海洋所在海洋生物“環(huán)境記憶”機制解析與應用方面取得新進展
中科院海洋所貝類研發(fā)團隊承擔的中科院戰(zhàn)略性先導科技專項 “美麗中國生態(tài)文明建設科技工程”——“服務于‘美麗海洋’的生物調(diào)控技術與示范”子課題,在牡蠣適應性機制解析及抗性提升技術研發(fā)領域取得了階段性新進展,相關成果近期發(fā)表于環(huán)境科學領域期刊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,海洋生物面臨著嚴峻的生存考驗。在海洋生物資源保護與利用領域,生物適應潛力預測與適應性提升一直是學術界和產(chǎn)業(yè)界共同關注的熱點問題。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)濟與生態(tài)價值兼?zhèn)涞某遍g帶優(yōu)勢種,與潮間帶環(huán)境共同構成了研究海洋生物與環(huán)境互作效應的理想研究體系。
人們經(jīng)常會關注到,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。其實這些外型截然不同的牡蠣很可能是一個物種,造成這種差異的原因主要是牡蠣所處的環(huán)境不同??茖W家把這種同一基因型的個體在不同環(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機制。
海洋所貝類研發(fā)團隊以“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、營養(yǎng)物質組成和含量上不同,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的響應彈性和抗性。研究團隊對潮間帶牡蠣與潮下帶牡蠣進行了基因組結構變異的檢測,結果并未發(fā)現(xiàn)兩者基因組結構有明顯差異,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這一表型可塑性的重要機制。在此基礎上,團隊成員進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)介導的“環(huán)境記憶”是否存在及其內(nèi)在分子機制問題,并基于環(huán)境調(diào)控進行了適應性提升技術的研發(fā)與應用。
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)境中同質養(yǎng)殖。對這三代牡蠣進行比較研究發(fā)現(xiàn),在能量代謝狀態(tài)和機體抗氧化能力相關表型中,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)出相似的高溫反應范式,其應激響應模式與潮下帶牡蠣存在差異,即潮間帶環(huán)境誘導的抗性相關表型的跨代可塑性是存在的。DNA甲基化測序結果顯示,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)可連續(xù)遺傳至F2;在高溫應激實驗中,有14%(320個)的高溫響應基因能從親本連續(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了甲基化在調(diào)控高溫適應中發(fā)揮積極作用??傊遍g帶環(huán)境誘導的適應性相關的表型可塑性可至少遺傳兩代,且DNA甲基化是介導跨代可塑性的重要機制。
相關成果首次從表觀遺傳學的角度揭示了牡蠣環(huán)境誘導性表型變異的跨代遺傳現(xiàn)象及其機制,不僅為海洋生物適應性性狀的形成和適應潛力的預測提供了新見解,豐富了海洋生物適應性理論,更為基于環(huán)境調(diào)控提升牡蠣適應性的相關技術研發(fā)提供了新的思路?;谠撛?,研究團隊已申報了多件牡蠣適應性提升技術與牡蠣礁構建相關的專利,并在牡蠣修復性養(yǎng)殖與牡蠣礁生態(tài)系統(tǒng)重構中獲得應用。
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)略性先導科技專項支持外,還得到了國家貝類產(chǎn)業(yè)技術體系等項目的共同資助。
相關論文:
[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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