很小，因此个体发育的差异才是导致变温动物种群内RMR高变异的重要因素。考虑到整个观察试验过程中需要为高山蝾螈提供“适宜”的生存环境，而自然条件下环境因素的变化更为剧烈，因此自然群体中这种能量代谢的遗传力会被进一步削弱。总而言之，本研究的结果首次提供了关于长寿变温动物——尤其是有尾两栖动物中，RMR的长期可重复性和遗传性的信息。与非长寿物种相比，蝾螈的RMR重复性相当低，仅具有一定的广义RMR遗传力。美国University of Miami生物系同样利用SSI动物呼吸代谢测量系统对两栖纲、有尾目的娃娃鱼幼体进行了跟踪观察，并对其呼吸表面积失水(RSAWL)和标准代谢率(SMR)进行能量代谢分析。 对所有物种进行建模时，纬度与呼吸表面积失水率（RSAWL）平均残差值呈弱正相关，并且不同研究种群之间存在显着差异。例如，A.annulatum在研究物种中的分布范围最小，这种有限的分布可能是由于与其他研究物种相比生理耐受性范围更窄。A.talpoideum中相对较低的RSAWL和较高的标准代谢率（SMR）允许该物种具有更广泛的地理分布，使其种群可以延伸到大西洋和墨西哥湾沿岸平原的更多干旱生境中。相比之下，A.opacum是唯一一种在陆地上产卵并展示亲代卵保护行为的研究物种。鉴于这种昂贵的繁殖策略，与其他娃娃鱼种群相比A.opacum具有更有效地保存能量和水的能力。整个研究中RSAWL在不同物种和种群水平下的差异与SMR中观察到的差异并不一致，这表明对于娃娃鱼这种双相两栖动物，不同的生理特征可能处于不同的选择机制之下。这个研究模型很好地支持了娃娃鱼不同物种的幼体之间SMR和RSAWL存在差异，这些差异可能与特定物种的地理分布或生活史相关。 研究中使用的SSI动物呼吸代谢测量系统包括：1.FOXBOX / FMS呼吸测量仪，可以做到准确的O2、CO2、H2O（FMS实配）等呼吸相关气体测量，主要气体测量模块便携式集成设计，可满足野外使用环境；2.RM-8 & FB-8多通道气流控制系统，可同时对多个实验对象进行自动化测量，满足多实验对象的高通量、自动化需求；3.定制化呼吸室，可根据不同实验对象选择合适的呼吸室/代谢笼，满足不同动物的代谢测量；除此之外，还可以根据具体需求做更多的拓展，比如：1.选配水体O2监测模块，针对全水体生存期（部分两栖动物幼体），使实验数据更全面；2.选配动物活动检测模块，实时监测实验动物的活动状态，使实验数据更具针对性；3.选配生理监测（体温、心率等）模块，提供更立体的实验结果等； 1. Baškiera, Senka, and Lumír Gvoždík. "Repeatability and heritability of resting metabolic rate in a long-lived amphibian." Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology 253 (2021): 110858.2. Messerman, Arianne F., and Manuel Leal. "Inter-and intraspecific variation in juvenile metabolism and water loss among five biphasic amphibian species." Oecologia 194.3 (2020): 371-382.3. Messerman, Arianne F., and Manuel Leal. "The contributions of individual traits to survival among terrestrial juvenile pond‐breeding salamanders." Functional Ecology 36.3 (2022): 516-525.  