海洋所在海洋生物“環(huán)境記憶”機(jī)制解析與應(yīng)用方面取得新進(jìn)展
中科院海洋所貝類研發(fā)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng) “美麗中國生態(tài)文明建設(shè)科技工程”——“服務(wù)于‘美麗海洋’的生物調(diào)控技術(shù)與示范”子課題,在牡蠣適應(yīng)性機(jī)制解析及抗性提升技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得了階段性新進(jìn)展,相關(guān)成果近期發(fā)表于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域期刊Science of the Total Environment、Marine biotechnology等。
在全球氣候變化加劇和極端天氣頻發(fā)的背景下,海洋生物面臨著嚴(yán)峻的生存考驗(yàn)。在海洋生物資源保護(hù)與利用領(lǐng)域,生物適應(yīng)潛力預(yù)測與適應(yīng)性提升一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。潮間帶海域是海洋與陸地的交匯區(qū),受來自海洋、陸地和大氣中多種環(huán)境因素以及人類活動(dòng)的直接與間接影響,其環(huán)境具有高變異性;牡蠣作為經(jīng)濟(jì)與生態(tài)價(jià)值兼?zhèn)涞某遍g帶優(yōu)勢種,與潮間帶環(huán)境共同構(gòu)成了研究海洋生物與環(huán)境互作效應(yīng)的理想研究體系。
人們經(jīng)常會關(guān)注到,潮間帶牡蠣的體型比潮下帶牡蠣要小很多,與市場售賣的養(yǎng)殖牡蠣相比,形態(tài)更是千差萬別。其實(shí)這些外型截然不同的牡蠣很可能是一個(gè)物種,造成這種差異的原因主要是牡蠣所處的環(huán)境不同??茖W(xué)家把這種同一基因型的個(gè)體在不同環(huán)境中表現(xiàn)出不同表型的現(xiàn)象稱之為表型可塑性,這是包括牡蠣在內(nèi)的海洋生物重要適應(yīng)機(jī)制。
海洋所貝類研發(fā)團(tuán)隊(duì)以“牡蠣-潮間帶環(huán)境”為研究體系,經(jīng)過系統(tǒng)的比較檢測發(fā)現(xiàn),潮間帶牡蠣與潮下帶牡蠣不僅在生長指標(biāo)、營養(yǎng)物質(zhì)組成和含量上不同,其對高溫、干露等脅迫環(huán)境的抗性也存在顯著差異,特別是在高溫條件下,潮間帶牡蠣要比潮下帶牡蠣具有更強(qiáng)的響應(yīng)彈性和抗性。研究團(tuán)隊(duì)對潮間帶牡蠣與潮下帶牡蠣進(jìn)行了基因組結(jié)構(gòu)變異的檢測,結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)兩者基因組結(jié)構(gòu)有明顯差異,表明潮間帶與潮下帶牡蠣的表型差異主要來源于環(huán)境引起的表型可塑性;繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn),以DNA甲基化為代表的表觀遺傳修飾是介導(dǎo)這一表型可塑性的重要機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步探究了潮間帶環(huán)境對牡蠣后代的影響,解析了跨代可塑性(transgenerational plasticity)介導(dǎo)的“環(huán)境記憶”是否存在及其內(nèi)在分子機(jī)制問題,并基于環(huán)境調(diào)控進(jìn)行了適應(yīng)性提升技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。
抗性表型跨代可塑性(a,b)及DNA甲基化分化跨代遺傳情況(c-e)
研究人員對野生潮下帶和潮間帶牡蠣群體進(jìn)行了連續(xù)兩代的人工繁育得到F1和F2代并于潮下帶環(huán)境中同質(zhì)養(yǎng)殖。對這三代牡蠣進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn),在能量代謝狀態(tài)和機(jī)體抗氧化能力相關(guān)表型中,三代潮間帶牡蠣群體均與潮下帶牡蠣群體存在顯著差異;在高溫條件下,三代潮間帶牡蠣表現(xiàn)出相似的高溫反應(yīng)范式,其應(yīng)激響應(yīng)模式與潮下帶牡蠣存在差異,即潮間帶環(huán)境誘導(dǎo)的抗性相關(guān)表型的跨代可塑性是存在的。DNA甲基化測序結(jié)果顯示,三代潮間帶牡蠣群體均與潮下帶牡蠣存在基因組甲基化分化,在親本潮間帶潮下帶甲基化差異基因中,有43%(1655個(gè))可連續(xù)遺傳至F2;在高溫應(yīng)激實(shí)驗(yàn)中,有14%(320個(gè))的高溫響應(yīng)基因能從親本連續(xù)遺傳兩代,后續(xù)也通過抑制基因組DNA甲基化的方法反向證實(shí)了甲基化在調(diào)控高溫適應(yīng)中發(fā)揮積極作用??傊?,潮間帶環(huán)境誘導(dǎo)的適應(yīng)性相關(guān)的表型可塑性可至少遺傳兩代,且DNA甲基化是介導(dǎo)跨代可塑性的重要機(jī)制。
相關(guān)成果首次從表觀遺傳學(xué)的角度揭示了牡蠣環(huán)境誘導(dǎo)性表型變異的跨代遺傳現(xiàn)象及其機(jī)制,不僅為海洋生物適應(yīng)性性狀的形成和適應(yīng)潛力的預(yù)測提供了新見解,豐富了海洋生物適應(yīng)性理論,更為基于環(huán)境調(diào)控提升牡蠣適應(yīng)性的相關(guān)技術(shù)研發(fā)提供了新的思路?;谠撛?,研究團(tuán)隊(duì)已申報(bào)了多件牡蠣適應(yīng)性提升技術(shù)與牡蠣礁構(gòu)建相關(guān)的專利,并在牡蠣修復(fù)性養(yǎng)殖與牡蠣礁生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)中獲得應(yīng)用。
中科院海洋所博士后王新星為文章第一作者,李莉研究員為通訊作者。本研究除得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持外,還得到了國家貝類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等項(xiàng)目的共同資助。
相關(guān)論文:
[1] Wang Xinxing; Cong Rihao; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Transgenerational effects of intertidal environment on physiological phenotypes and DNA methylation in Pacific oysters, Science of The Total Environment, 2023.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162112
[2] Wang Xinxing; Cong Rihao; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Experimental DNA demethylation reduces expression plasticity and thermal tolerance in Pacific oysters. Marine biotechnology. 2023.
https://doi.org/10.1007/s10126-023-10208-5
[3] Wang Xinxing; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Direct and heritable effects of natural tidal environments on DNA methylation in Pacific oysters (Crassostrea gigas), Environmental Research, 2021.
https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111058
[4] Wang Xinxing; Li Ao; Wang Wei; Que Huayong; Zhang Guofan; Li Li; DNA methylation mediates differentiation in thermal responses of Pacific oyster (Crassostrea gigas) derived from different tidal levels, Heredity, 2021.
https://doi.org/10.1038/s41437-020-0351-7
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