合浦珠母贝发育早期贝壳发生的分子调控及环境响应机制

Shells and pearls are representative products of biomineralization with important research value . The shells begin to form at early stages of shellfish development, which are affected significantly by multiple factors of the ocean environment. However, investigations on gene regulations and their effects during the formation of shells are extremely lacking, which limite our understanding on the mechanism of shell formation and even the pearl formation. Based on this fact, the project uses Pinctada fucata, an important economic species of pearl production, as experimental materials. The work aims to reveal novel and critical genes involved in the different development stages using microarray method, i.e., fertilized egg, trochophore, D-shaped stage, umbonal stage, juvenile, and adult. The work also aims to study the effects of ocean acidification and ocean warming on the shell formation and molecular regulation. Combined with the observation of ultrastructure and mechanical properties, this project may shed light on the mechanism of the pearl oysters responses to the enviromental variation at early development stages. This project therefor not only can help us elucidate the molecular regulation during the shell formation of Pinctada fucata , but also has directive significance on the reasonable and healthy development of pearl farming.

贝壳和珍珠是典型的生物矿化产物，具有重要的研究价值。贝壳形成过程发生在贝类的早期发育阶段，极易受到海洋环境变化的影响。目前，关于珍珠贝贝壳发生时期基因表达调控及其影响因素的研究报道较少，限制了贝壳发生乃至珍珠形成调控机制的解析。基于上述科学问题，本项目以重要的海水珍珠养殖贝类---合浦珠母贝为实验材料，以表达谱生物芯片为基础，研究受精卵、担轮幼虫、D型幼虫、壳顶幼虫和幼贝等合浦珠母贝早期发育阶段的基因表达调控，对相关基因在贝壳发生时期的表达模式和关联性进行全面的分析和探究，发掘其中新的关键调节基因，提出贝壳发生调控的作用模式。同时研究海洋酸化和暖化对合浦珠母贝贝壳发生的影响及其分子调控，并结合贝壳结构和力学性能的变化，多学科深入了解发育早期的珍珠贝对海洋环境变化的响应机制。本研究工作不仅有助于阐明合浦珠母贝贝壳发生的分子调控机制，对于珍珠贝的合理健康养殖也具有一定的指导意义。

贝壳和珍珠是典型的生物矿化产物，具有重要的研究价值。贝壳形成过程发生在贝类的早期发育阶段，且合浦珠母贝极易受到海洋环境变化的影响。然而在发育早期阶段，各基因如何表达并控制贝壳从无到有的过程鲜有研究报道。此外，对贝类在海水物理化学条件改变时基因转录水平的反馈调节机制亦了解不够深入。本研究以合浦珠母贝为研究对象，通过对受精卵到幼贝期等五个时期的转录水平进行基因芯片分析，阐述贝壳发生各阶段所发生的转录事件。同时对海水酸化暖化条件下的转录情况进行芯片分析，揭示贝类对海水酸化暖化的调节机制。首先合成合浦珠母贝不同发育阶段的转录文库，并用芯片进行杂交检测丰度。研究显示，基质蛋白的表达水平与幼贝发育和贝壳形成的进程有明显相关性，且在幼贝期前有若干基质蛋白基因提高表达。进入幼贝期后，也有若干基质蛋白基因表达显著上调。通过生物信息学分析，从上调基因里筛选出了5个潜在基质蛋白新基因并选择三个新基因进行了深入研究。在酸化暖化胁迫研究中，分别对长短期酸化、暖化等不同条件下的外套膜转录组进行芯片分析，结果显示短期刺激下贝试图利用离子和酸碱调节方式缓解海水酸化胁迫，利用抗氧化或溶酶体通路应对温度升高对自身的伤害。长期刺激时贝同时执行酸碱调节机制、代谢抑制和积极的生理代谢响应以缓解酸化对外套膜组织的不利影响，同时长期胁迫引起了贝壳钙化率和表面钙离子含量降低以及表面显微结构的显著变化。本项目的研究揭示了发育早期发育时期的基因表达模式与调控机制，并利用表达特征成功筛选到若干基质蛋白新基因。阐述了酸化暖化胁迫下贝类的响应机制。研究结果有助于从基因表达层面较为全面地了解贝壳结构发生的调控机制和对环境刺激的生理响应机制，对于了解贝壳生物矿化机制、气候变化对软体动物影响具有理论价值，亦对贝类育种、珍珠育种优化具有指导意义。