《Biology》：Prey Preference of the Freshwater Jellyfish Craspedacusta sowerbii: Integrated Behavioral Observations and Transcriptomic Responses to Phytoplankton and Zooplankton
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淡水生态系统极易受到生物入侵的破坏。全球分布的入侵性水螅纲动物Craspedacusta sowerbii因其独特的摄食选择性而对浮游生物群落施加强烈的下行控制压力。尽管已有研究证实其偏好捕食浮游动物而非浮游植物，但这种猎物辨别背后的整合机制仍知之甚少。本研究
淡水生态系统极易受到生物入侵的破坏。全球分布的入侵性水螅纲动物Craspedacusta sowerbii因其独特的摄食选择性而对浮游生物群落施加强烈的下行控制压力。尽管已有研究证实其偏好捕食浮游动物而非浮游植物，但这种猎物辨别背后的整合机制仍知之甚少。本研究整合了行为观察和比较转录组学，以探究成年C. sowerbii水母体的猎物偏好策略。行为学实验表明，其仅对浮游动物进行主动捕食，对浮游植物无定向捕猎行为。显微观察显示，摄入的浮游动物在6 h内被高效降解，而浮游植物细胞则被排出且无明显消化迹象。转录组分析表明，摄食浮游动物诱导C. sowerbii发生深刻的转录重编程，催化活性和水解酶活性相关基因显著富集，并伴随核糖体生物合成和线粒体氧化磷酸化的显著上调。相比之下，浮游植物暴露引发的代谢扰动可忽略不计。水解酶、蛋白质合成、能量代谢、细胞骨架运动和黏液产生的协同激活构成了C. sowerbii摄食偏好的潜在生理基础。野外观察进一步表明，水母体胃腔中的杀菌细菌可能辅助其对浮游植物的有限利用。本研究阐明了调控C. sowerbii营养选择性的机制，填补了其摄食生态学的关键知识空白，并为该物种的环境适应性和生存策略提供了新见解。
研究背景方面，外来入侵物种（IAS）通过捕食、竞争排斥和栖息地改造对本地物种施加强烈抑制压力，导致本地生物多样性丧失和生态系统退化。全球已记录超过37,000种外来物种，其中3,500种被认定为有害入侵物种，每年造成超过4,230亿美元的经济损失。水生生态系统由于普遍的水文连通性和固有的生态脆弱性，对生物入侵的易感性尤为突出。淡水水母Craspedacusta隶属于水螅纲（Hydrozoa）淡水水母目（Limnomedusae）花笠水母科（Olindiidae），原产于中国长江流域，现已被认定为全球入侵性分类单元。C. sowerbii自1880年首次记录以来，已扩散至除南极洲外的所有大陆。作为顶级无脊椎捕食者，水母体大量摄食浮游生物，对当地渔业造成不利影响。C. sowerbii通过强烈捕食桡足类、轮虫和其他浮游动物重塑食物网结构，成熟水母体可在4–5 h内摄食多达190个浮游动物。尽管已有野外监测和胃含物显微分析证实该物种对浮游动物具有明显的摄食选择性，但先前研究多局限于形态分类学和行为特征描述，其生理学和基础代谢调控通路仍知之甚少。现有假说将其选择性摄食归因于触手间刺细胞间距的形态特征优化了捕获大型猎物的能力，但该假说无法解释为何C. sowerbii能摄入但无法消化浮游植物。因此，本研究旨在揭示C. sowerbii对浮游动物和浮游植物差异摄食反应的生理基础。
研究人员以成年C. sowerbii水母体为实验材料，建立了室内人工培养系统，并以浮游动物和浮游植物分别作为饲料进行受控投喂实验。通过整合行为观察和比较转录组分析，探究了C. sowerbii的猎物偏好。研究发现，C. sowerbii主动捕获并消化浮游动物，而对浮游植物不表现定向捕食或消化行为。转录组分析表明，摄食浮游动物重塑了大量与催化活性和水解酶活性相关的基因，并激活了核糖体生物合成和线粒体能量代谢等保守功能通路，而浮游植物暴露仅引起微小的转录改变。本研究系统表征了C. sowerbii在不同膳食条件下猎物处理的生理调控差异，填补了Craspedacusta选择性摄食生态学的长期知识空白，并为这一全球分布入侵性淡水水母的入侵成功和营养适应策略提供了新见解。
