长牡蛎对海洋酸化的生物响应及生理适应机制初探

温室气体过量排放导致的海洋酸化现象已引起国际社会的高度关注。海洋酸化的加剧不仅能够导致海洋生态系统的结构和功能发生根本性的改变，也将对生物地球化学循环的关键过程产生重要影响。迄今为止，海洋酸化对生物体及生态系统影响的研究正处于起步阶段，从"整体"水平上探讨海洋酸化对生物体的胁迫作用以及评估海洋酸化风险的研究鲜有报道。本项目选择典型钙化生物长牡蛎开展酸化扰动模拟实验，探讨海洋酸化对牡蛎贝壳晶体组成、晶体取向以及外套腔微环境的影响；在此基础上，综合运用蛋白组学、代谢组学、差减杂交等技术手段，聚焦钙化作用、能量代谢、酸碱平衡等关键生理过程，系统研究海洋酸化对长牡蛎的胁迫作用；并结合通道阻滞剂/激动剂，探讨生物体应对海洋酸化胁迫的生理补偿途径及短板效应的分子机制，为准确预测海洋酸化对海水养殖业、渔业资源以及海洋生态系统的影响奠定基础，并为国家制订相关应对策略与政策提供科学依据。

海洋吸收了大约30%的人为排放二氧化碳，打破了原本海洋中的碳酸盐化学平衡，进而导致了海水pH的降低，这种现象被称为海洋酸化。研究已发现，海洋酸化能够显著影响部分海洋生物的生长、发育、钙化、能量分配等生理过程。本研究以长牡蛎为研究对象，整合利用蛋白质组学、代谢组学等技术，并结合传统生理、生化手段，分析了海水酸化（包括海水酸化和低氧交互）暴露后对长牡蛎贝壳微结构、免疫应激反应等生理过程的影响。采用SEM、X-ray衍射仪和FTIR技术，研究了海洋酸化短期暴露（28天）对长牡蛎贝壳生长缘内侧的影响。结果发现，对照组和低浓度处理组（~1000ppm pCO2）的片层结构排列较为规则，但高浓度处理组（~2000ppm pCO2）片层结构的规则性降低，推测高浓度的海洋酸化暴露可能影响晶体的取向，从而对贝壳结构的力学特性产生不利影响。此外，发现高浓度酸化暴露（~2000ppm pCO2）能够导致血淋巴细胞凋亡率和活性氧产生的显著增加（p<0.05），但能够抑制消化腺中多种抗氧化酶类的活性和GSH的含量；高浓度酸化暴露28天后，血淋巴细胞中多种免疫相关基因（Def、BPI、SOD、Hsp70、Hsp90）的表达量较对照组水平显著升高（p<0.05）。.采用核磁共振代谢组学与双向电泳蛋白质组学，分析了长牡蛎鳃、消化腺和外套膜组织对海水酸化暴露的响应。结果发现，海水酸化暴露（~2000ppm pCO2）导致长牡蛎鳃、消化腺和外套膜组织产生了能量代谢和渗透胁迫等多种生理响应。整合差异变化的代谢物和蛋白质，发现酸化暴露能够影响鳃组织中四氢嘧啶的合成、牛磺酸代谢以及三羧酸循环；在消化腺中，半乳糖代谢、牛磺酸代谢以及三羧酸循环等途径受到了影响；而在外套膜中，以三羧酸循环为代表的能量代谢过程以及细胞骨架结构则发生了显著变化。采用磷酸化蛋白质组学技术，分析了长牡蛎外套膜组织在海水酸化及低氧交互暴露后的响应情况。结果发现，在海水酸化及低氧交互暴露后，长牡蛎外套膜组织内参与能量代谢、免疫应答等生理过程的相关蛋白丰度发生了显著变化。整合差异表达蛋白发现，长牡蛎外套膜的神经内分泌调节系统（多巴胺以及GABAergic的合成）受到了显著影响，进而可能导致外套膜组织功能的异常。上述研究结果表明，海洋酸化能够显著影响长牡蛎的贝壳微结构、免疫应答以及能量代谢等生理过程，表明海洋酸化对海洋钙化生物构成了潜在的威胁。