整合转录组与代谢组分析揭示了海参（Stichopus monotuberculatus）对低渗胁迫适应机制的新见解

《Marine Pollution Bulletin》：Integrated transcriptome and metabolome analysis reveals new insights into acclimation of sea cucumber Stichopus monotuberculatus to hypo-osmotic stress

本研究通过生理、转录组和代谢组学分析，揭示刺参Stichopus monotuberculatus在低渗（18‰和24‰）及恢复（30‰）下的渗透调节机制，发现低渗时通过分解自由氨基酸调节渗透，恢复阶段依赖无机离子运输，并激活脂代谢途径维持细胞稳态，为人工养殖提供理论依据。

　　

曾业涛|李超|郑博军|王海清

海南大学海洋生物与渔业学院，中国海口人民路58号，570228

摘要

商业上重要的海参Stichopus monotuberculatus的人工养殖受到幼体对环境压力（尤其是盐度突然变化）高度敏感的限制。然而，盐度适应的分子和生理机制仍不清楚。在这项研究中，我们结合了生理学、转录组学和代谢组学分析，以阐明S. monotuberculatus在低盐度条件（18‰和24‰）下的调节机制及其随后恢复到30‰的过程。结果表明，在低盐度胁迫下，氧气消耗率和Na⁺/K⁺-ATP酶活性显著下降，表明海参处于代谢抑制状态。转录组和代谢组学分析显示，渗透调节主要通过游离氨基酸的分解代谢和无机离子转运蛋白来调节。同时，脂质代谢途径显著增强，包括磷脂酰胆碱的生物合成和花生四烯酸的代谢，这表明它们在维持膜完整性和免疫调节中可能起作用。此外，参与过氧化物酶体脂肪酸β-氧化的基因显著上调，以补偿被抑制的线粒体TCA循环并满足低盐度胁迫下的能量需求。总之，在盐度降低期间，S. monotuberculatus主要通过游离氨基酸的分解代谢进行渗透调节，然后在盐度恢复时切换到无机离子转运。同时，它通过激活膜修复、免疫反应和通过脂肪酸β-氧化产生替代能量的途径来调整其脂质和能量代谢，以维持细胞稳态。这些发现为S. monotuberculatus的潜在渗透调节机制提供了新的见解，并加深了我们对海参在动态环境中生存策略的理解。

引言

全球气候变化导致近几十年来地表水和近海水的盐度显著下降（Hoegh-Guldberg等人，2018；Song和Choi，2021；Li等人，2022）。此外，政府间气候变化专门委员会（IPCC）的气候预测表明，极端降雨事件的频率和强度预计将增加，这将进一步加剧沿海和海洋水体的盐度波动（Cwt等人，2021）。在沿海系统中，盐度由于潮汐周期、表面蒸发和季节性降雨模式而自然波动（Geyer和MacCready，2013）。然而，由于气候变化的影响，这些波动的幅度和频率都显著加剧。因此，这些栖息地的底栖群落越来越暴露于低盐度胁迫下，对其生理恢复力和生态稳定性构成了重大挑战。

盐度是一个关键的环境因素，影响水生生物的生长、渗透调节、能量代谢、消化功能和免疫反应（Vargas-Chacoff等人，2015；Zhang等人，2025a，Zhang等人，2025b）。多种水生生物采用了多种适应策略。例如，鱼类和节肢动物具有高度特化的渗透调节器官（如鳃、触角腺和肾脏），以及高移动性，使它们能够通过主动离子排泄来适应盐度变化，或者主动避免低盐度环境（Evans等人，2005；Podbielski等人，2022a，Podbielski等人，2022b）；活动能力有限的双壳类动物主要依靠关闭壳瓣来暂时隔离自己，避免低盐度环境（Zhou等人，2022）。然而，大多数棘皮动物，包括海参，通常被认为是狭盐性物种，因为它们缺乏明显的特化渗透调节器官（Geng等人，2016）。尽管如此，许多研究表明，海洋棘皮动物通过多方面的适应策略来适应动态盐度波动。例如，海参Cucumaria frondosa在渗透胁迫下表现出行为适应，包括增加泄殖腔开口频率、减少底物附着和主动调整浮力（Jobson等人，2021）。作为渗透调节者，海参通过与周围海水的渗透平衡而不是严格调节内部渗透压来适应环境盐度波动，主要通过调节有机渗透溶质的浓度和特定膜转运蛋白的表达来实现（Lv等人，2016；Rivera-Ingraham和Lignot，2017）。在低盐度条件下，Holothuria moebii表现出Na⁺、K⁺和Cl^?离子浓度、细胞内有机渗透溶质水平以及Na⁺/K⁺-ATP酶活性的显著降低（Jiang等人，2024）。此外，研究还表明，海参上调其能量代谢以应对盐度波动，从而防止细胞内损伤（Podbielski等人，2022a，Podbielski等人，2022b）。例如，Yuan等人（2010）和Bai等人（2014）证明盐度显著影响Apostichopus japonicus的生长表现和能量分配，导致消化酶活性和呼吸速率显著升高。尽管有这些明确的生理适应机制，但海参渗透适应的分子机制仍很大程度上不清楚。

