入侵动物萨氏海鞘对环境剧变快速响应的分子机制研究

Given the rapid environmental changes induced by various anthropogenic activities, deep investigations on processes and mechanisms of species’ rapid adaptation to environmental changes has become the study hotspot in multiple disciplines such as Ecology, Evolutionary Biology and Environmental Sciences. As invasive species can successfully invade and adapt to different environments in a short period of time, they represent good models to study processes and mechanisms of interactions between organisms and environments. In this study, we use a model invasive animal, Ciona savignyi, to investigate possible mechanisms on rapid responses to environmental changes at both epigenetic and transcriptional (mRNA and lncRNA) levels. We will use common garden experiments to simulate the rapid environmental changes during invasions to identify key regulatory networks including genes and signaling pathways. In addition, we will reveal the potential regulatory relationship between epigenetic and transcriptional processes to elucidate their contributions to rapid responses. The results obtained here are expected to provide essential elements for our understanding of species’ rapid adaptation to different environments or environmental changes, and to provide theoretical and data supports for the study of impacts of environmental changes on various ecosystems globally.

在过去半个世纪由人类活动导致的全球环境急速变化这一大背景下，深入解析“生物对环境的适应过程和机理”成为生态学、进化生物学和环境科学等众多学科关注的研究焦点。入侵生物能够在短时间内完成不同环境下的栖息地转换和扩张，因此入侵生物成为研究生物对环境快速适应机理的良好材料。本研究选取海洋入侵动物萨氏海鞘为研究对象，采用实验室环境胁迫方法模拟在入侵过程中经历的快速环境变化，重点关注生物在短期内对环境剧变的响应模式，从表观遗传水平和转录水平（包括蛋白编码RNA和lncRNA）两个具有潜在调控关系的层次综合研究决定入侵生物快速响应环境变化的分子机理，揭示快速适应过程中表观遗传和转录水平的调控关系，确定参与对环境响应过程的关键调控网络。本研究取得的结果有利于我们更系统的揭示生物适应环境的本质，进而为研究环境变化对全球生态系统的影响提供理论基础和数据支撑。

全球气候变化背景下深入解析“生物对环境的适应过程和机理”成为生态与进化领域的研究焦点问题。相对于依赖遗传变异的长期适应机制而言，生物在一代之内基于表型可塑性的快速响应机制对其生存具有重要意义，然而其潜在复杂机制仍不明晰。本研究选取入侵海鞘为研究对象，关注其在全球航运介导的入侵过程中经历的快速环境变化，从DNA甲基化、基因表达、长链非编码RNA三个调控层面开展海鞘快速响应环境变化的分子响应机制研究。.海鞘基因组中DNA甲基化以CpG类型为主，转录单元内的DNA甲基化水平高于启动子区。环境变化可快速（1小时）诱导海鞘全基因组DNA甲基化模式发生重塑，且随胁迫时间呈现DNA甲基化恢复力现象，即环境诱导的DNA甲基化恢复到正常水平。高盐胁迫24和48小时后，分别有568、1062个基因在DNA甲基化调控水平发生响应，这些基因主要涉及钙调蛋白结合、转录辅助激活因子活性、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶活性、钙黏蛋白结合等生物学过程。.海鞘快速响应环境变化的基因表达可塑性呈现环境特异性，即高温、低温、高盐和低盐分别诱导不同的基因表达响应模式，同时具有胁迫时间依赖性。高温胁迫后基因表达响应模式呈现转录组恢复力现象，且组内个体间的基因表达差异显著增大。盐度胁迫响应机制研究揭示了自由氨基酸作为重要溶质分子在海鞘渗透压调节过程中的关键作用。此外，本研究首次在海鞘全基因组范围内鉴定了长链非编码RNA并系统分析了其组成和分类。.本研究在三个不同调控层面都筛选到了参与海鞘快速响应环境变化的关键位点或基因，为后续深入研究生物适应机制提供靶点。在此基础上，本研究进一步将海鞘快速响应环境胁迫的不同组学研究进行关联分析，解析不同分子调控机制之间的相互作用方式，最终阐明生物在一代之内快速响应环境变化的过程和机理。本研究对“初始表型可塑性”分子机制的系统探索可为其在长期适应性进化过程中的作用研究提供基础，有利于更好地理解全球气候变化背景下的适应机制。