由Hypnea pannosa接触引起的Porites cylindrica的生理损伤和代谢紊乱

《Marine Environmental Research》：Physiological Impairment and Metabolic Perturbations in Porites cylindrica Induced by Hypnea pannosa Contact

本研究通过21天实验，发现珊瑚P. cylindrica与H. pannosa直接接触引发氧化应激，导致MDA升高19.06%，Fv/Fm下降12.26%，叶绿素a减少66.73%，脂类等储备耗竭。代谢组学揭示脂质介导防御通路激活，为珊瑚礁修复提供理论依据。

　　

摘要

珊瑚礁生态系统正在加速退化，其特征是活珊瑚覆盖率的下降和大型藻类繁殖的增加。然而，珊瑚在长期面对大型藻类竞争时的代谢调整机制仍不甚明了，尤其是在生理变化与代谢响应及恢复力机制的整合方面。本研究进行了一项为期21天的实验，以探讨珊瑚Porites cylindrica与大型藻类Hypnea pannosa之间的生理和代谢组学反应。主要发现表明，与H. pannosa的直接物理接触引发了P. cylindrica的严重氧化应激，表现为丙二醛（MDA）水平升高19.06%、Fv/Fm值降低12.26%、内共生微藻密度减少8.65%、脂质储备减少44.21%、碳水化合物储备减少7.91%以及蛋白质储备减少12.03%。代谢组学分析鉴定出81种上调和114种下调的代谢物。KEGG通路富集分析显示，这些差异表达的代谢物主要与脂质介导的防御机制相关，包括花生四烯酸代谢和不饱和脂肪酸生物合成途径。这些机制上的见解加深了我们对珊瑚-大型藻类竞争动态的理解，并为制定有针对性的珊瑚礁恢复策略提供了重要的理论基础。

引言

在全球海洋变暖和局部破坏性人类活动（如富营养化、过度捕捞和污染物排放）的共同影响下，珊瑚礁生态系统正从以珊瑚为主导转变为以大型藻类为主导的群落，这一转变标志着珊瑚礁的逐渐退化（Hughes, 1994; McManus et al., 2020; Randazzo-Eisemann et al., 2021）。塞舌尔群岛就是一个例子：在那里，石珊瑚覆盖率在三十年内下降了90%以上，而大型藻类的覆盖范围从3%增加到了42%（Graham et al., 2015）。许多先前的研究已经阐明，大型藻类与珊瑚之间的竞争机制主要包括过度生长、窒息、磨损、化感作用和微生物促进等，这些都对珊瑚造成了压力（Smith et al., 2006; Brown et al., 2020; Adam et al., 2022）。

直接物理接触是大型藻类对石珊瑚产生负面影响的主要且最常见的机制，它在更广泛的竞争互动中引发应激反应（McCook et al., 2001; Clements et al., 2020; Grillo et al., 2024）。机制研究表明，当珊瑚物种如Acropora millepora接触到Galaxaura rugosa和Sargassum polycystum等大型藻类时，其骨骼生长和光合作用会受到影响，但在≥1.5厘米的距离上这些影响会减轻（Clements et al., 2020）。同样，Porites cylindrica在靠近Sargassum hystrix（大型藻类）时钙化速率会降低，而Dictyota pulchella（大型藻类）引起的磨损也会抑制其生长（River and Edmunds, 2001; Box and Mumby, 2007）。生化分析显示，Porites cylindrica在接触Lyngbya bouillonii（大型藻类）后，虫黄藻损失了54%，叶绿素a含量减少了67%，Fv/Fm值降低了29%；而Merulina ampliata、Montipora stellata和Pocillopora acuta在接触后表现出70–83%的组织坏死和30–41%的Fv/Fm值下降（Titlyanov et al., 2007; Fong et al., 2020）。

