代谢异速生长理论及其在微生物生态学领域的应用

新陈代谢是生物的基本生理过程,影响生物在不同环境中参与物质循环和能量转化的过程.代谢速率作为生物体重要的生命过程指标,几乎影响所有的生物活性速率,且在很多研究中均表现出异速生长现象.所谓代谢异速是指生物体代谢速率与其个体大小(或质量)之间存在的幂函数关系.代谢异速生长理论的提出,从机制模型角度解释了代谢异速关系这一普遍存在的生命现象.该理论利用分形几何学及流体动力学等原理,从生物能量学角度阐释了异速生长规律的机理,证实了3/4权度指数的存在;但同时有研究表明,权度指数因环境因素等影响处于2/3-1范围之间而非定值.随着研究工作的深入,代谢异速生长理论研究从起初的宏观动植物领域拓展到了微生物领域,在研究微生物的代谢异速生长理论时,可将微生物的可操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)或具有特定功能的功能群视为一个微生物个体,基于其遗传多样性和功能多样性特征进行表征,以便于将微生物群落多样性与其生态功能性联系起来,使该理论在微生物生态学领域得到有效的补充和完善.尽管细菌具有独特的生物学特性,但与宏观生物系统中观测到的现象表现出明显的一致性.有研究表明,3个农田土壤细菌基于遗传多样性的OTU数的平均周转率分别为0.71、0.80和0.84,介于2/3与1之间,可能与生物代谢异速指数有一定关联,为微生物代谢异速指数的研究提出了一个参考解决方案.鉴于微生物个体特征和生物学特性,在分析代谢速率与个体大小关系中,从微生物单位个体的定义、个体大小表征到计量单位的统一,仍需更多的理论支持.分析了代谢异速生长理论在微生物与生态系统功能关系研究中的可能应用,延伸了该理论的应用范围,并对尚待加强的研究问题进行了评述和展望.     

代谢速率调控物种丰富度格局的研究进展

提出生物多样性分布格局的普适性理论和探索其内在形成机制一直是生态学家们研究的焦点之一.到目前为止,已有很多假说被用来解释生物多样性分布规律,但是这些假说的普适性均受到学者们的质疑.最新理论--代谢速率假说以能量相当法则和代谢分形分配网络模型为基础,定量预测了个体及种群生态进化动态过程与群落生物多样性分布格局之间的关系,以及物种丰富度和环境因子之间的关系.代谢速率假说解释了生物多样性的起源问题,也回答了生物多样性如何维持的问题.该文重点综述了代谢生物多样性理论的发展及其相关研究进展.通过和其他假说比较、分析,我们认为随着代谢理论假说的不断发展和完善,代谢生物多样性理论将更具有普适性.同时我们也提出了进一步完善该假说需要解决的一些科学问题.     

植物代谢速率与个体生物量关系研究进展

植物的各项生理生态功能（例如,呼吸、生长和繁殖）都与个体生物量成异速生长关系。West, Brown及Enquist基于分形网络结构理论所提出的WBE模型认为：植物的代谢（呼吸）速率正比于个体生物量的3/4次幂。然而,恒定的“3/4异速生长指数”与实测数据、植物生理生态学等研究之间存在矛盾,引发激烈的争论。论文分析了不同回归方法对代谢指数的影响,重点对植物代谢速率与个体生物量异速生长关系研究进展进行了综述,分析并得出了植物代谢指数在小个体时接近1.0,并随着生物量的增加而系统减小,且其密切依赖于氮含量的调控的结论。据此,提出了进一步深入研究植物代谢速率个体生物量关系需要解决的一些科学问题。     

