基于组学技术的PAHs对珊瑚幼体的毒理效应及关键基因筛选

In recent years, the global degradation of coral reef ecosystem are becoming worse. Chemical pollutants is commonly identified as an important contributor to the observed deterioration. The effects of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) on coral reef ecosystem are getting extensively attentions. Based on the pre-established artificial breeding technology of coral and toxicology methods, The toxic effects of PAHs on Acropora and Porites which are widespread in Hainan, are investigated and sensitive coral species on PAHs exposure are screened. Transcriptomics technology and digital gene expression analysis will be used to find out the key genes and functional verification of corals under PAHs stress. The protein expression profiling is analysed by proteomics technology in order to screen differentially expressed proteins of coral larvae exposed to PAHs. Based on the studies above, the molecular mechanisms of PAHs stress response in coral larvae will be revealed at the protein and gene level, and specific early-warning biomarkers for corals degradation will be found. This study will provide scientific basis for risk assessment and ecological restoration of coral reef ecosystem.

近年来，全球珊瑚礁生态系统正面临日益严重的退化趋势，化学污染物则是导致珊瑚礁退化的重要因素之一。其中多环芳烃（PAHs）对珊瑚礁生态系统的影响正逐渐受到关注。基于课题组前期建立的不同种类珊瑚人工养殖技术和成熟的毒理学技术平台，本研究拟采用海南主要珊瑚种类-鹿角珊瑚和滨珊瑚为研究材料，通过典型PAHs对珊瑚胚胎和幼体的早期个体发育、抗氧化酶系统和DNA损伤研究，筛选出对典型PAHs敏感的珊瑚种类。利用转录组学技术和数字基因表达谱挖掘珊瑚幼体响应PAHs胁迫的关键基因并进行功能验证。进一步利用蛋白组学技术，建立典型PAHs胁迫下珊瑚幼体蛋白质表达图谱并筛选差异表达蛋白。通过解析PAHs胁迫响应关键蛋白的差异变化与相对应基因的差异表达，从蛋白质与基因水平揭示珊瑚幼体对典型PAHs胁迫的应答分子机制，筛选特异生物标志物进行早期预警，为评估典型PAHs对珊瑚礁生态系统风险评价和生态修复提供科学依据。

利用组学技术研究典型PAHs暴露对珊瑚的生态毒理效应，挖掘和揭示珊瑚响应PAHs胁迫的关键基因和分子机制，进而筛选出敏感的生物标志物(biomarker)，对评估珊瑚礁生态系统的健康状况和保护海洋生态环境十分重要。本项目以典型造礁珊瑚为研究材料，进行了不同浓度苯并芘（benzopyrene）的曝毒实验，完成了苯并芘胁迫对珊瑚生理生化、抗氧化酶活性和应激基因的影响研究，揭示了PAHs胁迫对珊瑚卵转录组水平和对珊瑚蛋白组水平的的影响，同时筛选和优化了提取高质量珊瑚总蛋白的方法。获得了差异蛋白质表达图谱，并完成了差异蛋白点分析和鉴定。建立了提取珊瑚胚胎总RNA的方法，从转录组水平研究了Bap胁迫对鹿角珊瑚胚胎的毒性效应及致毒机理。采用GC-MS等分析技术，解析了海南珊瑚礁近岸海水、沉积物、珊瑚体内PAHs的分布特征，阐明了PAHs在珊瑚中的生物累积规律。同时，通过PAHs对珊瑚共生体的生态毒理效应的研究，揭示了PAHs胁迫对珊瑚共生虫黄藻种群结构的影响。. 研究结果发现：造礁石珊瑚中PAHs的分布水平与周围珊瑚礁区海水和沉积物含量水平正相关，不同种造礁石珊瑚对PAHs累积水平存在种间差异；Bap胁迫能引起珊瑚胚胎基因的差异表达，这些差异表达基因与信号转导、细胞通讯、细胞粘附等相关。鉴定到39个差异蛋白点，其中17个差异蛋白上调表达，22个差异蛋白下调表达，这些差异蛋白参与了细胞代谢、初级代谢、有机质代谢及调控过程、生物合成、细胞自我调节、生物刺激响应还有细胞间通讯、解毒及自噬过程。珊瑚共生虫黄藻C系的大部分亚系群与水体PAHs显著负相关，C系群对PAHs胁迫具有敏感性，而D系群则具有耐受性，BaP胁迫使得稀少的且具有耐受性的共生虫黄藻亚系群转变为显性，以应对有机物的污染胁迫。项目的实施为多环芳烃在海南珊瑚礁近岸（水体、沉积物和珊瑚）的分布迁移规律、在珊瑚中的生物累积特征及其对珊瑚共生体的相关毒理机制提供了理论基础，并为评估珊瑚礁生态系统的健康状况提供理论依据，为海洋生态环境保护、蓝色海洋产业可持续发展提供科学依据。