鲑科鱼类体内硫胺素组织相关性研究：生理机制与生活史权衡的生态进化意义

《Ecology and Evolution》：Physiological Mechanisms and Life History Trade-Offs in Salmonids Shape In-Tissue Correlations of an Essential Micronutrient

　　本综述创新性地构建了硫胺素（维生素B1

　　

摘要

缺乏基于适应度的微量营养素组织分配理论，阻碍了理解全球海洋和沿海生态系统中因硫胺素（维生素B₁）缺乏导致幼体大规模死亡的终极原因。本研究通过建立鲑鱼体细胞和生殖组织中硫胺素最优分配模型，探讨了组织硫胺素水平、成体死亡率、幼体补充率和随硫胺素浓度变化的排泄率之间的相关性。模型显示，在硫胺素输入受限条件下，性腺和肌肉中硫胺素水平呈正相关，且斜率随时间增加；而在高硫胺素输入情景下则呈负相关或无相关。这些预测通过对经历偶发性硫胺素缺乏的大西洋鲑种群的实证数据分析得到证实。研究强调肾脏重吸收对理解微量营养素分配策略的基础性作用，并提出测量成体生殖与体组织间微量营养素浓度相关性可作为幼体大规模死亡前的早期预警指标。

1 引言

膳食营养素组成的时空变异是生活史性状和发育模式进化的重要驱动因素。虽然生命史和觅食行为的进化主要考虑宏量营养素（如氮、磷、钠）的膳食组成背景，但维生素可用性所施加的限制却鲜受关注。B族维生素作为氨基酸、糖类、脂肪酸和核酸代谢的关键前体和辅酶，其在水生生态系统结构中的作用因消费者中偶发性维生素缺乏带来的巨大生态影响而备受争议。特别是硫胺素缺乏与种群衰退的关系，已成为北半球沿海海洋生态系统最重要的保护问题之一。

硫胺素具有多功能性，最主要作为磷酸戊糖途径和三羧酸循环等核心代谢途径的辅因子。近几十年来，包括食鱼类鱼类和海鸟在内的多个顶级消费者类群，均经历过与致死/亚致死硫胺素水平相关的幼体大规模死亡事件。这种"早期死亡"事件在特定产卵地种群中可能造成 demographic cohort gaps。在硫胺素缺乏年份，雌性虽能产生生物量意义上的后代，却无法提供足够的硫胺素储备以确保生命最初几天的生理功能和后续补充。这引发了关于雌性在缺乏微量营养素的体细胞和生殖组织间分配策略如何影响适应度的科学问题。

生物体的微量营养素平衡取决于输入和排泄水平。关于硫胺素缺乏的假说包括：食物网传递减少导致的输入中断、降解硫胺素的酶（如硫胺素酶）增加、或硫胺素作为位点特异性抗氧化剂对抗脂质过氧化时的消耗增加。鲑鱼常见猎物品中的硫胺素浓度通常被认为足以满足鱼类需求，表明食物网生产中断对顶级消费者的重要性较低。硫胺素酶和脂质过氧化假说已得到广泛研究，但关于硫胺素排泄生理机制在慢性输入中断下维持微量营养素平衡的潜在作用知之甚少。

作为水溶性有机阳离子，肾脏排泄是硫胺素损失的主要途径。缺乏允许重吸收和排泄的主动运输机制，鸟类、哺乳动物或鱼类将难以维持微量营养素稳态。硫胺素在低浓度时通过肾刷状缘膜中的高亲和力主动转运体重吸收，在高浓度时转为主动分泌，表明血浆硫胺素水平清除可能存在生理上限。因此，硫胺素向不同组织的最优分配策略必须与排泄生理过程协同考虑。

虽然硫胺素缺乏已被确定为幼体大规模死亡的直接原因，但在此威胁产生效应前实现早期检测的措施需求迫切。在硫胺素缺乏广泛记录的鲑科鱼类中，早期死亡严重程度年际变异巨大。虽然雌性硫胺素状态可提供部分信息，但在种群内和生命周期沿程变化显著。为最大化适应度，受硫胺素输入限制的雌性预期会修改缺乏微量营养素向体细胞和生殖组织的分配策略，以优化成体存活、后代补充并减少排泄导致的硫胺素损失。这种管理微量营养素平衡策略的改变，可能反映在高/低硫胺素输入种群间组织硫胺素浓度的差异中，从而为即将发生的大规模死亡事件提供有价值的指示器。

