胚层特异碳酸酐酶基因表达及调节共生珊瑚钙化与光合固碳途径的研究

Coral is a low diploblastic animal, the skeleton is secreted by the ectoderm and the symbiotic Symbiodinium is located in the endoderm for photosynthesis, both calcification and photosynthesis are important processes of marine carbon sequestration. Previous studies had confirmed that the carbonic anhydrases (CAs) are an inherent part of the inorganic carbon concentrating process (CCM) in corals, which intimate links between the precipitation of calcium carbonate and the photophysiological. Due to the unique function and metabolism in coral germ layers, there has been limited consideration is how the CAs regulate this carbon allocation, however, this is especially importance for the bleach and survival of a symbiotic coral under ocean acidification in the near future. So this project is intended to use Galaxea fascicularis from South China sea as a coral model. Using of gene cloning, expression and purification, multi-clone antibody, immunohistochemical analysis and RT-PCR, to characterize the distribution of extracellular and intracellular CAs in coral germ layer spaces, and investigate the specific physiologic regulation function. Based on the short-term OA laboratory experiments, at the molecular level, to study the intrinsic relationship between the carbon assimilation rates involved in photosynthesis and calcification and the blastoderm-specific expression of CAs under ocean acidification. Overall, this study is expected to provide new insights to the molecular mechanism that the CA gene controls the carbon cycle response to ocean acidification in symbiotic corals. And providing a theoretical basis for the coral-algae interaction process and the control of carbon budgets for photosynthesis and calcification.

珊瑚属低等的二胚层动物，其中珊瑚钙化由外胚层分泌形成，而共生虫黄藻位于内胚层进行光合作用，钙化和光合作用是海洋生物重要的碳汇过程。前期已有研究证实碳酸酐酶作为珊瑚无机碳浓缩机制的重要配件，促进了碳的吸收并直接参与调节钙化和光合固碳过程。由于珊瑚胚层具有独特的功能和代谢性，碳酸酐酶如何协调钙化和光合作用的碳分配机制一直没有清晰的认识，但这对于探索未来海洋酸化背景下的珊瑚礁白化和生存至关重要。本项目以典型的丛生盔型珊瑚为研究对象，利用基因克隆表达与纯化、多克隆抗体制备、蛋白免疫组化及荧光定量PCR等技术，分析胞外分泌及胞质碳酸酐酶基因在珊瑚胚层的分布特征，探究碳酸酐酶参与的特异生理调节功能；并基于海洋酸化模拟实验，在分子水平上研究海洋酸化下珊瑚的钙化及光合固碳速率与胚层特异碳酸酐酶基因表达的内在联系，阐明海洋酸化影响共生珊瑚碳循环途径的分子机制，为“珊瑚—虫黄藻”共生互作过程和控制提供理论依据。

珊瑚属低等的二胚层动物，其中珊瑚钙化由外胚层分泌形成，而共生虫黄藻位于内胚层进行光合作用，钙化和光合作用是海洋生物重要的碳汇过程。前期已有研究证实碳酸酐酶作为珊瑚无机碳浓缩机制的重要配件，促进了碳的吸收并直接参与调节钙化和光合固碳过程。由于珊瑚胚层具有独特的功能和代谢性，碳酸酐酶如何协调钙化和光合作用的碳分配机制一直没有清晰的认识，但这对于探索未来海洋酸化背景下的珊瑚礁白化和生存至关重要。本项目以典型的丛生盔形珊瑚为研究对象，将丛生珊瑚群落设置于三种海洋酸化情景相关，包括当前时期(pHT = 8.15)、前工业化时期(pHT = 8.45)和未来IPCC-2100情景(pHT = 7.85)，基于此进行蛋白质组和微生物水平的分析。结果表明，在10天的短期实验中，三个pH值的变化对丛生盔形珊瑚的生理性钙化率无显著影响。然而，在蛋白表达水平和微生物水平表现出显著的差异。利用基因克隆表达与纯化、多克隆抗体制备、蛋白免疫组化及荧光定量PCR等技术，分析胞外分泌及胞质碳酸酐酶基因在珊瑚胚层的分布特征，结果表明：珊瑚外胚层碳酸酐酶(胞外CA1)的蛋白质的表达没有统计学上的显著差异，胞外CA1是钙化细胞外胚层无机碳浓缩过程(CCM)的固有组成部分，参与支持钙化部位的DIC供应。然而，珊瑚内胚层碳酸酐酶（胞内iCA）和碳酸氢盐阴离子转运蛋白(SLC4δ)参与内胚层虫黄藻共生体细胞内DIC对的递送，应对pH值7.85或8.45具有显著差异表达。综合考虑这些研究结果，我们提出:未来海洋pH或者海洋酸化可能会影响珊瑚钙化和光合作用过程通过碳收支的平衡，通过胞外CA1和胞内iCA的蛋白的调节表达，重新分配“珊瑚——虫黄藻”共生系统DIC，进一步参与珊瑚的光合作用和钙化反应特异生理调节功能。此外，我们还发现微生物群落结构的存在明显变化，特别是在OA应激反应中存在大量的微生物群落和功能紊乱，可能会损害珊瑚共生体的健康和适应性。这些研究结果有助于我们阐明海洋酸化影响共生珊瑚碳循环途径的分子机制，为“珊瑚—虫黄藻”共生互作过程和碳预算控制提供理论依据。