自工業(yè)革命以來，大氣中CO₂水平的上升導(dǎo)致了海洋酸化（Ocean acidification，OA）和變暖（Ocean warming，OW）。IPCC（2021）報告表明，到21世紀(jì)末，海洋平均pH值將下降0.3-0.4個單位（RCP8.5），海水平均溫度將上升1.5°C至3.0°C。OA和OW已經(jīng)對海洋物種和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了巨大的生態(tài)威脅，尤其是依賴于生物鈣化形成骨骼的鈣化物種，如棘皮動物。但是，目前海洋酸化及/或變暖對棘皮動物潛在影響的研究偏重于鈣化程度高的海膽和海星，而對鈣化程度低的海參類關(guān)注不足。針對這一研究盲點，聚焦西北太平洋沿岸生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)濟價值高且被譽為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”的刺參（Apostichopus japonicus）為研究對象，旨在評估不同海洋酸化和變暖場景對刺參胚胎-幼蟲階段發(fā)育特征和生物鈣化相關(guān)基因表達的影響。研究包括一個對照組和三個實驗組：CON（19°C，400μatm）；OA（19°C，1000μatm）；OW（22°C，400μatm）；以及OAW（22°C，1000μatm）。本研究有助于理解氣候變化下OA或OW的單一和聯(lián)合效應(yīng)對鈣化程度低的棘皮動物早期發(fā)育的影響及其分子機制。

圖1 海洋酸化和變暖對刺參早期發(fā)育階段形態(tài)特征和生物鈣化基因表達的影響

圖2 不同海洋酸化和變暖場景下刺參胚胎-幼蟲3個關(guān)鍵發(fā)育階段7個生物鈣化相關(guān)基因表達qRT-PCR驗證結(jié)果

研究亮點一：海洋酸化延緩了刺參早期發(fā)育，縮短了其體長，但變暖減輕了其對胚胎和幼蟲形態(tài)特征的負(fù)面影響

研究表明，pH降低0.37個單位，刺參早期發(fā)育的發(fā)育周期延長了8.58–56.25%，體長減少了0.36–19.66%；而升溫3.1℃下，其發(fā)育周期縮短了33.99-55.28%，體長增加了2.44-14.41%（圖1）。

研究亮點二：生物鈣化基因表達少導(dǎo)致了海參幼蟲的鈣化程度低

研究發(fā)現(xiàn)，刺參胚胎-幼蟲發(fā)育過程中僅發(fā)現(xiàn)2個表達的生物鈣化基因（colp3α，cyp2，圖1）。與海膽相比，海參不僅擁有數(shù)量較少的生物鈣化基因（海參7個vs海膽31個），且海參的生物鈣化基因在胚胎-幼蟲發(fā)育過程中表達數(shù)量少（海參2個vs海膽8個），這可能解釋了海參體壁中小骨片與海膽“全副武裝”的外骨骼之間的形態(tài)差異。研究還發(fā)現(xiàn)，刺參胚胎-幼蟲發(fā)育過程中5個鈣化基因轉(zhuǎn)錄因子（erg，tgif，foxN2/3，gata1/2/3和tbr，圖1）均有表達；且海參和海膽體內(nèi)與生物鈣化基因轉(zhuǎn)錄因子的表達均始于囊胚期，表明兩者骨骼的形成時機是一致的。

研究亮點三：氣候變化通過影響海參幼蟲的發(fā)育速率和體形大小改變了其生物鈣化基因的表達

刺參從囊胚期發(fā)育到樽形幼蟲，pH降低0.37個單位并沒有顯著影響生物鈣化基因colp3α和cyp2的表達水平；然而，溫度升高（OW和OAW組）導(dǎo)致這兩個生物鈣化基因顯著上調(diào)（圖2），表明在刺參早期發(fā)育過程中，升溫而不是pH值降低促進了骨片的形成。海洋變暖可能通過更快的發(fā)育時間和更大的體形來增強生物鈣化相關(guān)基因的表達，從而強化了海參的生物鈣化作用，減弱了海洋酸化的負(fù)面影響。

該工作以“Effects of seawater acidification and warming on morphometrics and biomineralization-related gene expression during embryo-larval development of a lightly-calcified echinoderm”為題發(fā)表在Environmental Research上。中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所為論文第一完成單位，袁秀堂研究員為論文通訊作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金（41676164，42061160365，41906098和41906115）等項目的資助。

論文信息：

Mingshan Song,Da Huo,Lei Pang,Zhenglin Yu,Xiaolong Yang,Anguo Zhang,Ye Zhao,Libin Zhang,Xiutang Yuan*,2024. Effects of seawater acidification and warming on morphometrics and biomineralization-related gene expression during embryo-larval development of a lightly-calcified echinoderm. Environmental Research,248,118248

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.118248