这些靴子是为行走而生：关键种端足类Gammarus locusta中性别特异的生理与代谢组策略反映雄性对海洋变暖的脆弱性偏向

《Global Change Biology》：These Boots Are Made for Walking: Sex-Specific Physiological and Metabolomic Strategies Reflect Male-Skewed Vulnerability to Ocean Warming in a Keystone Amphipod

　　

性别特异性变异可关键性地塑造物种对环境变化的生理响应，且在繁殖期间具有潜在的重大影响。然而，这一变异来源常被忽视。为弥补这一不足，研究人员探究了潮间带关键种端足类Gammarus locusta（栖息于热动力学多变的沿海环境）雄性和雌性在高温下的适合度、整体生物性状及代谢组特征。研究人员将个体逐步驯化至四个生态相关温度（16°C、21°C、26°C和31°C），并在受控实验室条件下维持这些条件21天。在26°C和31°C时，两性生存率均下降，雌性始终表现出更高的上限热耐受、更宽的热安全边际（TSM），但热驯化能力低于雄性。尽管高温（26°C和31°C）下繁殖产量降低，但幼体体长增加，表明采取了“质量优于数量”的繁殖策略。在代谢组层面，雌性表现出更强的可塑性，与能量代谢、氨基酸生物合成和细胞应激防御相关的通路增强，这表明其适应性激活而非脆弱性增加，与它们更高的热耐受和生存率一致。高温还损害了端足类的能量状态，葡萄糖与ATP:ADP比率均下降，尤其在31°C时最为明显。总体而言，研究人员揭示了G. locusta中性别特异的代谢组策略定义了不同的性别热耐受水平。随着海洋变暖加剧，雄性的更大脆弱性可能导致种群性别比例偏向雌性。如果雄性数量不足以使所有雌性受精，这种不平衡可能会限制交配机会并改变种群操作性性别比例及动态。研究人员的研究强调，将性别特异性生理响应与生活史和适合度度量相结合，以建立热胁迫如何塑造繁殖动态并最终影响种群生存力的机制性理解具有重要意义。通过将细胞代谢与生物体适合度相关联，研究人员提供了跨尺度洞见，以更准确地预测海洋无脊椎动物对全球变化的响应。

海洋变暖是威胁海洋生态系统的最普遍且多层面的胁迫因素之一（Bopp et al. 2013; Venegas et al. 2023），不仅表现为基线海水温度的慢性升高，还表现为海洋热浪（MHWs）等急性热异常的频率、强度和持续时间增加（Hobday et al. 2016; IPCC 2022）。然而，目前仅有少数生态学和生理学研究在表征物种对环境胁迫的耐受性和适应性时考虑了性别差异（Ellis et al. 2017; Iwasa and Yamaguchi 2023），从而可能掩盖了生物学变异的重要来源。研究人员以潮间带关键种端足类Gammarus locusta为模式物种，系统比较了雌雄个体在宽热窗口下的适合度响应、热耐受及代谢组可塑性，以揭示性别差异如何塑造物种对海洋变暖的响应。

研究人员在葡萄牙Ria de Aveiro沿海泻湖（Mira水道，Costa Nova）采集G. locusta成体（包括抱卵雌性和雄性，n_总=858），并置于20°C、盐度30的实验室条件下驯化15天。实验选取四个温度（16°C、21°C、26°C、31°C），每个温度设5个重复水箱（每个水箱含约20雄20雌），采用逐步升温/降温（1°C/h）避免热休克，暴露21天。主要方法包括：（1）动态温度试验测定临界热最大值（CT_max），以2°C/h升温直至丧失运动能力；（2）计算热安全边际（TSM = 个体CT_max - 最大栖息地温度MHT，MHT基于2022年夏季每30分钟记录的数据，MHT=28.6°C）；（3）计数幼体数量并测量幼体体长（L_t = -0.153 + 1.218 × L_m）；（4）靶向代谢组学分析：采用高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS/MS）定量47种代谢物（包括氨基酸、有机酸、糖类等）；（5）统计方法包括线性混合模型（LMM）、广义线性模型（GLM）、主成分分析（PCA）、稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）、线性模型（limma）差异丰度分析及FELLA通路富集分析。

研究结果如下：

**3.1 生存率**：暴露21天后，生存率随温度升高显著下降（F_3,16=17.27, p<0.0001），16°C（66.9%）和21°C（62.3%）显著高于26°C（49.1%）和31°C（38.9%）。

**3.2 上限热耐受、热耐受可塑性与热安全边际**：CT_max随暴露温度非线性升高，但雌雄响应存在显著交互作用（χ²=15.367, df=3, p<0.0015）。雌性在16°C和31°C的CT_max平均值分别比雄性高2.12%和1.16%。雌性热安全边际更宽（最高达6.20°C vs. 雄性5.87°C），但驯化响应比率（ARR）较低，尤其在31°C时（雌性0.08 vs. 雄性0.10），支持“具体上限”假说（Stillman 2002）。

**3.3 繁殖输出与幼体体长**：繁殖输出随温度升高非线性下降（从16°C的470.4只幼体降至31°C的11.2只，χ²=136.34, p<0.0001）；幼体体长却显著增加，在26°C和31°C时（8.98 mm和8.05 mm）显著长于16°C（3.50 mm），表明高温诱导“质量优于数量”的繁殖策略。

**3.4 代谢组对性别和温度的响应**：整体代谢组（47种代谢物）PERMANOVA显示性别（R²=0.166, p=0.001）和温度（R²=0.115, p=0.030）效应显著，但交互作用不显著（p=0.415）。sPLS-DA分析显示雌雄代谢组在温度梯度下分离。limma分析发现：雌性比雄性在21种差异丰度代谢物（DAMs）中含量更高；雄性在26°C和31°C时分别有6种和5种代谢物含量低于16°C。雌雄在21°C（7种DAMs）和26°C（18种DAMs）差异最大，但在31°C无显著差异，表明极端热胁迫下性别特异性代谢差异消失。通路富集分析显示共9条通路在两性间差异利用，包括雌性优先利用的ABC转运蛋白、谷胱甘肽代谢等通路，雄性则利用不足。

**3.5 ATP:ADP比率**：ATP:ADP比率随温度升高显著下降（p=0.011），性别边缘显著（雄性略高，p=0.063），无交互作用。

**讨论部分**：研究人员发现雌性具有更高的上限热耐受但更低的可塑性，与雄性相比，雌性持续保持更高的代谢物丰度（如NAD、FAD、谷氨酸等）以维持能量平衡和氧化还原调节。温度升高至26°C时性别差异最大，但31°C时趋同，表明极端胁迫可能超越性别特异性调控。雄性更依赖能量保守策略，但ABC转运蛋白和谷胱甘肽代谢通路利用不足，导致其热胁迫下更易受损。高温降低生存和繁殖输出，但幼体体长增大，反映雌性投资策略的适应性转变。研究结论：海洋变暖下雄性更强的脆弱性可能偏斜种群性别比例，限制交配机会，影响种群动态。这项研究首次结合代谢组-生理-适合度层面揭示性别特异性响应机制，强调在气候变暖预测中应纳入性别作为关键生物学变量。论文发表在《Global Change Biology》。