北京易科泰生态技术有限公司与美国Sable等国际知名能量代谢测量技术公司合作，为国内生物医学、运动医学、环境医学研究提供全面能量代谢研究技术方案和能量代谢实验室方案：1)  大鼠、小鼠等实验动物能量代谢测量技术2)  灵长类能量代谢测量技术3)  果蝇能量代谢测量技术4)  斑马鱼能量代谢测量技术5)  人体能量代谢测量技术6)  动物活动与生理指标（体温、心率等）监测技术7)  测量参数包括：氧气消耗量（VO2）、二氧化碳产量（VCO2）、呼吸交换速率（RER）、能耗（EE，包括REE、AEE、TEE等）、热传导速率（Ct）、日代谢率（DEE）、最大代谢率（MRmax）、呼吸水分丧失（EWL）、能耗效率、EWL/RMR(表示肺的氧气摄取能力)等。EcoTeche易科泰生态技术生态-农业-健康 北京易科泰生态技术有限公司 Beijing Ecotech Science and Technology Ltd. 两栖类能量代谢在遗传变异与环境适应性研究中的应用 关键 词 ：两栖动物、能量代 谢 、标准代谢率 (SMR)、静息代谢率(RMR)、呼吸失 水 率(RSAWL)、广 义遗传力 通常我们认为动物的基础代谢率(BMR)、标准代谢率 (SMR)和静息代谢率 (RMR)等能量代谢 参数是相对稳定且可重复的。但是因为代谢率的重复性随着连续测量之间的间隔的变长而逐渐降低，所 以对长寿命的生物种群而言得出这种“可重复性”的结论可能为之尚早。 用于重复性和遗传力计算的代谢率测 量 时间表 嵘螈的生命周期通常在十年左右，为了在更大的时间尺度上探究高原蝶螈静息代谢率的重复性以及 其亲代与子代之间的遗传关系，捷克的科研人员利用 SSI 动物呼吸代谢测量系统对高原蝶螈进行了长达 5年的持续跟踪观察。 北京市海淀区高里掌路翠湖云中心3号院6号楼1单元101B，邮编：100095 EcoTeche 易科泰生态技术 生 态-农 业-健 康 北京易科泰生态技术有限公司 Beijing Ecotech Science and Technology Ltd. 已 高山蝶螈静息代谢率残 差 值的时间重复性和遗传力 差 异 实验数据表明蝶螈亲本和后代 RMR 之间没有高度的相似性，反而家庭内部不同后代间的 RMR 具 有 一 定的相似性，这表明该特征具有广义遗传性。幼体短期 RMR 可重复性评估表明蝶螈幼体 RMR受 固定因素“体重”的显著影响，并不受“测量月份”的影响，但是随着时间的推迟，种群内个体间的差 异逐步拉大。而且经过体重校正的 RMR 多年来保持稳定，这表明生长的能量成本对蝶螈 RMR 的变化 影响很小，因此个体发育的差异才是导致变温动物种群内 RMR 高变异的重要因素。考虑到整个观察试 验过程中需要为高山蝶螈提供“适宜”的生存环境，而自然条件下环境因素的变化更为剧烈，因此自然 群体中这种能 量 代谢的遗传力会被进一步削弱。总而言之，本研究的结果首次提供了关于长寿变温动物 ――尤其是有尾两栖动物中， RMR 的长期可重复性和遗传性的信息。与非长寿物种相比，嵘螈的RMR 重复性相当低，仅具有 一 定的广义RMR 遗传力。 美国 University of Miami 生物系同样利用 SSI 动物呼吸代谢测量系统对两栖纲、有尾目的娃娃鱼幼 体进行了跟踪观察，并对其呼吸表面积失水(RSAWL)和标准代谢率(SMR)进行能量代谢分析。 图A：不同物种幼体的质 量 特异性标准代谢率(SMR)差 异；图B：纬度与娃娃鱼幼体平均呼吸表面积失水 量 (RSAWL)之间 的关系；图C：娃娃鱼幼体RSAWL 与主成分(PC1：代表个体娃娃鱼的身体大小和形状)坐标之间的关系；图D：娃娃鱼 北京易科泰生态技术有限公司 Beijing Ecotech Science and Technology Ltd. 幼体 RSAWL 与 SMR 之间的关系。 对所有物种进行建模时，纬度与呼吸表面积失水率(RSAWL)平均残差值呈弱正相关，并且不同研 究种群之间存在显着差异。例如， A.annulatum 在研究物种中的分布范围最小，这种有限的分布可能是由 于与其他研究物种相比生理耐受性范围更窄。A.talpoideum 中相对较低的 RSAWL 和较高的标准代谢率 (SMR)允许该物种具有更广泛的地理分布，使其种群可以延伸到大西洋和墨西哥湾沿岸平原的更多干 旱生境中。相比之下， A.opacum 是唯 一一 种在陆地上产卵并展示亲代卵保护行为的研究物种。