Stichopus monotuberculatus是一种热带海参，在印度-西太平洋国家是一种受欢迎的滋补食品（Deepa和Kumar，2010；Cheng等人，2021）。它因其营养和药用价值而受到高度重视，富含必需氨基酸、脂肪酸和微量元素（Chen，2014；Shou等人，2023）。近年来，由于过度捕捞和栖息地破坏，S. monotuberculatus的野生资源急剧减少（Palomar-Abesamis等人，2016；Huang等人，2020）。因此，迫切需要开发S. monotuberculatus的人工养殖方法，以满足市场需求并减轻对自然资源的压力（Hu等人，2010；Cheng等人，2021）。作为底栖生态系统中的渗透调节者，S. monotuberculatus采用了一系列生理适应机制来应对盐度挑战（Huang等人，2023；Huang等人，2024a，Huang等人，2024b）。然而，夏季强降雨导致的突然盐度波动已被证明会在陆基养殖中导致S. monotuberculatus幼体的高死亡率，这对商业养殖构成了关键瓶颈。因此，阐明S. monotuberculatus的盐度适应策略对于制定有效的缓解方案和实现水产养殖的可持续性至关重要。

迄今为止，转录组学和代谢组学已被用于研究S. monotuberculatus幼体对低盐度胁迫的反应（Huang等人，2023，Huang等人，2024a，Huang等人，2024b）。然而，这些研究仅关注了短期的盐度降低，而没有考虑盐度干扰后的恢复阶段，这可能限制了我们全面理解强降雨事件引起的盐度波动的能力。此外，综合转录组学和代谢组学方法已被广泛用于系统研究水生生物的盐度适应机制（Zhang等人，2025a；Liu等人，2025；Zhang等人，2025b；Jiang等人，2024）。

在这项研究中，我们使用生理学、转录组学和非靶向代谢组学分析方法，研究了S. monotuberculatus在正常盐度（30‰）、低盐度条件（18‰和24‰，代表强降雨后常见的盐度水平）以及盐度恢复条件（30‰）下的生理和分子反应。本研究旨在表征海参在低盐度胁迫下的渗透反应，从而为理解其在盐度波动期间的调节机制提供理论基础，并支持水产养殖实践的优化。

动物采集和适应

从中国海南的Kuntian海洋生物技术有限公司共采集了540只海参，平均湿重为0.16 ± 0.06克。然后，在采集后约3小时内，将海参立即运输到实验室，使用保温塑料容器（体积：100升），并通过便携式空气泵持续供氧，以保持溶解氧水平高于5毫克/升。到达实验室后，将海参放置在循环水养系统中

氧气消耗率

图2显示了S. monotuberculatus在盐度波动下的氧气消耗率（RO）。实验期间，不同处理组之间的RO存在显著差异，这通过双因素方差分析（ANOVA；F_2,42 = 7.657，P < 0.05）确定。在S18组中，除了U0和U24外，海参的RO显著低于对照组（P < 0.05）。相比之下，在S24组中，只有U48的RO显著低于对照组

有助于渗透调节的无机离子和游离氨基酸

在水生生物中，无机离子排泄是一种关键的细胞内渗透调节机制，对于在低盐度条件下维持渗透平衡和防止细胞过度膨胀至关重要（Freire等人，2011）。在海参中，由Na⁺/K⁺-ATP酶和Na⁺/K⁺/Cl^?共转运蛋白介导的离子转运在调节细胞内离子浓度和维持渗透平衡中起着关键作用

结论

本研究通过生理学、转录组学和代谢组学分析，全面阐明了S. monotuberculatus在盐度波动下的渗透调节机制。在盐度降低期间，渗透调节可能主要通过游离氨基酸的分解代谢来调节，而在盐度恢复阶段，无机离子转运起着更重要的作用。在脂质代谢中，S. monotuberculatus上调了磷脂酰胆碱的生物合成

作者贡献声明

曾业涛：撰写——原始草稿，可视化。李超：数据管理。郑博军：软件。王海清：撰写——审稿与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42106113）、国家重点研发计划（2024YFD2401802）和海南大学研究基金（KYQD(ZR)21001）的支持。