亚得里亚海共生海葵抗氧化防御个体内变异的季节性

《Marine Environmental Research》：Seasonality of Intra-organismal Variations of Antioxidant Defenses of a Symbiotic Sea Anemone from the Adriatic Sea

　　

摘要

已观察到光和温度的季节性波动会对共生刺胞动物造成氧化应激。我们调查了温带海葵Anemonia viridis中区域特异性和季节性的抗氧化反应以及共生体特征（叶绿素a、共生虫黄藻科浓度、有丝分裂指数），重点关注野外标本触手和柱体区域的单一抗氧化剂和总氧自由基清除能力（TOSC）。夏季触手中的共生体密度增加（32.3 ± 18 ×10⁶细胞 g^-1干重），同时有丝分裂指数升高（6.8%），叶绿素a水平降低。相比之下，柱体中的过氧化氢酶活性达到65 ± 14.6 μmol min^-1 mg^-1蛋白质，超过触手水平的两倍。夏季触手中针对羟基自由基的TOSC也增加（977 ± 162 mg^-1），表明该季节氧化压力增强。冬季抗氧化活性下降，同时共生体活性降低。总体而言，这些发现表明抗氧化防御存在解剖学区室化和季节性可塑性，支持共生体的韧性，其中触手作为主要的应激缓冲结构，可局部化并减轻氧化损伤。这些机制对于刺胞动物在日益变化的环境中生存至关重要。

引言

海洋刺胞动物与属于共生虫黄藻科的单细胞藻类之间的共生关系广泛分布于热带和温带海洋环境中[1]。根据LaJeunesse等人[2]提出的分类修订，本手稿中统一使用共生虫黄藻科这一术语。这种互利共生关系被认为是进化的重大成功[3]，因为它们支持高效的营养交换：宿主提供无机化合物，而藻类将光合作用产生的氧气和有机碳转移给宿主以支持其新陈代谢[4]，[5]，[6]。这些共生关系支撑着整个生态系统的生产力和韧性，如珊瑚礁[7]，[8]，[9]。然而，尽管有这些益处，这些共生关系也带来了生理代价。共生体的光合作用活动会导致活性氧（ROS）的持续产生[10]，[11]，这些活性氧必须被可靠地清除以防止细胞损伤[12]。在浅水环境中，这种调节变得尤为关键，因为光和温度在一年中波动明显[13]。了解这些生物如何在这种动态条件下维持氧化平衡，是评估其对环境变化韧性的关键。

虽然ROS在细胞信号传导、免疫反应和捕食等过程中发挥重要作用[14]，[15]，[16]，但其积累超过生理阈值可能会产生有害影响。活性物种如超氧阴离子（O₂^-）、过氧化氢（H₂O₂）、单线态氧（¹O₂）和羟基自由基（HO•）可对生物大分子造成损伤，如脂质过氧化、蛋白质氧化和DNA损伤[17]，[18]，[19]。在热应激和光照应激期间，共生刺胞动物中ROS的产生主要源于藻类共生体的光合作用装置，光系统I和II中电子传递的破坏促进了活性氧的形成[20]。这些活性物种通常由一系列抗氧化防御机制所缓冲，包括酶类成分（如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽S-转移酶）和非酶类化合物（如类胡萝卜素、维生素C、生育酚、黄酮类、谷胱甘肽）[21]，[22]。当ROS产生超过抗氧化能力时，会发生氧化应激，可能导致白化，即通过排出或降解藻类共生体而破坏共生关系[23]。

氧化挑战通常与热浪或极端辐射等急性事件相关，但也可能源于常规的环境变异性[24]。刺胞动物经历显著的光和温度的昼夜[25]，[26]和季节性[27]，[28]，[29]波动，两者都直接影响光合作用和ROS的产生[30]，[31]。虽然热带海洋环境全年通常热稳定[32]，但地中海等温带地区的海水温度[33]和光可获得性[34]表现出更宽的季节性波动，为本地刺胞动物共生体创造了高度变化的氧化环境[31]。

这种外部波动反映在内部，表现为组织氧水平的显著变化，如在昼夜周期中所示，从由宿主和共生体呼吸驱动的夜间缺氧，到光合作用高峰期的日间过氧[35]，[36]，[37]。这些研究表明，一天内光和温度的变化如何强烈调节内部氧动态[38]，[39]。类似的生理机制预计也会在更长的时间尺度上发挥作用，因为辐射和温度的季节性变化也可能影响光合产氧与呼吸耗氧之间的平衡。这种动态的内部环境需要持续调节抗氧化反应以维持细胞氧化还原平衡[17]，[18]。