2 材料与方法

2.1 模型

2.1.1 框架

模型考察雌鱼硫胺素在肌肉和性腺间的分配策略。组织质量的时间变化和繁殖时间参数化模拟海洋顶级消费者大西洋鲑的生活史，同时亦模拟了半生性生命史。通过设定不同硫胺素输入水平模拟可用性情景，肌肉和性腺中的硫胺素以浓度依赖性速率排泄。分配至肌肉提高成体存活概率，分配至性腺增加后代补充概率。硫胺素水平依赖的存活和补充比例采用代表生化反应速率基本特征的异速生长函数建模。模型主要输出为组织硫胺素水平相关性的时间趋势。

2.1.2 生活史

模型基于鲑科鱼类生活史，幼体从上游河流洄游至海洋摄食场生长数年后进入产卵场。模拟雌鱼首次产卵前1年开始的生命史，为简化假设在1天内产卵。主要考虑多次繁殖的迭代生殖策略，同时模拟产后死亡的半生性策略。雌鱼身体由运动组织（肌肉）、生殖组织（性腺）和血液组成，组织生长速率参数化基于大西洋鲑和其他鱼类的体重、血容量和性腺体指数时序变化数据。为简化，假设组织生长速率与硫胺素输入水平无关。

2.1.3 后代补充、成体死亡与生殖模式

产卵时性腺硫胺素浓度c_g决定后代补充概率r，肌肉硫胺素水平c_m设定成体日存活概率p。在迭代生殖情景中，产后洄游存活概率p_f由浓度依赖性函数决定。基准存活概率p₀和p_x的设置允许肌肉水平极低的雌鱼有0.001几率存活1年，而肌肉水平达c_x的雌鱼此几率为0.25。

2.1.4 硫胺素输入与排泄

硫胺素状态是贡献于总输入（消耗、肠道微生物生产、消化、吸收、作为抗氧化剂消耗的潜在损失）和依赖于组织内浓度的损失速率（肾脏排泄、分解）的多过程平衡结果。为简化，模拟输入和损失速率而非所有组分过程的确切速率。硫胺素输入——模拟情景中净硫胺素可用性的主要特征——通过平均血硫胺素浓度c_b在2-6 nmol/g范围内设定。为反映输入随机变异，c_b根据呈类正态分布的beta分布随机波动±2 nmol/g。

模型主要硫胺素损失机制为排泄，低血浆浓度时主动重吸收，高浓度时主动分泌。随着浓度增加，重吸收和分泌的转运能力递减。因此在低硫胺素浓度时，血浆水平增加导致损失速率加速，而在高水平时浓度增加导致损失速率减速。硫胺素损失速率k用S型函数建模，形状由参数b决定。组织特异性损失k_g（性腺）或k_m（肌肉）的最大质量特异性排泄速率k_x分别设为0.5和0.35 nmol/g/d，即肌肉TDP水平损失速率比性腺游离硫胺素慢70%。

2.1.5 适应度优化与正向模拟

模型考虑通过优化第i年第d天血液游离硫胺素池c_bw_b分配至性腺或肌肉（TDP形式）的比例α(d,i)来演化硫胺素分配。性腺游离硫胺素浓度日变化由分配至性腺的部分减去性腺损失决定，肌肉浓度日变化由分配至肌肉的部分（经转化效率q_m调整）减去肌肉损失决定。第i年预期后代产量R_i由产卵日性腺浓度与性腺质量及累积存活概率的乘积决定。模型适应度近似为预期终生后代产量V，采用逆向优化求解最大适应度对应的最优硫胺素分配策略α，随后模拟N=1000雌鱼种群遵循状态依赖性最优策略的动态，利用种群数据计算组织硫胺素水平相关性。

