自工業革命以來，大氣中CO₂水平的上升導致了海洋酸化（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已經對海洋物種和生態系統構成了巨大的生態威脅，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注不足。針對這一研究盲點，聚焦西北太平洋沿岸生態系統中經濟價值高且被譽為“生態系統工程師”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-幼蟲階段發育特征和生物鈣化相關基因表達的影響。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的單一和聯合效應對鈣化程度低的棘皮動物早期發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育階段形態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個關鍵發育階段7個生物鈣化相關基因表達qRT-PCR驗證結果

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

研究表明，pH降低0.37個單位，刺參早期發育的發育周期延長了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致了海參幼蟲的鈣化程度低

研究發現，刺參胚胎-幼蟲發育過程中僅發現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-幼蟲發育過程中表達數量少（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差異。研究還發現，刺參胚胎-幼蟲發育過程中5個鈣化基因轉錄因子（erg，tgif，foxN2/3，gata1/2/3和tbr，圖1）均有表達；且海參和海膽體內與生物鈣化基因轉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）導致這兩個生物鈣化基因顯著上調（圖2），表明在刺參早期發育過程中，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育時間和更大的體形來增強生物鈣化相關基因的表達，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”為題發表在Environmental Research上。中國科學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