狗whelk和贻贝在捕食不同阶段的全基因组代谢组反应

《Marine Environmental Research》：Global metabolomic responses of dogwhelk and mussel during different stages of predation

狗whelks与贻贝的捕食互作中，代谢组学揭示四阶段动态重编程：能量代谢与毒素合成在捕食者，炎症与抗氧化在猎物，并发现angiotensin系统调控狗whelks行为。

　　在海洋生态系统中，捕食者与猎物之间的相互作用是维持生态平衡和生物多样性的重要机制。这些互动不仅影响个体的生存和繁衍，还对整个生态系统的结构和功能产生深远影响。近年来，随着代谢组学技术的发展，科学家们开始从分子层面深入研究捕食者与猎物在不同互动阶段所发生的生理和行为变化。本研究聚焦于一个典型的潮间带捕食者-猎物系统——狗whelks（*Reishia clavigera*）和贻贝（*Mytilus galloprovincialis*），通过代谢组学分析揭示了它们在不同捕食阶段的代谢响应机制，为理解生态系统的动态变化提供了新的视角。

捕食者与猎物之间的互动不仅仅是物理层面的接触，更涉及到一系列复杂的化学信号交流。这些信号不仅影响猎物的行为反应，如逃离或减少摄食，还可能触发猎物的生理应激反应，包括炎症、免疫系统激活以及能量代谢的变化。与此同时，捕食者也会通过释放特定的代谢产物来增强其捕食效率，例如合成毒素或促进能量动员。这种双向的化学信号传递是生态系统中一种普遍存在的现象，尤其是在水生环境中，捕食者通过化学线索影响猎物的行为和生理状态，而猎物则通过化学防御机制来应对潜在的威胁。

在本研究中，科学家们选择了狗whelks和贻贝作为研究对象，分别在四个不同的捕食阶段进行代谢组学分析：分离阶段（IS）、同水但无接触阶段（SW）、初次接触阶段（FT）以及持续接触三小时阶段（T3h）。通过非靶向LC-MS/MS方法，研究人员成功鉴定了2044种不同的代谢物，涵盖了21个生物化学类别，包括有机酸及其衍生物、芳香族化合物、杂环化合物、甘油磷脂、氨基酸及其代谢物、醛酮酯类、激素及相关化合物、脂肪酸、核苷酸及其代谢物、醇和胺类，以及甘油脂等。这些代谢物的变化反映了捕食者和猎物在不同互动阶段所经历的生理状态和适应策略。

在分离阶段，狗whelks和贻贝均处于相对独立的状态，此时它们的代谢活动可能受到环境因素的影响，但尚未受到彼此之间的直接化学信号刺激。随着进入同水但无接触阶段，捕食者和猎物开始通过水体中的化学信号进行信息交换。研究发现，狗whelks在此阶段上调了类固醇激素的合成以及半胱氨酸/甲硫氨酸代谢，产生了一些差异表达的代谢物，如内啡肽-1。这些代谢物可能与捕食者对猎物的识别和准备捕食有关。相比之下，贻贝则激活了花生四烯酸代谢和嘌呤代谢，表现出炎症反应和应激调节能力下降的特征。这种差异可能反映了猎物在感知捕食风险后所采取的防御策略。

在初次接触阶段，狗whelks和贻贝之间的互动进一步加深。研究发现，狗whelks在此阶段上调了5-羟基-L-色氨酸（一种血清素前体）、ADP（二磷酸腺苷）以及三氯乙酸（一种能够溶解贝壳的物质）等代谢物的表达。这些代谢物可能与捕食者在接触猎物后启动的捕食行为相关，例如通过释放毒素来削弱猎物的防御能力，或通过增加能量代谢来支持进一步的捕食行动。与此同时，贻贝则上调了色氨酸代谢，同时表达了一些能够缓解应激的代谢物，如氧比普罗卡因和美沙拉嗪。这些代谢物可能有助于贻贝在面对捕食者时维持其生理稳定，减少对自身造成的伤害。

随着捕食行为的持续，进入持续接触三小时阶段，捕食者和猎物的代谢响应进一步变化。研究发现，狗whelks在此阶段优先激活了嘌呤代谢，以满足其在持续捕食过程中的能量需求。而贻贝则上调了色氨酸代谢，以产生肾上腺素（增强肌肉质量）和美沙拉嗪（一种止痛药），这些代谢物可能帮助贻贝在遭受捕食后进行修复和恢复，同时减少捕食带来的生理负担。这种差异化的代谢策略反映了捕食者和猎物在不同互动阶段所采取的适应性行为，即捕食者通过优化能量代谢和毒素合成来维持捕食行为，而猎物则通过激活抗炎机制和能量产生途径来抵御捕食。