这些相互作用的生理基础涉及从生长相关代谢向应激相关代谢的重新分配（Monteil et al., 2020）。在Acropora millepora与Chlorodesmis fastigiata（大型藻类）接触过程中，蛋白质分解代谢增加，超氧化物歧化酶活性升高，表明氧化应激迅速被激活（Shearer et al., 2012）。这种氧化失衡导致蛋白质降解和细胞凋亡，这一点通过超氧化物歧化酶活性的升高和脂质过氧化标志物的增加得到证实（Richier et al., 2005; Merle et al., 2007）。具体来说，珊瑚在长期应对藻类竞争过程中的代谢调节机制如何变化，以及这些变化如何影响珊瑚的存活和适应能力，目前仍不清楚。

在三亚吴志洲岛（18°19'N, 109°46'E）进行的野外调查显示，与Hypnea pannosa直接接触的Porites cylindrica出现了裸露的骨骼，而未受影响的区域珊瑚虫体则正常生长（图S1）。基于此，我们使用吴志洲岛的这两种优势物种进行了为期21天的接触实验。通过生理分析（丙二醛、能量底物、共生体光合作用）和非靶向代谢组学研究，探讨了珊瑚在持续互动中的生存策略。通过表征珊瑚对大型藻类的反应及其相关的代谢变化和能量分配模式，本研究揭示了特定阶段的脂质重塑机制，并阐明了氧化应激的发展动态。这些机制的阐明不仅加深了我们对珊瑚与大型藻类竞争相互作用的理解，还为设计有针对性的珊瑚礁恢复策略建立了理论框架。

采样与收集

采样

2024年3月，研究团队在中国三亚吴志洲岛（18°19.031'N, 109°46.123'E）的珊瑚礁区域，使用潜水设备在4–5米深度、2米半径范围内采集了3个15 × 15厘米的珊瑚群落和大约600克的混合大型藻类（图S1）。我们已获得海南省农业和农村事务部门的许可在吴志洲岛采集珊瑚。采集后，样本被分别置于氧气环境中运输至实验室。

光合作用效率、叶绿素a含量和内共生微藻密度

实验第21天，对对照组和实验组的珊瑚表面进行了形态观察（图2）。21天后发现，实验组中的H. pannosa侵入性地附着在P. cylindrica上。统计分析显示，P. cylindrica对物理刺激的光合作用反应存在明显的时间差异。在最初的7天暴露期内，对照组和实验组之间的Fv/Fm值没有统计学上的显著差异。

与H. pannosa的接触引发了P. cylindrica的氧化应激和代谢障碍

与H. pannosa直接接触后，P. cylindrica出现了显著的氧化应激反应，表现为MDA水平显著升高（P < 0.05）。MDA是脂质过氧化的副产物，是氧化应激的公认生物标志物，其浓度升高直接反映了细胞膜的损伤（Lesser, 2006; Baird et al., 2009; Glasauer and Chandel, 2013; Tsikas, 2017）。这一发现证实了珊瑚与大型藻类之间的竞争相互作用。

结论

我们的研究结果表明，P. cylindrica在与H. pannosa直接接触后经历了显著的氧化应激。这种应激导致MDA水平升高，表明细胞膜受损，以及脂质、碳水化合物和蛋白质等关键细胞成分的能量耗尽。同时，氧化应激还降低了内共生微藻的密度，从而减少了从微藻转移到珊瑚体内的脂质和碳水化合物。

CRediT作者贡献声明

Mingce Huangfu：资源获取、数据可视化、实验研究。He Zhao：资源获取、数据可视化、实验研究。Yushan Li：数据可视化、数据管理、方法学。Yinyin Zhou：写作、审稿与编辑、项目管理。Haiyan Yang：数据可视化、正式分析、初稿写作、方法学、数据管理。Jinling Liu：数据可视化、数据管理、正式分析。Aimin Wang：项目管理、审稿与编辑、概念构思。Rou-Wen Chen：写作、审稿

未引用参考文献

Athenstaedt and Daum, 1999; Chandel, 2021; Costa et al., 2021; Funk, 2001; Huang et al., 2018; Kitakaze et al., 2021; Stanley and Kim, 2019; Zhao et al., 2024.

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究的利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42206108）和海南大学学校基金（XJ2400005261）的支持。