刺参早期发育对海洋酸化及变暖的生态响应和基因调控

Ocean acidification and warming (OAW) is now identified as a major threat for marine species and ecosystems. The early-life stage of a marine organism has been concerned in ocean change biology due to its sensitivity to environmental stressor and significance in population dynamics. The impacts of OAW on echinoderms are well documented, but there has been a strong bias towards sea urchins, and limited information is available on sea cucumbers. This is surprising considering the key role of holothuroids in structuring coastal ecosystem and functioning as the “ecosystem engineer” and their economic importance. Here, we target the sea cucumber Apostichopus japonicus (Selenka), an economically and ecologically important holothurian in East Asia coasts, and aim to test the effects of ocean acidification on the transgenerational carry-over effects; to study the ecological responses of OAW occurring in the 21st century on the early development of A. japonicus in order to elucidate the synergistic patterns of ocean acidification and ocean warming. Moreover, we expect to construct the transcriptomes, explore the dynamic gene expression profile of the key early development stages of embryo, larvae and juveniles in response to OAW, and furthermore clone and analyze numerous keystone genes in related to OAW in order to illustrate the gene regulatory mechanism that may underlie to near future OAW in the early-life stage of the holothurian species. Our results would help to bridge the gap between climate change biology and echinoderm study, and add new insights for the ocean change effects on holothurians and ecosystems.

海洋酸化及变暖是海洋生物及其依存生态系统面临的主要生态问题之一；海洋生物早期发育因对环境变化的敏感性和维持未来种群的重要性受到重视。当前，棘皮动物应对海洋酸化及变暖的研究特别偏重于海胆类，而对经济价值高且被誉为“生态系统工程师”的海参类则关注极少。本项目拟以东亚沿岸浅海生态系统的关键种类及经济价值高的海参—刺参为研究对象，研究刺参亲本酸化史对子代早期发育潜在的传递效应,在此基础上研究本世纪末海洋酸化及变暖场景下其生活史早期发育阶段的生态响应特征，阐明海洋酸化和变暖的联合作用机理；研究刺参早期发育阶段响应海洋酸化及变暖的基因调控网络，克隆其关键响应基因并研究气候变化场景下这些关键基因在各主要发育阶段的时空表达规律，揭示参与刺参早期发育响应气候变化的分子调控机制。研究结果有望弥补全球气候变化下棘皮动物研究领域中的缺憾，为评估海洋酸化及变暖对海参类棘皮动物及其依存生态系统的影响提供科学依据。

本研究于实验室内设定对照组（19℃，380ppm）、升温组（22℃，380ppm）、酸化组（19℃，1000ppm）、酸化升温组（22℃，1000ppm）来模拟未来海洋环境的酸化和升温状况。研究了刺参早期发育对海洋酸化和升温的生态响应和基因调控。研究结果表明pH降低0.38个单位能显著降低刺参浮游幼体的生长速率，使幼体的体重增加缓慢，延长幼体的发育周期。温度升高2.92℃不仅显著加快了幼体的发育速率，缩短了发育周期，同时还弥补了pH降低0.38个单位对刺参幼体发育的不利影响，酸化升温组中幼体的生长发育情况与对照组没有明显差异。另外，海水酸化和升温通过影响刺参幼体生理过程而诱导相关基因表达水平改变，使酸化组代谢、酸碱平衡、应激响应等基因表达上调，升温组部分基因表达下调，以维持体内正常的代谢反应。酸化升温组差异表达基因数目较少，且差异基因通路富集结果与升温组类似。因此对浮游阶段的刺参幼体来说，海水酸化对幼体发育产生的抑制作用会被海水升温产生的促进作用所抵消，对本世纪末海水环境变化有一定的耐受性。我们还评估了15个生物矿化基因（7个生物矿物化基因，3个成骨细胞相关基因和5个转录因子）在海洋酸化和变暖情况下胚胎和幼虫的表达水平变化。qRT-PCR结果表明，两个生物矿化基因（colp3α和cyp2），成骨细胞相关基因（erg，tgif和foxN2/3）和5个转录因子（gata1/2/3和tbr)在仿刺参的胚胎和幼体中表达，表明骨片形成可能始于原肠胚期甚至更早阶段。GATA1/2/3的表达在本研究中是相当稳定的，因为它没有表现出显着的变化。而且，海洋酸化对耳状幼体期海参的影响最大。环境胁迫对海参樽形幼虫钙化基因表达的影响小于樽形幼体前两个发育阶段，表明未来几年全球气候变化对海参幼虫将产生更大的影响。结果还表明，升温可以通过改善这些生物矿化基因来促进钙化能力的提高，并减少酸化产生的负面影响。我们的研究为探究在海洋酸化与变暖或不伴随变暖条件下对刺参或其他棘皮动物幼虫的影响奠定了基础，并有助于揭示在全球气候背景下的钙化物种的应对策略。