珊瑚應對氣候變暖的馴化適應機制研究獲進展

近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室研究員黃暉團隊聯合南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）、香港科技大學和阿卜杜拉國王科技大學揭示了珊瑚應對氣候變暖的馴化適應及其生理和分子機制。相關研究在線發表于《分子生態學》。

氣候變化引發的海水異常高溫是全球造礁石珊瑚和珊瑚礁生態系統面臨的首要威脅，因此有關石珊瑚對高溫的適應潛力是全球珊瑚礁研究領域的前沿熱點。目前學界普遍認為石珊瑚的遺傳適應速度不能跟上氣候變化的速度，但逐步有研究發現珊瑚經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。

研究人員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，結果發現珊瑚親本經過近一個月的高溫馴化（32℃）后其蟲黃藻密度和光合自養能力均顯著降低，其幼蟲排放節律則明顯提前，單位體積排放幼蟲數目也明顯升高；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。

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現親本的高溫馴化顯著緩解了高溫對幼蟲存活、蟲黃藻密度、光化學效率、光合作用的負面效應，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以降低幼蟲浮游期營養物質的消耗。

研究人員進一步利用轉錄組研究了交叉移植實驗后幼蟲在基因表達上的響應和變化，結果發現馴化親本所產生的幼蟲在高溫條件下其宿主細胞應激反應發生顯著上調，同時細胞周期和有絲分裂相關的基因也上調，說明此時細胞應激反應可以有效地重建細胞穩態從而支持和加快細胞分裂；同時，負責從蟲黃藻轉移脂類、糖類和氨基酸等營養物質的宿主轉運蛋白基因也發生顯著上調。

在共生蟲黃藻中，經過馴化后光捕獲蛋白基因發生下調，而參與光保護和卡爾文循環過程的基因表達則發生上調，說明蟲黃藻光捕獲、光保護和碳固定之間的協作以支持其高溫下的光合活性和產量；馴化后蟲黃藻的分解代謝過程發生下調，而參與脂類合成的多個關鍵基因則上調，說明蟲黃藻營養物質的凈累計會升高，可以為宿主提供更多的營養物質，這和宿主營養轉運蛋白的上調相吻合，說明維持宿主和蟲黃藻之間營養物質的傳遞交流可能是共生體熱耐受和適應高溫的關鍵過程。

該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具有連續性進而影響進化過程。然而，馴化后幼蟲出現代謝抑制，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育和成熟，因此研究人員強調呼吁：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。

上述研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。中國科學院南海海洋研究所助理研究員江雷和劉騁躍為該論文共同第一作者，黃暉研究員、錢培元教授和Manuel Aranda教授為共同通訊作者。