藻类对气候变化的反应比珊瑚宿主更强烈

2019-12-31 403藻类

一项新的研究让我们对珊瑚礁如何应对海洋变暖和酸化有了一个令人惊讶的了解,它还为气候变暖导致的白化事件提供了预警系统的可能性,这些白化事件对全球珊瑚礁的伤害越来越大。

珊瑚白化事件——当压力破坏了通常生活在珊瑚组织内的珊瑚和藻类的伙伴关系时——发生的频率几乎是40年前的5倍。这些事件摧毁了大片原本生机勃勃的珊瑚礁栖息地,以及它们所孕育的渔业和旅游业,从而威胁到科学家们估计的健康珊瑚礁每年为全球经济贡献的3750亿美元。

在目前的研究中,William & Mary的弗吉尼亚海洋科学研究所的Emily Rivest和他的同事使用了一种先进的基因组技术来测试海洋变暖和酸化是否会对珊瑚寄主和它的藻类伙伴产生不同的影响。这项研究发表在最新一期的《海洋科学前沿》(Frontiers in Marine Science)上,由路易斯安那州立大学(Louisiana State University)的Morgan Kelly、佛罗里达大学(University of Florida)的Melissa DeBlasse和加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的Gretchen Hofmann共同撰写。

研究小组将一组珊瑚幼虫和它们的藻类共生体暴露在水温升高和酸化的水族馆水域中,并预测到2100年的情况,然后,他们比较了这些实验组和对照组的珊瑚细胞和藻类细胞在基因表达方面的差异,发现藻类对气候变化的反应比珊瑚宿主更强烈。

基因表达是指一个细胞通过在细胞核内复制选定的DNA片段,并利用这些“转录本”制造蛋白质以促进细胞生长和维持的过程。从广义上讲,基因表达就是为什么你的肝脏不会长眼球,反之亦然。但对于每一种细胞类型——无论是肝脏、角膜、珊瑚还是藻类——有机体基因的差异表达也决定了细胞结构和功能的更微妙的方面,如新陈代谢或酶的生产速度。

重要的是,在目前的研究中,基因表达的变化也与压力相关,藻类对气候变化的反应比珊瑚宿主更强烈。因此,研究人员利用这些变化来判断哪些细胞——珊瑚或藻类——最容易受到过度温暖的海水或腐蚀性的酸性物质的影响。

令研究人员惊讶的是,他们发现压力最显著地改变了藻类的基因表达。Rivest说:“我们发现共生体内的基因表达比珊瑚体内的差异更大,这真的很有趣,因为我认为人们认为珊瑚——因为它是动物,而且体积更大——是最有可能被控制和改变的。”研究人员发现,89个基因在藻类细胞中有差异表达,而只有17个基因在珊瑚中有差异表达。

一个技术突破

先前关于珊瑚白化的研究由于技术上的困难而受到阻碍,无法分辨用来测量基因表达变化的基因片段是否来自珊瑚动物或其共生藻类。Rivest的团队通过将他们观察到的片段与最近为每一组生物体开发的基因文库中的片段进行比较,克服了这一挑战。

“我们可以利用这些新的生物信息资源说‘好吧,找到匹配的’,” Rivest说。“这真的很令人兴奋,尤其是对珊瑚来说,它们是很难处理的动物,在生成序列数据方面。直到最近,我们还没有足够好的基因库来有效地做这类工作。”

早期的研究也主要集中在成年珊瑚上。通过观察幼虫和它们的藻类伙伴,Rivest的团队帮助阐明了珊瑚生命周期中一个重要而脆弱的阶段。

我们的研究结果,”Rivest说,“表明藻类的作用比我们之前认为的更重要——即使是在非常早期和关键的生活史阶段。”如果在幼体阶段没有成功,就不会有新的成体珊瑚生长在珊瑚礁上。就珊瑚礁持续到未来而言,早期阶段的成功是关键。”

一个早期预警?

藻类对气候变化的反应比珊瑚宿主更强烈,研究小组的这一意外发现对了解、监测和保护受到白化威胁的珊瑚礁具有重要意义。

“当我们寻找白化现象时,我们经常测量珊瑚的颜色,这反映了共生生物的数量,”里维斯特说。藻类共生体含有光合色素,这些色素使原本几乎透明的珊瑚组织具有颜色。当珊瑚受到压力,失去藻类时,可以看到的是它们的底层,通常是白色的骨架,使它们看起来变白了。

“但是,”Rivest说,“我们的研究表明,即使你没有白化的珊瑚,共生生物和珊瑚之间的关系可能真的不同。因此,重要的是要超越共生关系的数量——我们真的需要了解这种关系是如何变化的,而且是在共生关系消失之前。”

她说:“如果我们能预测到珊瑚白化的发生时间,我们或许可以尝试拯救这些珊瑚礁——为它们遮荫,移植选定的珊瑚——尽一切可能阻止这些大规模事件的发生。”所以我们需要知道预警信号是什么。如果你能识别出一个特定的基因表达特征,或者一种升高的活动,或者一种特定的蛋白质,那么你就会知道如何有效地测量和寻找。”

Rivest认识到,减少珊瑚白化的唯一真正现实的方法是限制导致海洋变暖的人类活动。但她认为,早期预警系统也可以在社会的反应中发挥作用。

她说:“解决珊瑚白化的最佳方案是应对海洋的全球变暖趋势。”“早期预警系统不能阻止这些事件的发生,但它可以帮助我们减轻损失,并帮助珊瑚礁以这样或那样的形式持续到未来。”

引用

Virginia Institute of Marine Science. "Algal partner responds to climate-change stresses more strongly than coral host." ScienceDaily. ScienceDaily, 7 June 2018.
www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180607112657.htm.

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