2.2 实证数据

将模型预测与波罗的海和北大西洋采样鲑鱼肌肉和性腺硫胺素浓度相关性实证分析结果对比。特别地，采样海洋摄食期在波罗的海和北大西洋的大西洋鲑，研究两个不同系统中运动组织（肌肉）和生殖组织（性腺）的硫胺素分配。虽然挪威和瑞典西海岸河流的北大西洋种群无硫胺素缺乏记录，但波罗的海鲑鱼种群定期出现缺乏期。采样在波罗的海南部（主要摄食区）、河口、溯河后上游以及同期产卵期间进行，硫胺素定量采用改进的HPLC方法。河流内浓度相似使得估计值按系统合并，组织间相关性采用Spearman等级检验。

3 结果

维生素分配至肌肉和性腺的策略取决于设定的硫胺素输入、浓度依赖性损失速率以及成体存活和后代补充概率。低硫胺素输入时，肌肉和性腺浓度低于高输入情景。产卵前，模型雌鱼将可用硫胺素分配至肌肉，并逐渐转向性腺分配，产前几周完成全部可用硫胺素向性腺的分配切换。由于日输入随机变异，雌鱼间组织硫胺素水平存在差异，用于分析性腺和肌肉水平相关性。向性腺分配量的逐渐增加导致低硫胺素输入时性腺和肌肉硫胺素水平正相关，高输入情景下则呈负相关。在产前两月禁食情景中观察到相同模式，尽管此情景下性腺硫胺素浓度在禁食期下降。

硫胺素性腺和肌肉水平间的相关性仅在重吸收和分泌机制涉及的损失速率随浓度非线性变化时出现。损失速率随浓度线性增加时，由于向性腺分配的快速转换而无相关性。低硫胺素输入时，肌肉水平相对较低，硫胺素输入成为存活和补充的限制因子，仅能维持低肌肉水平，肌肉硫胺素状态高于平均的个体会通过分配更多可用硫胺素至性腺来最小化总损失。高输入情景下肌肉水平非常高，个体肌肉水平越高，分配至肌肉带来的损失速率增加越小，高肌肉水平个体可以较低损失成本增加存活或以补充概率为代价分配至性腺减少损失。因此高输入时性腺浓度与肌肉含量负相关。高输入时性腺分配在性腺较大时（即季节后期）开始，与低输入情景相比更晚。

减少排泄损失的分配选择取决于适应度组分的浓度依赖性缩放。成体存活随肌肉浓度变化程度越强，导致产前短期内从肌肉向性腺分配的快速转换而无相关性。后代补充随性腺水平增加越强，由硫胺素分配从肌肉向性腺逐渐转换引起的相关性越明显。类似地，在半生性生殖模型中，当后代补充而非成体存活随组织水平强烈增加时，低输入情景出现性腺和肌肉硫胺素正相关。高和中输入时，半生性雌鱼突然转换分配导致无相关性。

波罗的海鲑鱼（经历多次早期死亡和硫胺素缺乏事件的种群）实证数据分析显示性腺和肌肉硫胺素水平正相关，而北大西洋采样雌鱼无此模式。波罗的海鲑鱼正相关性斜率随生活阶段增加的趋势，以及北大西洋种群缺乏相关性支持，与模型预测一致（硫胺素损失仅由主动重吸收和被动运输机制决定）。

4 讨论

本研究通过建模关键代谢微量营养素分配策略的进化，揭示了性腺和肌肉维生素水平间相关性的潜在机制。模型基于生活史权衡和微量营养素损失生理机制的结合，表明性腺和肌肉硫胺素水平正相关是雌鱼受硫胺素输入限制的指示器。此预测与大西洋鲑种群硫胺素组织水平的实证分析一致。波罗的海雌鱼发现正相关性斜率随产卵季节增加，而北大西洋雌鱼无此模式，与仅波罗的海种群检测到硫胺素缺乏史相符。

