《Coral Reefs》：Time-course transcriptome analysis identifies increased receptor-mediated signaling prior to synchronous spawning in Acropora digitifera
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同域分布的珊瑚群体每年会在一到几个夜晚同步释放配子，这种现象称为珊瑚大规模产卵（coral mass spawning）。对于珊瑚而言，配子释放的时机对成功受精至关重要，并被认为由遗传机制与环境因素（如月相周期、温度和光周期）之间的复杂相互作用调控。尽管先前研
同域分布的珊瑚群体每年会在一到几个夜晚同步释放配子，这种现象称为珊瑚大规模产卵（coral mass spawning）。对于珊瑚而言，配子释放的时机对成功受精至关重要，并被认为由遗传机制与环境因素（如月相周期、温度和光周期）之间的复杂相互作用调控。尽管先前研究已比较了不同环境条件（如满月vs新月）下的转录组差异，但时间进程转录组分析能更深入地揭示产卵前动态分子过程。本研究呈现了在产卵季节收集的多孔鹿角珊瑚（Acropora digitifera）的转录组谱，以探究与产卵启动相关的基因表达变化。分析表明，5-羟色胺能受体（serotonergic receptor）和类固醇介导信号（steroid-mediated signaling）参与触发配子释放。研究人员还检测到产卵前α1-肾上腺素能受体基因（alpha1-adrenergic receptor gene）上调，该基因可能在调节配子束协调释放所需的平滑肌收缩中发挥作用。相反，共生藻类的转录组分析未显示与宿主产卵时机相关的一致表达模式，表明藻类共生体不太可能直接控制这一过程。总之，这些发现为珊瑚大规模产卵的分子机制提供了新见解，并突出了可能调控这一显著生殖同步性的候选信号通路。
**论文解读文章**
**研究背景、存在问题与研究动机**
珊瑚大规模产卵（coral mass spawning）是维持珊瑚种群遗传多样性和促进珊瑚礁恢复的关键生态过程。该现象通常发生在满月后的一周内，不同群体在同一夜晚同步释放雌雄配子。然而，产卵时机受水温、潮汐、风速、月光等多重环境因素影响，且在不同珊瑚类群、物种、地点及年份间差异显著。对于多样性最高、分布最广的石珊瑚属——多孔鹿角珊瑚属（Acropora），其产卵时间尤为多变，甚至在新月期也偶有发生，表明环境因子（如月相）并不能单独作为稳定的同步信号。尽管已有研究比较了满月与新月等环境差异下的转录组变化，并发现隐花色素（cryptochrome）等光感受器的上调，但这些变化可能仅反映昼夜节律（circalunar rhythm）而非直接参与产卵调控。此外，相关基因表达变化与配子释放的直接关联尚不明确。近期在Acropora tenuis中的时间序列转录组分析揭示了产卵前数周至数小时的分子动态，但直接涉及配子释放的基因表达变化仍未充分解析。因此，本研究利用新近公布的高质量染色体级基因组，对多孔鹿角珊瑚（Acropora digitifera）进行产卵季时间进程转录组分析，旨在鉴定与配子释放启动相关的分子机制。
**研究开展、结论与意义**
研究人员在2013年产卵季于日本冲绳濑底岛附近标记了7个成熟的多孔鹿角珊瑚群体，采集分支尖端样本（产卵前约一个月、产卵前一周、产卵前夜至产卵后两天），并进行RNA测序（RNA-seq）。通过比较产卵群体与非产卵群体的基因表达差异，共鉴定出204个产卵相关候选基因。其中，上调基因富集于信号转导（signal transduction）和受体功能类别，包括5-羟色胺受体7（HTR7）、膜孕酮受体γ（PAQR5）和类固醇受体RNA激活子1（SRA1），提示5-羟色胺能信号（serotonergic signaling）和类固醇介导信号（steroid-mediated signaling）参与触发配子释放。此外，α1-肾上腺素能受体样基因（alpha1-adrenergic receptor-like gene）在产卵前上调，可能调控配子束释放所需的平滑肌收缩。相反对照，共生藻类（以Cladocopium为主）的宏转录组未显示与产卵时机一致的表达变化，表明藻类共生体不直接控制产卵过程。这些发现揭示了多孔鹿角珊瑚同步产卵的候选信号通路，为理解珊瑚生殖同步性的分子基础提供了新见解。该论文发表在《Coral Reefs》。