社群等级对金乌贼行为表型及能量代谢的影响

采用实验生态学方法,在室内水槽条件下研究了金乌贼(Sepia esculenta Hoyle,1885)繁殖过程中社群等级的形成对其行为表型和能量代谢的影响,分析测定了不同优势等级雌雄个体腕部肌肉和性腺组织中己糖激酶(Hexokinase, HK)、丙酮酸激酶(Pyruvate kinase, PK)、乳酸脱氢酶(Lactate dehydrogenase, LDH)、苹果酸脱氢酶(Malate dehydrogenase, MDH)、柠檬酸合酶(Citrate synthetase, CS)活性以及乳酸(Lactic acid, LD)含量。结果显示:(1)金乌贼繁殖期不同优势等级雌雄个体之间行为表型具有显著差异,优势雄性个体游动悬浮、争斗时间显著高于劣势个体,而优势雌性个体静止伏底时间高于劣势个体,游动悬浮时间低于劣势雌性;(2)优势雄性个体在争斗过程中主要通过无氧代谢提供能量,而处于游动悬浮状态时通过有氧代谢提供能量。主要表现在优势雄性个体肌肉中无氧代谢酶(PK、HK、LDH)活性显著高于劣势个体(P0.05),有氧代谢酶(MDH、CS)活性也显著高于劣势个体,雌性个体之间则差异不显著(P0.05);(3)繁殖期雌性个体通过减少运动量来储存能量用于产卵繁殖,主要表现在优势雌性个体肌肉中有氧代谢酶(MDH、CS)活性低于劣势个体,而在性腺中恰恰相反;(4)运动表型与能量代谢之间存在显著相关性,表现在游动悬浮时间与有氧代谢酶(MDH、CS)活性呈显著正相关(P0.001),争斗时间与无氧代谢酶(PK、HK、LDH)及乳酸(LD)含量呈显著正相关(P0.05)。结果表明,社群等级高的雄性个体运动能力强,具有较高的生存适应性。而社群等级高的雌性个体多处于静止状态,以便更好地储存能量用于繁殖。研究结果为金乌贼健康苗种培育以及规模化繁殖技术优化提供了理论依据。     

浮游生物异速生长关系研究进展

生物个体的生物学特征(新陈代谢速率等)与个体大小(体积和生物量等)的依赖性关系称为异速生长关系, 这种关系经过尺度转换之后, 还影响着种群、群落和生态系统等。海洋环境较为复杂, 浮游生物的代谢速率不仅受到个体大小影响, 同时光照、温度和营养物质也是重要的影响因素, 因此3/4 规律只有在理想环境状况下才能实现。对于大多数浮游生物来讲, 其尺度因子并非单一的, 存在着多元尺度指数。由于单一和多元尺度指数都忽略了环境温度的影响, 生态学代谢理论在考虑个体大小的基础上, 加上温度这个参数后能够解释不同层次的生态学过程。在综述了异速生长关系发展历史的基础上, 着重探讨了该关系在浮游生物中的研究进展。     

细胞色素P450药物代谢酶系表观遗传调控机制研究进展

细胞色素P450药物代谢酶基因多态性已被公认是导致临床上个体间药物反应差异的重要原因,然而这一理论无法完全解释个体间某些P450酶亚型的基因型和表型不一致的现象。表观遗传学调控因素为解决上述问题提供了新的思路和方法。本文综述了DNA甲基化,组蛋白修饰,miRNA的调节等表观遗传机制对P450药物代谢酶基因表达影响的研究进展。关于这方面的研究将为揭示个体间P450酶差异性表达的实质提供新的视角,并有望为指导临床个体化用药提供更充分的依据。     

光照对蟋蟀Gryllus varius(Orthoptera:Gryllidae)的若虫活动、发育及新陈代谢的影响(英文)

【目的】测试光照对蟋蟀Gryllus varius(Orthoptera:Gryllidae)行为和发育的调节,包括对活动水平、发育时间、体长以及饮食的影响。【方法】通过摄像机监控蟋蟀若虫的行为活动进行观察并对其行为进行分析研究。【结果】与长光照(16L︰8D)相比,在短光照(12L︰12D)下,蟋蟀若虫发育时间长,个体大,但是活动和排泄物都比较少。结果表明,在长光照下,若虫的代谢速率快。两种不同光照的影响结果差异性显著。此外,研究结果表明体型较大的生物存活时间长,但是代谢速率慢并且活动水平低。【结论】光周期显著影响蟋蟀若虫的发育。活动水平、发育时间、个体大小和代谢速率之间存在着一定的联系,体型较大的个体存活时间长,但是代谢速率慢并且活动水平低;反之,体型小的个体存活时间短,代谢速率快并且活动水平高。     