低硫胺素输入时的正相关性仅在重吸收影响损失速率时出现。有机离子的主动重吸收对维持所有脊椎动物生理稳态至关重要。硫胺素重吸收机制在哺乳动物中已明确，但鱼类中尚未研究。正相关在低输入时出现，无论主动分泌是否贡献总损失速率。低输入时肌肉水平低至中等，进一步分配至肌肉不仅增加存活且损失速率加速增长，分配至性腺在此情况下减少损失速率。高输入情景下肌肉水平较高，此高水平下的损失速率同样取决于排泄由主动分泌主导还是仅被动运输。主动分泌模型（即高水平时损失速率增长减缓）中，分配至性腺可减少损失速率但降低存活，分配至肌肉减缓排泄增长并提供更高成体存活的适应度收益。因此高于平均硫胺素状态的雌鱼更大比例分配硫胺素至肌肉，导致性腺和肌肉水平负相关。但若损失速率仅由被动运输决定（即损失速率随浓度线性增加），则负相关消失。实证分析未显示性腺和肌肉硫胺素水平负相关，可能由于自然条件下硫胺素水平过低致使主动分泌不是排泄速率的主要决定因素。

模型中，通过早期向性腺填充硫胺素以最小化损失的策略，仅在成体存活不随肌肉水平降低而急剧下降时最优。肌肉水平降低对预期寿命产生级联负效应，因为日存活概率相乘。这可能源于维持肌肉水平相对较高的强选择压力，仅当早期分配至性腺显著减少硫胺素损失时才能抵消。与此一致，在半生性生活史中，肌肉水平仅决定当前繁殖季节的繁殖产出，通过早期逐渐转换分配至性腺以最小化损失的趋势相对较弱，仅在低输入和补充随性腺水平强烈缩放时检测到。

尽管硫胺素缺乏对野生生物影响显著，但对大规模幼体死亡终极驱动力的理解和抵消负面效应的能力仍有限。受硫胺素缺乏导致早期死亡影响的旗舰顶级消费者研究表明，雌鱼硫胺素状态在种群内和生命周期沿程变化显著。检测运动组织和生殖组织水平间的正相关性，可作为限制硫胺素可用性的补充标志，减少随机变异性影响。本研究为简化或保持模型结果普适性作出多项假设。例如许多鲑科鱼类产前数周或数月停止摄食，这些物种产前性腺扩大时性腺硫胺素水平下降。本研究测试了含/不含产前禁食的情景，但组织硫胺素水平随时间下降仅在雌鱼产前不觅食情景中检测到。主要结论对假设的产前禁食不变。类似地，虽模拟迭代生殖策略，但亦考虑鲑科鱼类的半生性生活史。组织硫胺素浓度正相关在鲑科鱼类采用的两种生活史类型中均是有限硫胺素输入的指示器。正相关性在雌鱼肌肉质量不变情景（对应成熟后不再生长的资本繁殖者生活史）中也是低输入指示器。但尚不清楚本研究结论是否适用于收入繁殖者（依赖同期摄食支持繁殖的类群），因为资本和收入繁殖者通常面临当前与未来繁殖权衡性质不同，这是本研究结果的关键驱动因素。

宏量营养素可用性时空变异的作用在生活史进化中已获认可，并构成理解该系统的重要进展。关于微量营养素可用性如何塑造生活史的问题罕有探讨，现有理论处理分配至竞争需求的"资源"。本研究表明，适应度最大化的最优分配框架可用于将经典生活史权衡转化为有限微量营养素最优分配的困境。由于已报道的顶级消费者神经信号传递、生长和存活中缺乏相关功能障碍，存在对必需微量营养素可用性限制的选择压力预期。但微量营养素分配的重要特征可能导致本研究结论与基于最优资源分配的现有生活史进化理论分野。资源分配模型中，食物获取速率常假设随分配策略变化，常是这些模型预测的关键。为简化，假设微量营养素输入不随分配策略变化，也不随肌肉浓度变化。此假设不仅为简化，亦可能反映生态系统硫胺素缺乏的基本属性：低微量营养素可用性常被认为是环境的普遍特征。低可用性可能源于硫胺素在每营养级损失的低效食物网、食物资源中硫胺素绝对量低、相对于其他营养素的低含量、胃肠道降解导致的低吸收、或脂质代谢期间维生素降解的高损失。所提框架为研究宏量营养素可用性空间变异环境下微量营养素分配策略提供了平台，可扩展至研究通过饮食选择改善硫胺素摄入的行为选择、TDP作为抗氧化剂预防氧化应激的作用等其他因素。这些研究方向新颖，可能为探寻微量营养素限制驱动因素和理解全球沿海和海洋生态系统偶发性硫胺素缺乏原因提供期待已久的突破。