近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室研究員黃暉團隊聯(lián)合南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)、香港科技大學(xué)和阿卜杜拉國王科技大學(xué)揭示了珊瑚應(yīng)對氣候變暖的馴化適應(yīng)及其生理和分子機制，相關(guān)研究成果以“Rapid shifts in thermal reaction norms and tolerance of brooded coral larvae following parental thermal acclimation”為題，于12月18日在線發(fā)表于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Molecular Ecology（《分子生態(tài)學(xué)》）。
氣候變化引發(fā)的海水異常高溫是全球造礁石珊瑚和珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)面臨的首要威脅，因此有關(guān)石珊瑚對高溫的適應(yīng)潛力是全球珊瑚礁研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c。目前學(xué)界普遍認為石珊瑚的遺傳適應(yīng)速度不能跟上氣候變化的速度，但逐步有研究發(fā)現(xiàn)珊瑚經(jīng)高溫馴化后其熱耐受能力明顯提高，這一表型可塑性也是幫助珊瑚應(yīng)對氣候變化的重要機制。然而，尚不清楚珊瑚親本高溫馴化是否可以改變其子代的表型和熱耐受能力。
研究團隊以孵幼型的鹿角杯形珊瑚為模式研究了親本高溫馴化對子代幼蟲熱耐受能力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)珊瑚親本經(jīng)過近一個月的高溫馴化（32℃）后其蟲黃藻密度和光合自養(yǎng)能力均顯著降低，其幼蟲排放節(jié)律則明顯提前，單位體積排放幼蟲數(shù)目也明顯升高；盡管兩組幼蟲的大小基本一致，馴化親本所排放的子代幼蟲所含的蟲黃藻密度更低。
圖1. 以鹿角杯形珊瑚為模式的高溫馴化實驗
兩組幼蟲代謝速率的熱性能曲線顯示和對照組相比，馴化后幼蟲的熱性能曲線明顯偏離，其最適溫度和最大臨界溫度顯著升高了近1-1.6℃。幼蟲的溫度交叉移植實驗同樣發(fā)現(xiàn)親本的高溫馴化顯著緩解了高溫對幼蟲存活、蟲黃藻密度、光化學(xué)效率、光合作用的負面效應(yīng)，說明親本馴化增強了子代幼蟲的熱耐受。值得注意的是，馴化組幼蟲的光增強呼吸速率總低于對照組幼蟲，說明幼蟲分解代謝過程的下調(diào)以降低幼蟲浮游期營養(yǎng)物質(zhì)的消耗。
圖2. 馴化組和對照組珊瑚幼蟲的熱性能曲線
團隊進一步利用轉(zhuǎn)錄組研究了交叉移植實驗后幼蟲在基因表達上的響應(yīng)和變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)馴化親本所產(chǎn)生的幼蟲在高溫條件下其宿主細胞應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生顯著上調(diào)，同時細胞周期和有絲分裂相關(guān)的基因也上調(diào)，說明此時細胞應(yīng)激反應(yīng)可以有效地重建細胞穩(wěn)態(tài)從而支持和加快細胞分裂；同時，負責(zé)從蟲黃藻轉(zhuǎn)移脂類、糖類和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的宿主轉(zhuǎn)運蛋白基因也發(fā)生顯著上調(diào)。在共生蟲黃藻中，經(jīng)過馴化后光捕獲蛋白基因發(fā)生下調(diào)，而參與光保護和卡爾文循環(huán)過程的基因表達則發(fā)生上調(diào)，說明蟲黃藻光捕獲、光保護和碳固定之間的協(xié)作以支持其高溫下的光合活性和產(chǎn)量；馴化后蟲黃藻的分解代謝過程發(fā)生下調(diào)，而參與脂類合成的多個關(guān)鍵基因則上調(diào)，說明蟲黃藻營養(yǎng)物質(zhì)的凈累計會升高，可以為宿主提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)，這和宿主營養(yǎng)轉(zhuǎn)運蛋白的上調(diào)相吻合，說明維持宿主和蟲黃藻之間營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞交流可能是共生體熱耐受和適應(yīng)高溫的關(guān)鍵過程。
圖3. 高溫馴化后珊瑚幼蟲宿主和蟲黃藻基因表達的調(diào)控模式
綜上，本研究證實珊瑚親本高溫馴化會快速改變其子代的表型和熱耐受，暗示著珊瑚的馴化適應(yīng)具有連續(xù)性進而影響進化過程。然而，馴化后幼蟲出現(xiàn)代謝抑制，盡管這有利于高溫耐受，但卻不利于幼蟲附著及附著后的生長發(fā)育和成熟，因此作者強調(diào)呼吁：解決氣候變化的根源問題即降低碳排放才能更好地保護珊瑚和珊瑚礁。
南海海洋研究所助理研究員江雷和劉騁躍為論文共同第一作者，黃暉研究員、錢培元教授和Manuel Aranda教授為該論文共同通訊作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。
相關(guān)論文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/mec.16826
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