鉴于这种 昂贵的繁殖策略，与其他娃娃鱼种群相比 A.opacum 具有更有效地保存能量和水的能力。 整个研究中 RSAWL 在不同物种和种群水平下的差异与 SMR 中观察到的差异并不 一 致，这表明对 于娃娃鱼这种双相两栖动物，不同的生理特征可能处于不同的选择机制之下。这个研究模型很好地支持 了娃娃鱼不同物种的幼体之间 SMR 和RSAWL 存在差异，这些差异可能与特定物种的地理分布或生活 史相关。 研究中使用的 SSI 动物呼吸代谢测量系统包括： a) FOXBOX/FMS呼吸测量仪，可以做到准确的02、CO2、H2O (FMS实配)等呼吸相关气体测量，主要 气体测量模块便携式集成设计，可满足野外使用环境； b) RM-8&FB-8多通道气流控制系统，可同时对多个实验对象进行自动化测量，满足多实验对象的高通量、自动化需求； c) 定制化呼吸室，可根据不同实验对象选择合适的呼吸室/代谢笼，满足不同动物的代谢测量； 除此之外，还可以根据具体需求做更多的拓展，比如： 1)选配水体02监测模块，针对全水体生存期(部分两栖动物幼体)，使实验数据更全面； 2))选配动物活动检测模块，实时监测实验动物的活动状态，使实验数据更具针对性； 3)选配生理监测(体温、心率等)模块，提供更立体的实验结果等； 1. Baskiera， Senka， and Lumir Gvozdik. "Repeatability and heritability of rest i ng metabolic rate i n a long-lived amphibian."Comparative Biochemistry and Physiology Part A： Molecular & Integrative Physiology 253 (2021)： 110858. 2 Messerman， Arianne F.， and Manuel Leal. "Inter-and i ntraspeci f ic var i ation i n juvenile metabol i sm and water loss among five biphas i c amphibian species." Oecologia 194.3 (2020)：371-382. 3. Messerman， Arianne F.， and Manuel Leal. "The contributions of individua l t raits to survival among terrestria l juvenile pond breeding salamanders." Functional Ecology 36.3 (2022)：516-525. 北京市海淀区高里掌路翠湖云中心3号院6号楼1单元101B，邮编：100095www.eco-tech.com.cn Tel.： +86 10 82611269/1572Emai l： sa l es@eco-t ech .com.cn support@eco-tech.com.cn 北京易科泰生态技术有限公司 Beijing Ecotech Science and Technology Ltd. 北京易科泰 生 态技术有限公司与 美 国 Sable 等国际知名能 量 代谢测量技术 公 司 合 作，为国内生物医学 、运动医学、环境医学研究提供全 面 能 量 代谢 研 究技术方案 和 能量代谢实验室 方 案 ： 1) 大鼠、小鼠 等实 验 动 物能量代谢测量技术 2) 灵长类能量代谢测量技术 3) 果蝇能量代谢 测 量技术 4) 斑马鱼能量代谢测量技 术 5) 人体能量代谢测量技术 6) 动物活动与 生 理指标(体温、心率等)监测技术 7) 测量参数包括：氧气消耗量(VO 2)、二氧化碳产量(V CO 2)、呼吸交换速率(R E R )、能耗(EE ，包括 R EE 、A E E 、T E E 等)、热 传导速率(C t )、日代谢率(DE E)、最大代谢率(M Rm a x)、呼吸水分丧失(EW L )、能耗效率、E W L/RM R (表示肺的氧气摄取能力 )等。