基于蛋白质组学的珊瑚-虫黄藻共生体应答苯并芘（BaP）胁迫的毒理效应及其关键功能蛋白研究

Coral reefs are the most important component of marine ecosystems, and have encountered the increasing trend of degradation. Environmental pollutants are commonly identified as one of the important contributors to the observed deterioration. Among them, Benzo(a) pyrene (BaP) is a typical pollutant, and widely distributed in the marine environment. In addition, the coral-zooxanthellae symbiosome is the foundation for the coral reef ecosystems. But, the related study on how the coral-zooxanthellae symbiosome responds the stress of BaP still remains blank. Based on our previous studies and the mature technology platform, this project is intended to use the dominant species of coral in South China Sea as the research material, such as Pocillopora damicornis, Montipora digitata, Galaxea fascicularis, etc. In this project, we will 1) explore the sensitive species of corals and sensitive clade of endosymbionts which are exposed to BaP by observing changes of morphology, physiology and molecular levels; 2) analyze dose-response relationship in BaP-disturbed coral-zooxanthellae symbiosome, and links between the significant different proteins and its morphology, density or the photosynthetic efficiency of zooxanthellae; 3) screen the vital function proteins which respond to the BaP stress, reveal the molecular mechanism of that the coral-zooxanthellae symbiosome responds to BaP. The expected results are not only important for revealing the degradation mechanism of coral reef ecosystems, but also provide a scientific basis for the conservation, restoration and management of coral reef ecosystems.

珊瑚礁是海洋生态系统的重要组成部分，面临日益严重的退化趋势。环境污染是导致珊瑚礁退化的重要因素之一，其中苯并芘 (BaP)是海洋环境中广泛分布的一种典型污染物；珊瑚-虫黄藻共生体是珊瑚礁生态系统的重要基础，而有关珊瑚-虫黄藻共生体如何应答BaP胁迫机理的相关研究尚属空白。基于课题组前期研究基础和成熟的技术平台，本项目拟以南海优势种珊瑚（鹿角杯型珊瑚、指状蔷薇珊瑚、丛生盔形珊瑚等）为研究材料，采用蛋白质组学，并结合形态学和生理学手段；从形态学、生理学和分子水平探究对BaP胁迫敏感的珊瑚及虫黄藻系群，解析BaP胁迫珊瑚-虫黄藻共生体的剂量-效应关系，及差异显著蛋白与其形态、虫黄藻密度及光合效率之间的关联；筛选出应答BaP胁迫的重要功能蛋白，揭示BaP胁迫珊瑚-虫黄藻共生体的分子机制。预期研究结果不仅为揭示珊瑚礁生态系统退化机制具有重要意义，而且可为珊瑚礁生态系统保护、修复及管理提供科学依据。

珊瑚礁是海洋生态系统的重要组成部分，面临日益严重的退化趋势。环境污染是导致珊瑚礁退化的重要因素之一，其中苯并芘 (BaP)是海洋环境中广泛分布的一种典型污染物；珊瑚-虫黄藻共生体是珊瑚礁生态系统的重要基础，而有关珊瑚-虫黄藻共生体如何应答BaP胁迫机理的相关研究尚属空白。因此，本项目以南海典型的鹿角杯型珊瑚、指状蔷薇珊瑚、美丽鹿角珊瑚为研究材料，进行了不同浓度苯并芘（BaP）的曝毒实验，完成了不同种珊瑚应答BaP胁迫的敏感差异性，发现美丽鹿角珊瑚对BaP胁迫最敏感，鹿角杯型珊瑚、指状蔷薇珊瑚次之；通过“Logistic模型”拟合出共生虫黄藻逃逸的半数效应浓度，发现BaP胁迫美丽鹿角珊瑚7 d的半数效应浓度(EC50)为5.38μg·L-1；进一步利用4D-DIA技术鉴定了美丽鹿角珊瑚珊应答BaP 胁迫的关键蛋白有葡萄糖 6-磷酸异构酶（PGI1）、TA2-TA3、小亚基核糖体蛋白S18e、小亚基核糖体蛋白SAe、启动因子 1、光系统 I 中亚基、光系统 II 中氧进化增强蛋白 1、超氧化物歧化酶等；同时测定了其虫黄藻密度和叶绿素a含量，分析了珊瑚共生微生物群落结构的变化，发现丙型变形菌纲赛迪斯 （Gammaproteobactae sedis）目的丰度在种群中显著增加。揭示了BaP破环珊瑚-虫黄藻共生的分子机制为一方面导致珊瑚水螅体糖酵解/糖异生和磷酸戊糖通路上调，影响了核糖体的功能；另外导致虫黄藻的光合作用通路下调，导致Hippo信号通路上调；且对其共生微生物的菌群数量和稳定性下降，还破坏共生菌的免疫功能，导致珊瑚宿主失去免疫屏障，导致珊瑚共生体变得更脆弱。本项目，还构建了珊瑚高质量蛋白的提取方法，发现PBE方法是石珊瑚提取蛋白质的最佳方案；同时，建立了提取珊瑚胚胎总RNA 的方法，从转录组水平研究了BaP 胁迫对鹿角珊瑚早期胚胎的毒性效应机制。采用GC-MS 等分析技术，测定了海南近岸珊瑚礁海域中不同介质中BaP的分布特征，发现在海水中的浓度为0.02ng/L，在沉积物中的浓度为5.39-14.28ng/L，在珊瑚体内的浓度高达38.62ng/L，可见BaP在在珊瑚体内显著高于水体和沉积物，具有显著的蓄积效应。本研究为评估珊瑚礁生态系统的健康状况奠定了一定的基础，还可为珊瑚礁生态修复和保护，以及政府科学决策提供重要基础数据。