The mesoglea buffers the physico-chemical microenvironment of photosymbionts in the upside-down jellyfish Cassiopea sp.  

中膠層緩沖倒立水母（Cassiopea sp.）光合共生體的物理化學(xué)微環(huán)境  

來(lái)源：Frontiers in Ecology and Evolution, Volume 11, Article 1112742, Published 27 March 2023

《生態(tài)與進(jìn)化前沿》第11卷，文章編號(hào)1112742，2023年3月27日發(fā)表  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過(guò)光纖和電化學(xué)微傳感器技術(shù)，揭示了倒立水母（Cassiopea sp.）中膠層（mesoglea）對(duì)其共生甲藻（Symbiodiniaceae）微環(huán)境的緩沖機(jī)制：  

光微環(huán)境異質(zhì)性：水母不同解剖結(jié)構(gòu)（如口腕、柄部）的光子標(biāo)量輻照度存在空間差異（圖1），白色色素組織（尤其鐘形體）通過(guò)光散射增強(qiáng)光滲透（圖2-3）。  

 

 

 

O?動(dòng)態(tài)：中膠層在光照下積累O?（濃度達(dá)海水2倍），黑暗時(shí)緩慢消耗；大型水母（鐘形體厚度>8mm）的O?變化延遲顯著（圖4-7），表明中膠層作為O?庫(kù)緩沖波動(dòng)。  

 

 

 

 

pH緩沖：中膠層維持堿性環(huán)境（pH~8.8），黑暗時(shí)表層pH驟降但深層穩(wěn)定（圖9-10），減少共生藻酸化壓力。  

 

 

 

尺寸效應(yīng)：小型水母（厚度<4mm）的O?/pH響應(yīng)迅速（類似珊瑚），大型個(gè)體響應(yīng)延遲（圖6,10），凸顯中膠層厚度對(duì)微環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵作用。  

 

研究目的

探究Cassiopea水母組織如何調(diào)控共生藻的光合作用微環(huán)境（光、O?、pH）。  

 

闡明中膠層在緩沖環(huán)境波動(dòng)（如光暗轉(zhuǎn)換）中的生理機(jī)制。  

 

研究思路

光微環(huán)境表征：  

 

光子標(biāo)量輻照度空間分布（圖1）  

 

光譜反射率與標(biāo)量輻照度深度剖面（圖2-3）  

化學(xué)微環(huán)境動(dòng)態(tài)：  

 

O?深度剖面與光暗動(dòng)態(tài)（圖4-7）  

 

pH深度剖面與光暗響應(yīng)（圖9-10）  

尺寸效應(yīng)驗(yàn)證：對(duì)比小型（25-48mm）與大型（63-67mm）水母的O?/pH響應(yīng)差異（圖6,10）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及研究意義

光子標(biāo)量輻照度分布（圖1）：  

 

數(shù)據(jù)：柄部中心光強(qiáng)最高（166%入射光），口腕區(qū)140±19%，鐘形體下僅75±12%。  

 

意義：揭示水母形態(tài)創(chuàng)造光學(xué)微生境，優(yōu)化共生藻光捕獲效率。  

光譜標(biāo)量輻照度剖面（圖3）：  

 

數(shù)據(jù)：白色色素組織（近觸手管）0-400μm深度光增強(qiáng)，隨后快速衰減；無(wú)色素組織光衰減平緩。  

 

意義：宿主色素通過(guò)散射提升光利用，類似珊瑚骨骼的光調(diào)控策略。  

O?深度剖面（圖4-5）：  

 

數(shù)據(jù)：光照下O?濃度隨深度增加（3.7mm處達(dá)445μM，海水約210μM）；黑暗時(shí)表層O?快速消耗，深層（>1mm）維持高濃度。  

 

意義：中膠層作為O?儲(chǔ)庫(kù)，支持黑暗期宿主肌肉與共生藻呼吸需求。  

O?光暗動(dòng)態(tài)（圖6-7）：  

 

數(shù)據(jù)：小型水母O?濃度光暗響應(yīng)迅速（分鐘級(jí)）；大型水母光照停止后O?仍持續(xù)上升數(shù)分鐘。  

 

意義：中膠層厚度延緩O?擴(kuò)散，緩沖環(huán)境波動(dòng)對(duì)共生體系的沖擊。  

pH深度剖面與動(dòng)態(tài)（圖9-10）：  

 

數(shù)據(jù)：黑暗時(shí)表層pH驟降（較海水低0.3-0.5單位），但深層（>1000μm）維持pH~8.8；大型水母pH變化延遲>10分鐘。  

 

意義：中膠層減少質(zhì)子滲透，保護(hù)共生藻免受酸化脅迫。  

 

結(jié)論

光調(diào)控機(jī)制：宿主白色色素增強(qiáng)光散射，優(yōu)化共生藻光合效率（圖1-3）。  

 

化學(xué)緩沖作用：厚中膠層儲(chǔ)存O?并維持pH穩(wěn)定，減緩光暗轉(zhuǎn)換時(shí)的理化波動(dòng)（圖4-10）。  

 

 

生態(tài)適應(yīng)性：緩沖能力使Cassiopea能在環(huán)境多變的淺海棲息地（如紅樹林）繁盛，區(qū)別于對(duì)波動(dòng)敏感的珊瑚。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

實(shí)驗(yàn)中采用Unisense pH微電極（PH-100，尖端直徑100μm）和光纖O?傳感器（PyroScience OXR230）：  

高分辨率pH監(jiān)測(cè)：  

 

直接測(cè)量組織內(nèi)部pH梯度（圖9），發(fā)現(xiàn)中膠層深層維持堿性環(huán)境（pH~8.8），保護(hù)共生藻免受黑暗呼吸導(dǎo)致的酸化損傷。  

 

捕捉到大型水母pH變化的延遲響應(yīng)（圖10），證實(shí)中膠層對(duì)質(zhì)子擴(kuò)散的物理屏障作用。  

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：  

 

空間精度：微電極可穿透水母組織（最深4mm），實(shí)現(xiàn)μm級(jí)深度剖面，揭示O?/pH的垂直異質(zhì)性（圖4,9）。  

 

時(shí)間動(dòng)態(tài)：秒級(jí)響應(yīng)記錄光暗轉(zhuǎn)換的O?/pH瞬時(shí)變化（圖6,10），量化中膠層緩沖動(dòng)力學(xué)（大型水母響應(yīng)延遲>10分鐘）。  

生理學(xué)啟示：  

 

O?儲(chǔ)存證實(shí)中膠層為"代謝緩沖池"，支持宿主在缺氧環(huán)境（如夜間淺水）的生存（圖7）。  

 

pH穩(wěn)定性解釋Cassiopea為何能耐受高CO?環(huán)境（如富營(yíng)養(yǎng)化海域），為共生體系抗逆性研究提供新視角。  

 

研究?jī)r(jià)值：Unisense微電極首次量化Cassiopea中膠層的O?/pH緩沖能力，揭示厚中膠層是水母在波動(dòng)環(huán)境中維持共生穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為理解共生體系對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性提供新機(jī)制。