太热、太冷还是刚刚好？环境温度对伊鲁坎吉水母（Carukia barnesi）两个生命周期阶段毒液的影响

《Toxicon》：Too hot, too cold or just right? The influence of environmental temperature on the venom of the Irukandji jellyfish Carukia barnesi across two life stages.

　　

摘要：

毒液生态学是刺胞动物中一个相对新兴且未被充分探索的研究领域，尽管已在少数物种中记录了毒液随环境温度、生命阶段和地理位置的变化。在此，我们以剧毒的伊鲁坎吉水母Carukia barnesi为研究对象，使用超高效液相色谱/质谱技术（UHPLC/MS）评估了三种环境温度（27°C、29°C 和 31°C）和两个生命阶段（水螅体和刚脱体水母体）下的毒液成分差异。我们展示了毒液在温度和生命阶段方面均存在变异，表明毒液与这些生态因素直接相关。这些毒液变异的潜在影响可能包括全球变暖导致的蜇伤严重程度变化、生命阶段之间重大的生态转变，以及已知的伊鲁坎吉综合征症状发作时间差异之间的潜在联系。

引言

水母拥有名为刺丝囊（nematocysts）的微观蜇刺器官，接触时会向猎物或人体组织注入毒液。海刺综合征是一种由多种小型、几乎看不见的箱形水母类蜇伤引起的复杂且极度疼痛的状况（Barnes, 1964; Fenner and Hadok, 2002）。昆士兰北部最常见且常被记录的伊鲁坎吉水母物种Carukia barnesi，已知会引起从极度肌肉疼痛、恶心和呕吐，到诱发脑出血甚至死亡的一系列症状（Barnes, 1964; Fenner and Hadok, 2002）。然而，尚不清楚是什么导致了这些蜇伤症状的差异，因为毒液毒性、地理位置、温度和蜇伤来源（伞体与触手）的差异仍知之甚少。

温度对刺胞动物毒液的影响是一个研究严重不足且理解甚少的领域，极少有专门的研究（O'Hara et al., 2021）。刺胞动物毒素基因表达随温度的组成差异仅被记录过两次，两者均显示长期（O'Hara et al., 2018）和短期（Sachkova et al., 2020）变化会导致海葵毒素表达的差异。箱形水母类的毒液变异仅在成年C. barnesi的个体发育（Underwood and Seymour, 2007）以及Chironex fleckeri的地理位置和季节（Winter et al., 2010）中被记录过，证明了箱形水母毒液随环境参数改变的能力。虽然此前从未在C. barnesi中分析过与温度相关的毒液成分，但水螅体的热耐受性已通过短期实验（Boco et al., 2019; Courtney et al., 2016a; Rowley et al., 2023）进行了探索，显示呼吸速率（Boco et al., 2019; Rowley et al., 2023）和繁殖（Boco et al., 2019; Courtney et al., 2016a）随温度显著变化。这些工作证明了C. barnesi的生理机能受温度强烈影响，这可能表明毒液成分也存在热驱动的表型可塑性的高度可能性。

随着全球变暖，海表温度正在上升，这些变化对刺胞动物（尤其是珊瑚）的不利影响已在全媒体和科学界广为人知（例如 Chimienti et al., 2021; Goulet & Goulet, 2021; Hoegh-Guldberg, 1999; Sammarco & Strychar, 2009; Weis, 2008）。具体而言，随着气温升高，伊鲁坎吉蜇伤季正在延长（Carrette & Seymour, 2013）。图 1 可视化了珊瑚海（C. barnesi的栖息区域）记录的年度海表温度异常值，显示其栖息地过去曾受这些温度升高影响，且未来很可能继续如此。