关键技术方法方面，研究人员从中国黄石一个乡村池塘（115.0708° E, 30.0583° N）采集稳定自然种群持续存在八年的Craspedacusta样本，经分子鉴定确认为C. sowerbii。建立室内培养系统，以混合藻液（Haematococcus、Chlorella和Scenedesmus）作为浮游植物猎物，以Artemia无节幼体作为浮游动物猎物。行为实验设置空白对照组（CK）、浮游植物投喂组（PHY）和浮游动物投喂组（ART），利用数码相机和显微镜进行形态学观察。在投喂后6 h采集样本进行RNA-seq分析，采用Illumina NovaSeq X Plus平台进行双端测序，利用Trinity进行从头组装，DESeq2进行差异表达分析，GOseq和KOBAS进行功能富集分析。
研究结果方面，第一，C. sowerbii对浮游植物和浮游动物的摄食行为差异显著。浮游植物释放后，水母体未表现明显的行为偏好或捕食兴趣，但胃腔内可观察到残留的绿色藻细胞，这种被动摄入可能由节律性伞部搏动产生的吸入水流驱动。相反，水母体对浮游动物表现强烈的主动捕食行为，包括定向游向猎物、身体翻转和伞部卷曲包裹猎物、口腕紧密缠绕，随后缓慢下沉。完全摄入后主动上浮继续捕获猎物，胃腔内平均摄入浮游动物近63个/水母体。约6 h后，未消化的浮游动物残渣被排出。
第二，C. sowerbii对浮游植物和浮游动物的消化反应差异显著。浮游植物细胞在胃腔内聚集并随胃腔节律性搏动同步振荡，3 h和6 h后仍保持完整的绿色色素和细胞壁，无消化迹象。相比之下，浮游动物在摄入后立即聚集，3 h后内部透光率显著增加、体边界模糊和结构退化，6 h后大部分虫体被彻底分解。
第三，转录组变异分析表明，PC1和PC2分别解释18.90%和15.07%的总转录方差。PHY组与CK组转录组高度相似，而ART组与CK和PHY组均存在显著转录分歧。ART vs. CK比较产生2,337个差异表达基因（DEGs）（995个上调、1,342个下调），远多于PHY vs. CK的593个DEGs（208个上调、385个下调），两组共享130个DEGs。
第四，代谢通路改变方面，PHY vs. CK比较中未检测到显著富集的GO术语，而ART vs. CK比较中核糖体（55个DEGs, padj = 0.0027）、结构分子活性（73个DEGs, padj = 0.0028）和核糖体生物合成（53个DEGs, padj = 0.0030）显著上调富集。KEGG分析中，PHY vs. CK仅铁死亡通路显著上调（ko04216, 2个DEGs, padj = 0.0044）；ART vs. CK中核糖体（ko03010, 46个DEGs, padj = 2.49 × 10
?19）、帕金森病（ko05012, 13个DEGs, padj = 0.0398）和糖胺聚糖生物合成–硫酸角质素（ko00533, 3个DEGs, padj = 0.0458）显著上调，氧化磷酸化（ko00190, 11个DEGs, padj = 0.0794）和产热（ko04714, 12个DEGs, padj = 0.1857）虽未达显著阈值但具强生物学相关性。
第五，基因表达谱改变方面，46个核糖体相关基因在PHY vs. CK中均无差异表达，而在ART vs. CK中全部显著上调，代表性基因log2FC值均大于6。11个线粒体电子传递链（ETC）相关基因显著上调，包括Complex I的ND2–5和NDUFA4、Complex III的CYTB（log2FC = 13.85）、Complex IV的COX3、COX4和COX8以及Complex V的ATPeF0C和ATPeF1B。此外，糖胺聚糖生物合成–硫酸角质素相关基因（3个）、细胞骨架调控基因TUBB和RHOA（5个）、HIF-1信号通路相关应激基因（5个）、果糖和甘露糖代谢基因（3个）以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢基因（3个）均在ART vs. CK中显著上调。
