大堡礁滨珊瑚属物种与株系间绿色荧光蛋白的差异性表达模式及其热应激响应研究

《Coral Reefs》：Green fluorescent proteins show divergent patterns among species and strains of Porites from the Great Barrier Reef

本研究针对珊瑚荧光蛋白功能多样性及其环境响应机制这一关键科学问题，研究人员以澳大利亚大堡礁的Porites cf. lutea和Porites cf. lobata为研究对象，通过比较形态学、系统发育分析和热应激实验，揭示了六种绿色荧光蛋白(GFP)分布模式（星型、均匀型、缺失型、触手型、口部区域型和触手尖端型），发现同一谱系内可表达截然不同的GFP模式且所有珊瑚虫保持一致。热应激导致GFP和红色荧光蛋白(RFP)分布重组为均匀模式，表明荧光蛋白可作为珊瑚热应激的非侵入性生物标志物。该研究为理解珊瑚对环境胁迫的适应机制及 reef 健康评估提供了新视角。

　　

在蔚蓝的海洋深处，珊瑚礁犹如水下热带雨林，构筑着地球上最繁盛的生态系统之一。然而随着全球气候变暖，珊瑚白化事件频发，这些绚丽的生态系统正面临严峻挑战。在这场生存危机中，珊瑚自身却隐藏着一种神秘的生存武器——荧光蛋白。这些蛋白质不仅能发出绚丽的绿色和红色荧光，更可能在珊瑚应对环境胁迫中扮演着关键角色。特别是在大堡礁这片世界闻名的珊瑚群落中，理解荧光蛋白的功能多样性对于保护珊瑚礁生态系统具有迫切意义。

澳大利亚海洋科学研究所和罗格斯大学的研究团队将目光投向了大堡礁的滨珊瑚属(Porites)，这些被称为"珊瑚界常青树"的物种以其出色的环境耐受性而闻名。研究人员在《Coral Reefs》期刊上发表的最新研究，通过多学科方法揭示了滨珊瑚属物种与株系间绿色荧光蛋白的惊人多样性及其对热应激的响应机制，为珊瑚保护提供了新的科学见解。

研究团队采用了综合性的技术方法，包括从大堡礁戴维斯礁(18°49'30"S, 147°38'42"E)约5米深度采集的27个Porites cf. lutea和Porites cf. lobata珊瑚样本的形态学鉴定；通过Leica MZ10F荧光立体显微镜进行GFP（激发470/30 nm，发射525/50 nm）和RFP（激发530/30 nm，发射605/70 nm）成像分析；基于宿主18S-28S rDNA序列的最大似然法系统发育树构建；以及针对单一基因型的控制组(28.38°C)与热应激组(32.4°C，持续5天)实验结合 metaproteomic（宏蛋白质组学）分析。

GFP-like荧光模式

研究人员在对27个滨珊瑚属珊瑚群体进行荧光成像分析后，发现了令人惊讶的GFP分布多样性。这些模式被归纳为六种主要类型：星型、均匀型、缺失型、触手型、口部区域型和触手尖端型。值得注意的是，某些模式如星型似乎为Porites cf. lobata所特有，而触手型和均匀型则在两个物种中均有发现。

通过Z堆栈三维重建技术，研究人员获得了更为精细的蛋白质分布信息。结果显示，GFP荧光与共生藻类（通过叶绿素自体荧光显示为红点）几乎不存在重叠，这一发现与Gruber等人(2008)的早期研究一致。更重要的是，珊瑚虫不同区域间荧光分布的明显分区现象表明，宿主珊瑚对所有群体内珊瑚虫的蛋白质分布具有严格的调控机制，呈现非随机分布特征。

Porites系统发育

基于18S-28S rDNA序列的系统发育分析表明，滨珊瑚属在全球范围内包含多个多系群，其系统发育关系更符合珊瑚采集地点而非传统的分类学划分。来自大堡礁的两个研究物种——Porites cf. lutea和Porites cf. lobata——形成了全球非单系系统发育中的 distinct clades（ distinct 进化枝），为GFP分布模式的 mapping（ mapping ）提供了基础。

将GFP模式映射到包含大堡礁来源样本的系统发育子树上后，研究人员发现了混合性结果：某些模式如星型由PL05-08(P. cf. lobata)单系群共享，触手型由PE01、PE05和Pll(P. cf. lutea)共享，而均匀型则由PE01、PE03和P07(P. cf. lutea)共享。这表明某些模式（如星型）具有更为受限的分布范围，而其他模式（如均匀型和触手尖端型）则分布更广。关键的是，即使复杂的GFP模式在同一个珊瑚群体的所有珊瑚虫中也保持一致，且在亲缘关系密切的滨珊瑚属株系/物种间存在显著变异。