海洋热浪（MHWs）也是环境异常，会导致水温发生极端且突然的热变化，从而在短期内引起动物环境温度的剧烈变化。证据显示，过去一个世纪全球 MHW 的频率和持续时间平均值有所增加，并表明随着全球变暖，这种情况将继续增加（Oliver et al., 2018）。最近也特别注意到澳大利亚昆士兰地区 MHW 的增加（Heidemann and Ribbe, 2019）。伊鲁坎吉水母已知分布在大堡礁及相邻的昆士兰海岸线上，从蜥蜴岛一直到南部的赫维湾和卡加里岛。有记录显示，来自卡加里岛（弗雷泽岛）地区的伊鲁坎吉水母在海洋热浪期间或之后出现在异常高纬度的聚集区（Walker 2013, 如 Gershwin & Hannay, 2014 所引用）。

环境温度对C. barnesi，乃至任何箱形水母类的影响仍然未知。如果C. barnesi毒液发生任何未来变化，将严重加剧目前对伊鲁坎吉毒液理解的匮乏。基于当前的全球变暖预测，这些动物将经历未来的环境温度变化，而毒液成分任何变化产生的后果都有可能影响医疗蜇伤严重程度和动物的摄食生态学。本研究旨在预先阐明两个主要生命阶段毒液中任何潜在的组成变化。通过异地实验温度试验和毒液分析，探讨了以下假设：

H0a

C. barnesi水螅体的毒液成分不随环境温度变化。

H0b

C. barnesi刚脱体水母体的毒液成分不随环境温度变化。

章节片段

实验设置

C. barnesi水螅体可在凯恩斯詹姆斯·库克大学水族馆进行培养，长期在 27°C 下饲养（Courtney et al., 2016b）。从该种群中选取三个个体水螅体，培养成三个独立的克隆种群，作为本研究中的生物学（克隆）重复（A、B 和 C）。水螅体克隆在 450 毫升组织培养瓶中于 27°C 下培养，每两天换水一次，并投喂等量的活体 24 小时Artemia sp.无节幼体以促进

结果

使用液相色谱/质谱技术提取并分析了C. barnesi两个生命阶段（水螅体和刚脱体水母体）的毒液，以寻找三种环境温度（31°C、29°C 和 27°C）之间的组成差异，此处以总离子流色谱图（TICs）及相关质谱图呈现。对于水螅体毒液，每个温度呈现三个克隆重复；然而，由于克隆培养间变态成功率出现意想不到的差异

讨论

“金发姑娘”理论是一个生态学原则，概括了在生物过程中，往往存在“刚好合适”的条件，使该过程不仅能运作，还能蓬勃发展。动物的发育成本需要对当地热环境敏感，因为发育和代谢依赖于温度（Marshall et al., 2020）。发育的“金发姑娘”区间似乎出现在最适温度范围周围一个高度受限、狭窄的热窗口内，

CRediT 作者贡献声明

Emily O'Hara：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，资源，方法，调查，资金获取，形式分析，概念化。David Wilson：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，监督，资源，方法，形式分析，概念化。Jen Whan：写作 – 审阅与编辑，监督。Alun Jones：形式分析。Jamie Seymour：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，方法，资金

未引用参考文献

Sammarco, 2009.

伦理声明

无需伦理委员会批准。无脊椎动物（刺胞动物）研究豁免伦理批准。

资助

本工作得到了 北昆士兰医院基金会；以及澳大利亚狮子会海洋危险物种科学医学研究基金会 的支持。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被视为影响了本论文中报告的工作。

致谢：

感谢詹姆斯·库克大学凯恩斯校区的热带澳大利亚海刺研究单位，允许我们将他们的C. barnesi水螅体用作本工作中开发的克隆种群的起始培养物。特别感谢工作人员 Robert Courtney 博士、Sally Turner 和 Zac Mayberry 在收集实验水箱中的水螅体和刚孵化的水母体方面提供的协助。

Emily O'Hara|David Wilson|Jen Whan|Alun Jones|Jamie Seymour

澳大利亚热带健康与医学研究所，詹姆斯·库克大学，1/14-88 麦克格雷格路，史密斯菲尔德，昆士兰州 4878，澳大利亚