讨论部分总结：研究人员首次整合受控行为实验和比较转录组学解析了成年C. sowerbii水母体猎物选择性的机制基础。GO分析表明催化活性和水解酶活性相关DEGs在ART vs. CK和PHY vs. CK中均显著富集，表明C. sowerbii拥有专门激活用于浮游动物消化的精密分子调控网络。浮游植物和浮游动物的生化组成差异主要体现在水解消化的结构屏障上：藻类细胞壁主要由纤维素和果胶等结构多糖组成，而Artemia无节幼体外骨骼主要由几丁质–蛋白质复合物构成。转录组分析显示C. sowerbii富含编码蛋白酶、几丁质酶、胰蛋白酶、肽酶和脂肪酶的转录本，但未检测到纤维素酶或果胶酶的同源基因，这种水解酶基因库的转录分歧构成了驱动C. sowerbii选择性摄食行为的关键分子机制。KEGG富集进一步鉴定核糖体生物合成、氧化磷酸化和产热为浮游动物捕食后最显著激活的通路，ETC Complex I–V亚基基因的显著上调验证了线粒体呼吸和ATP产生的增强。此外，糖胺聚糖生物合成通路的上调表明黏液合成和分泌增强，TUBB和RHOA的上调反映细胞运动和体变形能力增强，HIF-1信号和碳水化合物代谢通路的激活反映适应性代谢重塑和轻度餐后应激调控。这种生理重塑与食物热效应（TEF）高度一致。关于胃腔中杀菌细菌的潜在作用，研究人员基于先前发表的16S rRNA扩增子测序数据进行重新分析，发现胃腔中Massilia、Pirellula、Acinetobacter和Deinococcus等属的相对丰度显著高于周围环境，其中Massilia、Acinetobacter和Deinococcus已被广泛记载为典型杀菌细菌。研究人员据此提出假设：胃腔富集的杀菌细菌和其他共生微生物在自然条件下协助C. sowerbii分解浮游植物生物量，从而实现浮游植物来源营养的间接利用。从入侵管理角度看，由于水母体强烈依赖浮游动物获取营养，针对浮游动物群落的水库和湖泊管理策略可能有助于限制该入侵物种的种群增殖，但应考虑浮游动物稀缺条件下胃腔共生杀菌细菌提供的潜在辅助营养。研究局限性包括：C. sowerbii缺乏遗传操作和长期饲养方案、组织生物量极低限制了多组学验证和功能遗传表征、未进行RT-PCR验证、猎物组合缺乏广泛生态代表性、固定温度和光周期忽略了自然昼夜和季节振荡、仅关注自由游泳水母体阶段而未研究底栖水螅体阶段。
研究结论部分翻译：本研究结合受控行为观察和比较转录组学，系统探究了全球入侵性淡水水母Craspedacusta sowerbii的猎物偏好机制。行为实验证实水母体在6 h内主动捕猎并高效消化浮游动物，而浮游植物仅被被动摄入且保持未消化状态。摄食浮游动物触发广泛的转录重编程，包括消化水解、核糖体生物合成和线粒体能量代谢通路的激活。相比之下，浮游植物暴露诱导的转录组改变可忽略不计；消化能力的差异部分由水解酶相关基因库的差异部署所解释。本研究对淡水入侵生态学和水螅纲营养生理学做出两项关键贡献：第一，据研究人员所知，这是首个整合摄食行为和转录组破译C. sowerbii猎物辨别的机制研究，填补了其营养选择性分子基础的长期知识空白；第二，本研究提出了一个可检验的假设，即胃腔共生杀菌细菌可能在自然环境中实现浮游植物的间接利用，突显了宿主–微生物相互作用在该入侵性水母生存策略中未被充分重视的作用。这些发现增进了对生理和分子过程如何塑造C. sowerbii摄食选择性和入侵适应性的理解，并为这一全球扩散水螅纲动物的风险评估和管理考量提供了机制支持。后续需要多组学、微生物操控和全生命周期实验来验证微生物辅助营养假说并将这些发现推广至变化的自然环境条件。
