Physiological and Transcriptomic Variability Indicative of Differences in Key Functions Within a Single Coral Colony  

單個珊瑚群體內關鍵功能差異的生理和轉錄組變異特征  

來源：Frontiers in Marine Science, Volume 8, Article 685876, 2021  

《海洋科學前沿》，第8卷，文章ID 685876，2021年  

 

摘要

指出珊瑚群體中不同位置的息肉因暴露于水流、光照等微環境差異，導致宿主和共生藻的轉錄組及生理特征發生空間分異。研究通過高分辨率測量發現：珊瑚宿主在分支尖端高表達代謝、毒素合成和生物礦化相關基因；共生藻轉錄響應主要受光照方向影響。這些差異揭示了珊瑚群體內功能分工的機制，并證實其具有進化保守性（在Stylophora與Acropora屬間一致）。  

 

研究目的

探究珊瑚群體內是否存在功能分區，以及微環境梯度（如水流、光照）如何驅動宿主和共生藻的轉錄組差異與生理分化。  

 

研究思路：  

1. 選擇單一Stylophora pistillata珊瑚群體（15 cm直徑），按三維空間采樣：  

   ? 分支軸位置（尖端、連接處、基部）  

   ? 環高（頂部、中部、底部）  

   ? 方向（東、南、西、北）  

 

2. 原位測量群體內部微環境：  

   ? 使用丹麥Unisense微電極測量溶解氧（DO）梯度  

   ? 流式細胞術量化微生物密度  

 

3. 實驗室分析：  

   ? 生理指標：溶血活性、葉綠素含量、珊瑚石形態  

   ? 轉錄組測序：宿主和共生藻（Symbiodinium microadriaticum）基因表達  

   ? 單核苷酸多態性（SNP）驗證群體遺傳同質性  

 

4. 整合分析：  

   ? 差異基因表達（DESeq2）與功能富集（GO、KEGG）  

   ? 跨物種比較（與Acropora屬數據對比）  

 

測量數據及研究意義：  

1. 環境參數（圖2A、2B）  

   ? 數據：溶解氧濃度（Unisense微電極）、微生物密度（流式細胞術）  

 

   ? 研究意義：揭示群體內部水流受限（內部DO更高、微生物富集），解釋微環境異質性如何驅動生理分化。  

 

2. 基因表達數據（圖2C、2D、3）  

   ? 數據：宿主>10,000個差異表達基因（分支位置主導），共生藻~150個差異基因（方向主導）  

   ? 研究意義：宿主在尖端高表達代謝（糖酵解、TCA循環）、毒素（胞溶素）和生物礦化基因（CARPs）；共生藻光合相關基因受方向調控，表明光梯度驅動共生體功能分工。  

 

3. 生理與形態數據（圖4、5）  

   ? 數據：尖端溶血活性更高（圖4B），尖端珊瑚石更密集且橢圓（圖5B,C）  

   ? 研究意義：驗證基因表達的功能結果——尖端強化捕食/防御（高毒素活性），尖端加速礦化（骨架形態變化）。  

 

 

結論：  

1. 珊瑚群體存在功能分區：分支尖端是高代謝、捕食（毒素合成）和生物礦化中心；群體內部多參與生殖（睪丸相關基因高表達）。  

2. 微環境是主要驅動因素：水流和光照梯度導致宿主與共生藻轉錄響應空間分異（宿主響應分支位置，共生藻響應方向性光照）。  

3. 功能分區具有進化保守性：宿主基因表達模式（尖端vs基部）在Stylophora與Acropora屬間高度一致，表明此為珊瑚的普適性適應策略。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

丹麥Unisense微電極用于原位高分辨率溶解氧（DO）測量（圖2A），其核心研究意義包括：  

1. 量化微環境梯度：電極（響應時間<10秒，空間分辨率100μm）直接捕獲珊瑚群體內部的氧梯度，顯示內部DO（~250 μmol/L）顯著高于外圍（~230 μmol/L）。這證實水流在群體核心區域受阻，形成相對滯緩的微環境。  

2. 連接環境與生理響應：DO梯度與微生物密度數據（圖2B）共同證明：水流受限導致內部區域微生物富集（通過顆粒滯留），為后續基因表達的空間差異（如內部區域生殖基因上調）提供環境驅動證據。  

3. 支持功能分區假說：DO數據解釋為何尖端（高流區）更依賴捕食（需高毒素活性），而內部（低流高微生物區）可能強化營養循環——為珊瑚"尖端-基部"功能分工提供直接環境關聯證據。  

4. 技術優勢：避免采樣擾動，原位測量保障數據生態相關性，為珊瑚微棲息地研究設立新標準。