Physiological and Transcriptomic Variability Indicative of Differences in Key Functions Within a Single Coral Colony  

單個(gè)珊瑚群體內(nèi)關(guān)鍵功能差異的生理和轉(zhuǎn)錄組變異特征  

來(lái)源：Frontiers in Marine Science, Volume 8, Article 685876, 2021  

《海洋科學(xué)前沿》，第8卷，文章ID 685876，2021年  

 

摘要

指出珊瑚群體中不同位置的息肉因暴露于水流、光照等微環(huán)境差異，導(dǎo)致宿主和共生藻的轉(zhuǎn)錄組及生理特征發(fā)生空間分異。研究通過(guò)高分辨率測(cè)量發(fā)現(xiàn)：珊瑚宿主在分支尖端高表達(dá)代謝、毒素合成和生物礦化相關(guān)基因；共生藻轉(zhuǎn)錄響應(yīng)主要受光照方向影響。這些差異揭示了珊瑚群體內(nèi)功能分工的機(jī)制，并證實(shí)其具有進(jìn)化保守性（在Stylophora與Acropora屬間一致）。  

 

研究目的

探究珊瑚群體內(nèi)是否存在功能分區(qū)，以及微環(huán)境梯度（如水流、光照）如何驅(qū)動(dòng)宿主和共生藻的轉(zhuǎn)錄組差異與生理分化。  

 

研究思路：  

1. 選擇單一Stylophora pistillata珊瑚群體（15 cm直徑），按三維空間采樣：  

   ? 分支軸位置（尖端、連接處、基部）  

   ? 環(huán)高（頂部、中部、底部）  

   ? 方向（東、南、西、北）  

 

2. 原位測(cè)量群體內(nèi)部微環(huán)境：  

   ? 使用丹麥Unisense微電極測(cè)量溶解氧（DO）梯度  

   ? 流式細(xì)胞術(shù)量化微生物密度  

 

3. 實(shí)驗(yàn)室分析：  

   ? 生理指標(biāo)：溶血活性、葉綠素含量、珊瑚石形態(tài)  

   ? 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序：宿主和共生藻（Symbiodinium microadriaticum）基因表達(dá)  

   ? 單核苷酸多態(tài)性（SNP）驗(yàn)證群體遺傳同質(zhì)性  

 

4. 整合分析：  

   ? 差異基因表達(dá)（DESeq2）與功能富集（GO、KEGG）  

   ? 跨物種比較（與Acropora屬數(shù)據(jù)對(duì)比）  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 環(huán)境參數(shù)（圖2A、2B）  

   ? 數(shù)據(jù)：溶解氧濃度（Unisense微電極）、微生物密度（流式細(xì)胞術(shù)）  

 

   ? 研究意義：揭示群體內(nèi)部水流受限（內(nèi)部DO更高、微生物富集），解釋微環(huán)境異質(zhì)性如何驅(qū)動(dòng)生理分化。  

 

2. 基因表達(dá)數(shù)據(jù)（圖2C、2D、3）  

   ? 數(shù)據(jù)：宿主>10,000個(gè)差異表達(dá)基因（分支位置主導(dǎo)），共生藻~150個(gè)差異基因（方向主導(dǎo)）  

   ? 研究意義：宿主在尖端高表達(dá)代謝（糖酵解、TCA循環(huán)）、毒素（胞溶素）和生物礦化基因（CARPs）；共生藻光合相關(guān)基因受方向調(diào)控，表明光梯度驅(qū)動(dòng)共生體功能分工。  

 

3. 生理與形態(tài)數(shù)據(jù)（圖4、5）  

   ? 數(shù)據(jù)：尖端溶血活性更高（圖4B），尖端珊瑚石更密集且橢圓（圖5B,C）  

   ? 研究意義：驗(yàn)證基因表達(dá)的功能結(jié)果——尖端強(qiáng)化捕食/防御（高毒素活性），尖端加速礦化（骨架形態(tài)變化）。  

 

 

結(jié)論：  

1. 珊瑚群體存在功能分區(qū)：分支尖端是高代謝、捕食（毒素合成）和生物礦化中心；群體內(nèi)部多參與生殖（睪丸相關(guān)基因高表達(dá)）。  

2. 微環(huán)境是主要驅(qū)動(dòng)因素：水流和光照梯度導(dǎo)致宿主與共生藻轉(zhuǎn)錄響應(yīng)空間分異（宿主響應(yīng)分支位置，共生藻響應(yīng)方向性光照）。  

3. 功能分區(qū)具有進(jìn)化保守性：宿主基因表達(dá)模式（尖端vs基部）在Stylophora與Acropora屬間高度一致，表明此為珊瑚的普適性適應(yīng)策略。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

丹麥Unisense微電極用于原位高分辨率溶解氧（DO）測(cè)量（圖2A），其核心研究意義包括：  

1. 量化微環(huán)境梯度：電極（響應(yīng)時(shí)間<10秒，空間分辨率100μm）直接捕獲珊瑚群體內(nèi)部的氧梯度，顯示內(nèi)部DO（~250 μmol/L）顯著高于外圍（~230 μmol/L）。這證實(shí)水流在群體核心區(qū)域受阻，形成相對(duì)滯緩的微環(huán)境。  

2. 連接環(huán)境與生理響應(yīng)：DO梯度與微生物密度數(shù)據(jù)（圖2B）共同證明：水流受限導(dǎo)致內(nèi)部區(qū)域微生物富集（通過(guò)顆粒滯留），為后續(xù)基因表達(dá)的空間差異（如內(nèi)部區(qū)域生殖基因上調(diào)）提供環(huán)境驅(qū)動(dòng)證據(jù)。  

3. 支持功能分區(qū)假說(shuō)：DO數(shù)據(jù)解釋為何尖端（高流區(qū)）更依賴捕食（需高毒素活性），而內(nèi)部（低流高微生物區(qū)）可能強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)循環(huán)——為珊瑚"尖端-基部"功能分工提供直接環(huán)境關(guān)聯(lián)證據(jù)。  

4. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：避免采樣擾動(dòng)，原位測(cè)量保障數(shù)據(jù)生態(tài)相關(guān)性，為珊瑚微棲息地研究設(shè)立新標(biāo)準(zhǔn)。