植物亲缘识别的研究进展

植物的亲缘识别(kin recognition)指植物通过识别周边个体与自己的亲缘关系, 调整自身的生长生态策略、促进亲缘个体的生存与繁衍。研究表明, 植物主要通过特定的叶片挥发物、根系分泌物、感光载体等途径, 识别周边个体与自己的亲缘关系, 改变自身形态学策略(如根系大小、根冠比、种子数量等)或者生理代谢策略(次生代谢物质、防御蛋白等), 调整与周边个体的竞争强度, 缓和与近亲缘个体之间的竞争, 加强与远亲缘或非亲缘个体的竞争。同时亲缘识别的强度也受环境因子(养分等)的影响。结合目前的研究进展, 该文分析了导致亲缘识别的研究结果存在差异或争议的主要原因, 认为主要与实验材料的选择、亲缘关系的界定标准、环境条件及测定的指标不统一有关。将来的研究应重点从生理生化、分子、代谢水平上深入研究植物亲缘识别的机理。     

雌雄罗氏沼虾应对低氧胁迫的行为生理响应

为查明雌雄罗氏沼虾应对低氧胁迫的行为生理响应,设置6.46(对照)、4.48和3.27 mg·L^-13种溶解氧水平,研究了雌、雄个体在胁迫6 d后肝胰脏和肌肉能量代谢酶活性及游泳和弹跳速度。结果表明: 溶解氧从6.46 mg·L^-1降至4.48 mg·L^-1,雌雄个体肌肉有氧代谢酶活性及游泳速度均显著下降,且雄性下降幅度小于雌性,厌氧代谢酶活性并无显著变化;溶解氧继续降至3.27 mg·L^-1,雌雄个体肌肉有氧代谢酶和厌氧代谢酶活性均显著下降,肝胰脏厌氧代谢酶中的乳酸脱氢酶(LDH)活性及弹跳速度显著下降,且雌性肝胰脏LDH活性下降幅度小于雄性。雌雄罗氏沼虾游泳速度与游泳足肌肉有氧代谢酶活性呈显著正相关,弹跳速度则与腹部肌肉厌氧代谢酶活性呈显著正相关。表明罗氏沼虾可以通过降低能量代谢水平应对低氧胁迫,但这种生理调节会导致运动能力下降,雄性优先将能量分配于肌肉以满足运动,雌性则优先保障肝胰脏能量供应。     

环境类型和代谢表型对中华倒刺鲃群体行为的影响

鱼类个体因社会原因而聚集成群现象称作为鱼类群体行为,受到多种因素（如环境类型和能量代谢等）的影响。为考察代谢表型和环境类型对我国长江上游鲤科鱼类群体行为的影响,本研究以喜集群的中华倒刺鲃（Spinibarbus sinensis）为实验对象,在（26.1±0.1）℃水温条件下对该种鱼进行4种代谢表型[低标准代谢率/低代谢空间（低SMR/低AS）、低标准代谢率/高代谢空间（低SMR/高AS）、高标准代谢率/低代谢空间（高SMR/低AS）、高标准代谢率/高代谢空间（高SMR/高AS）]的分型并且在不同生态环境（无食物隐蔽场所、食物、食物隐蔽场所）条件下拍摄实验鱼的群体行为。结果发现：（1）中华倒刺鲃群体中的个体空间位置不受环境类型和代谢表型的影响;（2）中华倒刺鲃在空白环境（无食物隐蔽场所）和食物环境中的个体（群体）游泳速度和移动距离低于食物隐蔽场所环境,但前两种环境的个体游泳速度同步性高于食物隐蔽场所环境。（3）低SMR/低AS表型的个体空间位置的变异系数显著低于其它3种代谢表型;高SMR/高AS表型的最近邻距离以及与群体中间距离均大于低SMR/高AS和低SMR/低AS的两种代谢表型。然而,每种代谢表型在不同环境之间的最近邻距离均无差异。研究表明：虽然中华倒刺鲃群体中的个体空间位置不受环境类型和代谢表型影响,但不同代谢表型间的最近邻距离存在显著差异,暗示个体间的相互吸引力具有代谢表型依赖性;环境复杂性的增加可能不影响中华倒刺鲃的群体协调性。