**关键技术方法**
研究样本来自日本冲绳濑底岛附近7个成熟的多孔鹿角珊瑚群体（2013年4月26日采集并转移至水族箱）。在产卵前一周至产卵后两天，于傍晚收集分支尖端，液氮速冻保存。总RNA提取后使用Illumina HiSeq 4000进行101 bp双端测序。宿主转录组定量采用SALMON软件，参照多孔鹿角珊瑚染色体级基因组v3.2及相应基因模型。共生藻类宏转录组通过筛选未映射至宿主基因组的reads，经TRINITY从头组装并鉴定候选Symbiodiniaceae序列，再定量表达。差异表达基因的筛选基于每个群体内基因表达的标准差（SD）：SD > 0.5视为可变基因，并通过eggNOG-mapper进行功能注释。与Acropora tenuis的基因库比较使用OrthoFinder进行直系同源群（orthogroup）分析。
**研究结果**
**可变基因差异表达前于产卵**
在31,537个预测基因模型中，14,013个基因（44%）在所有群体中稳定表达。其中，258个基因在5个产卵群体中显示可变表达模式，排除在配子束中高表达的基因后，获得204个候选基因。
**产卵相关基因的表达模式与功能**
非度量多维尺度分析（NMDS）将204个基因分为两个簇：簇I（158个基因）在产卵夜间上调表达；簇II（46个基因）在产卵期间下调表达，并可进一步分为产卵夜下调、产卵前夜下调和波动型三种模式。这些表达变化仅出现在产卵群体中，非产卵群体中未检测到。功能注释显示，上调与下调基因均富集于“翻译后修饰、蛋白质周转、分子伴侣”、“信号转导机制”和“转录”三类功能，而光感受器如隐花色素未被鉴定为候选基因，与Acropora tenuis的时间序列分析结果一致。
**受体介导信号通路的参与**
在产卵前显著上调的基因中，包括5-羟色胺受体7（HTR7）、膜孕酮受体γ（PAQR5，属于类固醇受体家族）和类固醇受体RNA激活子1（SRA1）。此外，α1-肾上腺素能受体样基因（g8511）也上调表达。这些结果支持5-羟色胺能信号和类固醇介导信号参与配子释放的启动，而α1-肾上腺素能受体可能调控配子束释放所需的平滑肌收缩。
**与Acropora tenuis的基因库比较**
直系同源分析覆盖91.7%的预测基因，但204个产卵相关基因中仅5个与Acropora tenuis共享，且表达轨迹不保守。这种低重叠可能源于采样时间差异：本研究采样紧邻产卵前，而Acropora tenuis的研究在产卵前1-3小时采样，捕获了不同的转录窗口。此外，两物种产卵时间不同（Acropora tenuis于日落后约15分钟产卵，多孔鹿角珊瑚约160分钟后产卵），可能反映物种特异性上游信号通路差异。
**共生藻类宏转录组分析**
构建的藻类宏转录组包含142,509个转录本（103,469个基因），其中98.99%来源于Cladocopium。在每个产卵群体中，有9,547至14,950个基因表现出表达变化，但无任何基因在所有产卵群体中一致差异表达，表明共生藻类的转录动态不直接驱动产卵时机。
**总结讨论与结论翻译**
讨论部分指出，5-羟色胺受体和类固醇受体在产卵前的上调与已知的诱导产卵功能（如在海洋双壳类中5-羟色胺诱导产卵，以及在鱼类中类固醇调控生殖）相符，但需进一步功能验证。α1-肾上腺素能受体样基因的上调可能参与配子束释放的肌肉收缩。与Acropora tenuis的比较揭示产卵相关基因表达在不同物种间缺乏保守性，暗示产卵调控涉及多个时间阶段的转录程序，且物种特异性基因可能微调产卵时机。共生藻类未呈现一致表达变化，支持其非直接调控宿主产卵的假说。研究结论翻译如下：总之，这些发现为珊瑚大规模产卵的分子机制提供了新见解，并突出了可能调控这一显著生殖同步性的候选信号通路。