除了对狗whelks和贻贝的代谢组学分析，研究人员还进行了关于血管紧张素的实验。通过选择卡托普利（一种血管紧张素转化酶抑制剂）作为实验化学物质，他们验证了其对狗whelks捕食行为的影响。实验结果表明，卡托普利能够影响狗whelks的捕食行为，这可能与其干扰捕食者体内某些代谢信号有关。这一发现进一步支持了代谢物在捕食者与猎物互动中的关键作用，并为理解化学信号如何调控捕食行为提供了新的线索。

本研究的发现表明，捕食者和猎物在不同互动阶段表现出不同的生理策略。捕食者通过优化能量代谢和毒素合成来维持捕食行为，而猎物则通过激活抗炎机制、能量产生途径以及止痛药物来抵御捕食。这种差异化的代谢响应机制不仅有助于个体在捕食压力下的生存，还可能对整个生态系统的动态变化产生影响。例如，捕食者通过释放特定的代谢产物来影响猎物的行为，而猎物则通过调整自身的代谢状态来应对捕食风险，这种互动模式可能在不同物种之间具有普遍性。

此外，本研究还强调了非消耗性捕食效应（NCEs）在生态系统中的重要性。NCEs是指捕食者通过化学信号影响猎物的行为和生理状态，而不直接导致猎物死亡。这种效应在水生生态系统中尤为常见，因为猎物往往能够通过感知捕食者的化学信号而提前做出反应，例如减少摄食或逃离捕食者。这种行为反应不仅有助于猎物的生存，还可能对整个生态系统的结构和功能产生间接影响。例如，猎物减少摄食可能影响其生长和繁殖，进而改变其种群密度和分布。

在海洋生态系统中，尤其是潮间带岩石海岸，捕食行为是维持生物多样性和生态系统功能的重要因素。捕食者不仅直接控制猎物的数量，还可能通过其非消耗性效应影响整个食物链的结构和动态。例如，捕食者的存在可能促使猎物改变其行为模式，从而影响其他物种的捕食和竞争关系。这种复杂的相互作用网络使得生态系统具有高度的动态性和适应性，同时也增加了研究捕食者与猎物互动机制的复杂性。

本研究的发现不仅揭示了捕食者与猎物在不同互动阶段的代谢响应机制，还为理解生态系统的动态变化提供了新的视角。通过代谢组学分析，研究人员能够识别捕食者和猎物在不同阶段所涉及的代谢物，从而揭示其生理和行为变化的分子基础。这些结果表明，捕食者和猎物在面对彼此时，会通过调整自身的代谢状态来适应环境变化，这种适应性行为可能对生态系统的稳定性和功能产生深远影响。

进一步的研究还表明，捕食者和猎物的代谢响应可能受到多种因素的影响，包括环境条件、捕食压力的强度以及猎物的个体差异。例如，在波浪暴露度较高的环境中，捕食者和猎物的代谢活动可能更加活跃，因为环境变化增加了它们的应激反应。此外，捕食压力的强度也可能影响代谢物的表达水平，例如在持续接触阶段，捕食者可能需要更多的能量来维持其捕食行为，而猎物则可能需要更多的抗炎和修复代谢物来应对捕食带来的伤害。

本研究的发现对于生态学和生物学研究具有重要意义。首先，它为理解捕食者与猎物之间的相互作用提供了新的分子层面的证据，有助于揭示生态系统中复杂的信号传递机制。其次，它展示了代谢组学在生态研究中的应用潜力，为评估生态风险和理解生物响应机制提供了新的工具。最后，它还为保护海洋生态系统提供了科学依据，通过了解捕食者和猎物的代谢响应机制，可以更好地预测和管理生态系统中的物种关系和生态过程。

此外，本研究还强调了跨学科研究的重要性。代谢组学作为一门结合化学、生物学和生态学的学科，能够提供关于生物体内代谢物变化的全面信息。这种信息不仅可以用于研究个体的生理和行为变化，还可以用于评估生态系统中的动态变化。因此，未来的研究可以进一步探索代谢组学在生态学中的应用，结合其他研究方法，如基因组学、蛋白质组学和生态建模，以更全面地理解生物系统的复杂性。

总的来说，本研究通过代谢组学分析揭示了捕食者与猎物在不同互动阶段的代谢响应机制，为理解生态系统的动态变化提供了新的视角。这些发现不仅有助于揭示捕食者与猎物之间的相互作用，还可能对生态系统的管理和保护产生重要影响。通过进一步的研究，科学家们可以更深入地探索这些代谢响应机制，为生态学和生物学研究提供更加丰富的理论和实践支持。