这种快速可逆调节的能力，称为氧化还原可塑性，被认为是光合共生生物韧性的标志[40]。温带物种中酶类抗氧化活性的季节性调节已有记录，如海绵Petrosia（Petrosia）ficiformis（Poiret, 1789）[41]，其中宿主的抗氧化剂随环境变化和共生体产生的ROS而波动[17]。同样，在海葵Anemonia viridis（Forssk?l, 1775）[42]中，抗氧化酶如超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶表现出高度的同工酶多样性和组织特异性表达，支持在昼夜和季节性变异性下的氧化还原稳态[12]，[19]，[37]。在热带石珊瑚如Pocillopora capitata（Verrill, 1864）[43]中也观察到类似的季节性模式，夏季抗氧化酶和光保护化合物如类真菌素氨基酸（MAAs）增加，可能增强了对热应激和光照应激的耐受性[44]。

尽管有了这些见解，抗氧化反应与共生体特征（如密度和色素含量）之间的关系可能在不同的身体部位有所差异[45]。共生虫黄藻科在宿主各区域分布不均，主要集中于暴露于光下区域的胃层，如触手[45]。这种空间组织，连同局部光照暴露和共生体丰度的差异，可在同一生物体内部产生异质性氧化微环境，从而在宿主身体各区域间产生空间分化的抗氧化反应。这种生物体内部异质性在温带环境特有的显著季节性变异性下可能尤为相关。例如，Coll等人[45]报道了绿海葵柱体和触手之间抗氧化活性的差异，后者表现出更高水平的氧化应激。随着气候变化加剧了热带系统以外的环境变异性[46]，[47]，理解这种生物体内部变异日益重要，但温带刺胞动物共生体在组织层面的响应仍不清楚。

为了研究季节性环境变异性如何影响共生刺胞动物的氧化调节，我们研究了地中海野生绿海葵种群，该种群最近已成为研究刺胞动物-共生虫黄藻科共生关系的有价值模型[12]，[48]，[49]，[50]。触手和柱体分别进行分析，以考察区域特异性氧化模式（参见[45]），并评估功能不同的身体区域是否表现出不同的抗氧化反应。2013年7月至2014年7月的月度采样使我们能够定量分析共生虫黄藻科密度、叶绿素-a含量、有丝分裂指数以及一系列抗氧化参数，包括过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽S-转移酶以及针对HO•和ROO•的TOSC。通过结合季节性和身体区域特异性分析，本研究提供了对自然环境条件下共生体内部抗氧化防御协调机制的更广泛理解，以及它们如何与共生功能相关联。

分节摘要

采样设计和采样点描述

2013年7月至2014年6月，每月在意大利北部亚得里亚海的帕塞托（安科纳）随机采集5个Anemonia viridis标本（参见[49]）。该沿海地区以浅水著称，深度可达4米，沉积率高，季节性温度变化显著，北半球冬季（1月至3月）温度为7–10°C，夏季（7月至9月）在调查期间温度可达25–27°C（http://www.mareografico.it

共生体密度、有丝分裂指数、叶绿素a浓度

虫黄藻密度仅在身体部位间存在显著差异（SRH检验，p< 0.05；表1；图2A），触手中的浓度（658 ± 384 ×10⁶细胞 g^-1干重）最高可达柱体（176 ± 161 ×10⁶细胞 g^-1干重）的七倍。相反，各季节间未记录到显著变化，两个身体区域在秋季（触手 = 708 ± 392 ×10⁶细胞 g^-1干重；柱体 = 319 ± 226 ×10⁶细胞 g^-1干重）和春季（触手 = 750 ± 560 ×10⁶细胞 g

讨论

本研究揭示了Anemonia viridis生理学的两个主要模式。第一，共生体生理和抗氧化反应全年变化显著，表明与环境条件自然季节性变化的密切关联。第二，这些反应在触手和柱体之间始终存在区室化：虽然触手维持较高的共生体密度和叶绿素浓度，但柱体通常表现出更高的抗氧化

利益声明

作者声明不存在竞争性财务利益。

CRediT作者贡献声明

Benedetti Maura：写作 – 审阅与编辑、可视化、验证、指导、方法论、调查研究、数据整理。Regoli Francesco：写作 – 审阅与编辑、指导、资金获取。Silvia Arossa：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、可视化、验证、项目管理、方法论、调查研究、形式分析、数据整理。Cerrano Carlo：写作 – 审阅与编辑、指导、资源、资金获取、概念化。Di

竞争性利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

Silvia Arossa|Carlo Cerrano|Maura Benedetti|Camilla Roveta|Francesco Regoli|Cristina Gioia Di Camillo