RFP-like荧光模式

使用相同27个群体进行的RFP样模式检测显示，唯一可辨别的模式是触手型（见于P. lutea E03和P. lobata 03）和口部区域型（见于P. lobata 13），与前述的GFP highlighted（ highlighted ）模式存在重叠。研究人员观察到最高强度的RFP样信号集中在可能受损或 undergoing regrowth（ undergoing 再生）的群体区域。然而，由于所使用光学器件的限制，红色荧光信号可能包含了RFP和内源性叶绿素a荧光的混合信号，这使得对RFP表达的解读存在不确定性。宏蛋白质组学分析中未检测到RFP，可能反映了其低丰度特性而非绝对缺失。

荧光模式与热应激对生物荧光的影响

通过研究热应激对单一Porites cf. lobata基因型生物荧光模式的影响，研究人员发现了重要现象。在环境条件下，该个体表现出微弱但不同的绿色荧光模式，包括均匀型（环境2730）和触手尖端型（环境2731）。红色荧光则显示出明显的触手模式（如环境967）。

热应激处理后，GFP样表达模式 largely converged to uniform（ largely 趋于均匀型），对应着珊瑚碎片变白和细胞密度下降（对照组：9.82×10⁵±3.55×10⁵ cells/cm² 至处理组：2.55×10⁵±1.58×10⁵ cells/cm²）。就红色荧光模式而言，环境条件下的触手型完全消失，荧光减弱并变得均匀，剩余信号可能来自叶绿素荧光、骨骼散射和/或光谱渗漏。

宏蛋白质组学分析显示，在3187个检测到的蛋白质中，有一个被鉴定为GFP。差异丰度分析表明，在热应激实验结束时，对照组和热处理组之间的GFP丰度存在降低的 fold change（FC=-0.923）。重要的是，与预处理相比，环境组和热应激组在实验结束时的GFP丰度均有所增加，这可能反映了 generalized stress response（ generalized 应激反应）、对实验条件的 acclimation（ acclimation ）或受 thermal and non-thermal environmental cues（ thermal 和非 thermal 环境线索）调控的 temporal physiological regulation（ temporal 生理调控）。

研究结论与讨论部分强调了多项重要意义。研究表明，单个滨珊瑚属物种可能表达 divergent and distinct GFP-like patterns（ divergent 且 distinct 的GFP样模式），且所有珊瑚虫共享相同模式，表明宿主珊瑚对群体内所有珊瑚虫的蛋白质分布具有严格调控。这种生理整合可能解释了许多 poritid（ poritid ）珊瑚中珊瑚虫的协调性反应，为研究珊瑚虫作为个体或群体在应激响应中的协同作用提供了模型。

GFP分布在系统发育树中的部分聚类（如P. cf. lobata PL05-08）表明某些模式在某些谱系中变得固定，或者是基于选择约束的 convergent evolution（ convergent 进化）结果。如果群体生长早期事件决定了GFP模式，且这些模式反映了当地条件，那么这一特性可能为了解塑造礁石历史的过去（如 favoring heterotrophic feeding（ favoring 异养摄食）的 bleaching（ bleaching ）事件）和现在条件提供了见解。

热应激导致的GFP和RFP分布重组为均匀模式，表明这些蛋白质可能作为珊瑚热应激的生物标志物。这种重组可能是应对共生藻损失的适应性机制，通过提供广泛的光保护来补偿因共生藻减少导致的光吸收降低。荧光蛋白在应激响应途径中的招募可能 counteracts symbiont loss, light stress and oxidative damage（ counteracts 共生体损失、光应激和氧化损伤），或者仅仅是组织活力丧失的标志。

该研究还指出了方法学上的挑战，特别是在区分宿主来源的RFP与叶绿素荧光方面。未来的研究需要采用更精确的技术，如多波长激发成像、光谱分离或荧光寿命成像(FLIM)，来明确区分这些信号源。

总之，这项研究不仅揭示了滨珊瑚属荧光蛋白表达的惊人多样性，还证明了其在热应激条件下的可塑性响应。这些发现为开发基于GFP/RFP筛查的非侵入性工具来评估礁石健康和适应性响应奠定了重要基础，特别是在气候变化驱动的应激事件背景下，为珊瑚保护提供了新的科学视角和实用工具。