自工业革命以来，大气中CO2水平的上升导致了海洋酸化（Ocean acidification，OA）和变暖（Ocean warming，OW）。IPCC（2021）报告表明，到21世纪末，海洋平均pH值将下降0.3-0.4个单位（RCP8.5），海水平均温度将上升1.5°C至3.0°C。OA和OW已经对海洋物种和生态系统构成了巨大的生态威胁，尤其是依赖于生物钙化形成骨骼的钙化物种，如棘皮动物。但是，目前海洋酸化及/或变暖对棘皮动物潜在影响的研究偏重于钙化程度高的海胆和海星，而对钙化程度低的海参类关注不足。针对这一研究盲点，聚焦西北太平洋沿岸生态系统中经济价值高且被誉为“生态系统工程师”的刺参（Apostichopus japonicus）为研究对象，旨在评估不同海洋酸化和变暖场景对刺参胚胎-幼虫阶段发育特征和生物钙化相关基因表达的影响。研究包括一个对照组和三个实验组：CON（19°C，400μatm）；OA（19°C，1000μatm）；OW（22°C，400μatm）；以及OAW（22°C，1000μatm）。本研究有助于理解气候变化下OA或OW的单一和联合效应对钙化程度低的棘皮动物早期发育的影响及其分子机制。
图1 海洋酸化和变暖对刺参早期发育阶段形态特征和生物钙化基因表达的影响
图2 不同海洋酸化和变暖场景下刺参胚胎-幼虫3个关键发育阶段7个生物钙化相关基因表达qRT-PCR验证结果
研究亮点一：海洋酸化延缓了刺参早期发育，缩短了其体长，但变暖减轻了其对胚胎和幼虫形态特征的负面影响
研究表明，pH降低0.37个单位，刺参早期发育的发育周期延长了8.58–56.25%，体长减少了0.36–19.66%；而升温3.1℃下，其发育周期缩短了33.99-55.28%，体长增加了2.44-14.41%（图1）。
研究亮点二：生物钙化基因表达少导致了海参幼虫的钙化程度低
研究发现，刺参胚胎-幼虫发育过程中仅发现2个表达的生物钙化基因（colp3α，cyp2，图1）。与海胆相比，海参不仅拥有数量较少的生物钙化基因（海参7个vs海胆31个），且海参的生物钙化基因在胚胎-幼虫发育过程中表达数量少（海参2个vs海胆8个），这可能解释了海参体壁中小骨片与海胆“全副武装”的外骨骼之间的形态差异。研究还发现，刺参胚胎-幼虫发育过程中5个钙化基因转录因子（erg，tgif，foxN2/3，gata1/2/3和tbr，图1）均有表达；且海参和海胆体内与生物钙化基因转录因子的表达均始于囊胚期，表明两者骨骼的形成时机是一致的。
研究亮点三：气候变化通过影响海参幼虫的发育速率和体形大小改变了其生物钙化基因的表达
刺参从囊胚期发育到樽形幼虫，pH降低0.37个单位并没有显著影响生物钙化基因colp3α和cyp2的表达水平；然而，温度升高（OW和OAW组）导致这两个生物钙化基因显著上调（图2），表明在刺参早期发育过程中，升温而不是pH值降低促进了骨片的形成。海洋变暖可能通过更快的发育时间和更大的体形来增强生物钙化相关基因的表达，从而强化了海参的生物钙化作用，减弱了海洋酸化的负面影响。
该工作以“Effects of seawater acidification and warming on morphometrics and biomineralization-related gene expression during embryo-larval development of a lightly-calcified echinoderm”为题发表在Environmental Research上。中国科学院烟台海岸带研究所为论文第一完成单位，袁秀堂研究员为论文通讯作者。本研究得到国家自然科学基金（41676164，42061160365，41906098和41906115）等项目的资助。
论文信息：
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
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.118248
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