自工業(yè)革命以來，大氣中CO2水平的上升導(dǎo)致了海洋酸化（Ocean acidification，OA）和變暖（Ocean warming，OW）。IPCC（2021）報(bào)告表明，到21世紀(jì)末，海洋平均pH值將下降0.3-0.4個(gè)單位（RCP8.5），海水平均溫度將上升1.5°C至3.0°C。OA和OW已經(jīng)對海洋物種和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的生態(tài)威脅，尤其是依賴于生物鈣化形成骨骼的鈣化物種，如棘皮動物。但是，目前海洋酸化及/或變暖對棘皮動物潛在影響的研究偏重于鈣化程度高的海膽和海星，而對鈣化程度低的海參類關(guān)注不足。針對這一研究盲點(diǎn)，聚焦西北太平洋沿岸生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)價(jià)值高且被譽(yù)為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”的刺參（Apostichopus japonicus）為研究對象，旨在評估不同海洋酸化和變暖場景對刺參胚胎-幼蟲階段發(fā)育特征和生物鈣化相關(guān)基因表達(dá)的影響。研究包括一個(gè)對照組和三個(gè)實(shí)驗(yàn)組：CON（19°C，400μatm）；OA（19°C，1000μatm）；OW（22°C，400μatm）；以及OAW（22°C，1000μatm）。本研究有助于理解氣候變化下OA或OW的單一和聯(lián)合效應(yīng)對鈣化程度低的棘皮動物早期發(fā)育的影響及其分子機(jī)制。
圖1 海洋酸化和變暖對刺參早期發(fā)育階段形態(tài)特征和生物鈣化基因表達(dá)的影響
圖2 不同海洋酸化和變暖場景下刺參胚胎-幼蟲3個(gè)關(guān)鍵發(fā)育階段7個(gè)生物鈣化相關(guān)基因表達(dá)qRT-PCR驗(yàn)證結(jié)果
研究亮點(diǎn)一：海洋酸化延緩了刺參早期發(fā)育，縮短了其體長，但變暖減輕了其對胚胎和幼蟲形態(tài)特征的負(fù)面影響
研究表明，pH降低0.37個(gè)單位，刺參早期發(fā)育的發(fā)育周期延長了8.58–56.25%，體長減少了0.36–19.66%；而升溫3.1℃下，其發(fā)育周期縮短了33.99-55.28%，體長增加了2.44-14.41%（圖1）。
研究亮點(diǎn)二：生物鈣化基因表達(dá)少導(dǎo)致了海參幼蟲的鈣化程度低
研究發(fā)現(xiàn)，刺參胚胎-幼蟲發(fā)育過程中僅發(fā)現(xiàn)2個(gè)表達(dá)的生物鈣化基因（colp3α，cyp2，圖1）。與海膽相比，海參不僅擁有數(shù)量較少的生物鈣化基因（海參7個(gè)vs海膽31個(gè)），且海參的生物鈣化基因在胚胎-幼蟲發(fā)育過程中表達(dá)數(shù)量少（海參2個(gè)vs海膽8個(gè)），這可能解釋了海參體壁中小骨片與海膽“全副武裝”的外骨骼之間的形態(tài)差異。研究還發(fā)現(xiàn)，刺參胚胎-幼蟲發(fā)育過程中5個(gè)鈣化基因轉(zhuǎn)錄因子（erg，tgif，foxN2/3，gata1/2/3和tbr，圖1）均有表達(dá)；且海參和海膽體內(nèi)與生物鈣化基因轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)均始于囊胚期，表明兩者骨骼的形成時(shí)機(jī)是一致的。
研究亮點(diǎn)三：氣候變化通過影響海參幼蟲的發(fā)育速率和體形大小改變了其生物鈣化基因的表達(dá)
刺參從囊胚期發(fā)育到樽形幼蟲，pH降低0.37個(gè)單位并沒有顯著影響生物鈣化基因colp3α和cyp2的表達(dá)水平；然而，溫度升高（OW和OAW組）導(dǎo)致這兩個(gè)生物鈣化基因顯著上調(diào)（圖2），表明在刺參早期發(fā)育過程中，升溫而不是pH值降低促進(jìn)了骨片的形成。海洋變暖可能通過更快的發(fā)育時(shí)間和更大的體形來增強(qiáng)生物鈣化相關(guān)基因的表達(dá)，從而強(qiáng)化了海參的生物鈣化作用，減弱了海洋酸化的負(fù)面影響。
該工作以“Effects of seawater acidification and warming on morphometrics and biomineralization-related gene expression during embryo-larval development of a lightly-calcified echinoderm”為題發(fā)表在Environmental Research上。中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所為論文第一完成單位，袁秀堂研究員為論文通訊作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金（41676164，42061160365，41906098和41906115）等項(xiàng)目的資助。
論文信息：
Mingshan Song,Da Huo,Lei Pang,Zhenglin Yu,Xiaolong Yang,Anguo Zhang,Ye Zhao,Libin Zhang,Xiutang Yuan*,2024. Effects of seawater acidification and warming on morphometrics and biomineralization-related gene expression during embryo-larval development of a lightly-calcified echinoderm. Environmental Research,248,118248
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.118248
官方微信
