造礁珊瑚-虫黄藻共生体对扑草净胁迫的分子响应机制

Coral reef is one of the most important marine ecosystems, and the photosynthesis of coral symbiotic zooxanthellae is its important energy source. Herbicides are extensively utilized in global and widely distributed in the offshore marine environment, studies had shown that the photosynthetic system II (PSII) herbicides have inhibitory effects on photosynthesis of zooxanthellae, but the molecular responding mechanisms of reef-building coral-zooxanthellae symbionts to prometryn are still unknown. An investigation of our research group had found that PSII herbicides pollution level in the coast waters of Hainan Island was high, especially with prometryn concentration was the highest. This project is intended to use the dominant species of coral in South China Sea as the research materials, and to screen the sensitive corals and their symbiotic zooxanthellae clades under prometryn stress, and further to obtain the dose-effect relationships. The key proteins responding to prometryn stress will be digged out by using proteomic protocols, and the related genes will be cloned. The results will be further verified by quantitative PCR technology. Finally, bioinformatics analysis integrated with the physiological indicators including zooxanthellae density and clades, coral calcification rate, photosynthetic efficiency, activites of antioxidant enzymes and the activity of photosynthesis-related rate-limiting enzyme RuBisCO will reveal the molecular ecotoxicological mechanisms of coral-zooxanthellae symbionts to prometryn stress.

珊瑚礁是海洋中最重要的生态系统之一，造礁珊瑚共生虫黄藻的光合作用是其重要能源基础。除草剂在全球大量使用并在海洋环境中广泛分布，有研究表明光合系统II型（PSII）除草剂对虫黄藻的光合作用具有抑制作用，但珊瑚-虫黄藻共生体响应PSII型除草剂胁迫的分子机制研究尚属空白。课题组前期的调查研究表明海南岛近海PSII型除草剂污染水平较高，尤其以扑草净浓度为最高，本项目将以南海珊瑚优势种为研究对象，筛选出对扑草净胁迫敏感的珊瑚及其共生虫黄藻群系，获得扑草净对共生体产生毒性的剂量-效应关系。利用蛋白组学技术，挖掘出共生体应答扑草净胁迫的关键蛋白并克隆相关基因，进一步利用定量PCR技术对其进行验证，通过生物信息学分析并结合虫黄藻密度和群系、珊瑚的钙化速率、光合效率、氧化应激酶活性和光合作用关键限速酶RuBisCO活性等生理指标，揭示扑草净胁迫珊瑚-虫黄藻共生体的分子生态毒理学机制。

人类活动导致的海洋环境变化是珊瑚礁生态系统退化的主要原因。目前仍不清楚珊瑚-虫黄藻共生体响应PSII型除草剂胁迫的分子机制。本研究以南海优势种-丛生盔形珊瑚（Galaxea fascicularis）、风信子鹿角珊瑚（Acropora hyacinthus）及珊瑚共生优势藻（C系虫黄藻）为主要研究对象。通过转录组与蛋白组学分析，结合生理响应结果，探究不同珊瑚-虫黄藻共生体对PSII型除草剂扑草净胁迫的生理响应及其分子生态毒理学机制。结果表明，珊瑚物种及离体培养虫黄藻在生理生化水平的应激响应上有所不同。丛生盔形珊瑚整体上敏感度低于风信子鹿角珊瑚，在相同胁迫条件下表现出更高的光合效率和更低的氧化应激水平。而低浓度扑草净处理对虫黄藻抗氧化机制相关蛋白的功能和结构有影响。生理响应与组学结合分析表明，丛生盔型珊瑚-虫黄藻共生体通过减少光吸收，以限制在应激条件下捕获的能量作为光保护机制。并通过调节胁迫条件下的PsbB和psb27表达，加速PSII的修复，减轻扑草净的有害影响。此外，丛生盔型珊瑚-虫黄藻共生体还可以通过上调细胞氧化还原稳态、DNA修复相关的转录本以调节细胞应激反应。而扑草净抑制风信子鹿角珊瑚-虫黄藻共生体光合效率及qP相关的电子传递，降低光保护能力，增加光损伤。同时扑草净胁迫使风信子鹿角珊瑚宿主氧化磷酸化、碳水化合物、信号传导通路上调，其中1 μg/L扑草净还使氮代谢途径上调，而5 μg/L扑草净胁迫抑制共生虫黄藻光合作用固碳及抑制GS的表达，对氮代谢有不利影响。此外，扑草净处理显著影响离体培养虫黄藻中几种光合作用及能量代谢相关蛋白的表达，表明离体培养虫黄藻可以通过刺激能量代谢循环来影响多种生化途径以应对扑草净应激。本研究为揭示珊瑚礁生态系统的退化机制，以及为开展珊瑚礁生态系统的保护、修复和管理工作提供科学依据。