馬尾藻（Sargassum thunbergii）對海洋酸化的性別特異性生理生化及多組學響應
《Algal Research》：Sex-specific physiological-biochemical and multi-omics responses of
Sargassum thunbergii to ocean acidification
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時間：2026年03月02日
來源：Algal Research 4.6
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海藻Sargassum thunbergii在酸化條件下雄性增強光合與儲能，雌性強化防御代謝，揭示生長與防御的權衡策略，為預測海洋酸化下的生態韌性提供機制依據。
李丹瑞|王園園|趙艷|唐學曦
中國海洋大學海洋生命科學學院，進化與海洋生物多樣性教育部重點實驗室，青島，266003，中國
摘要
由于大氣中二氧化碳（CO2）濃度的增加，海洋酸化（OA）對具有生態重要性的潮間帶大型藻類構成了嚴重威脅。盡管多項先前的研究已經表明不同物種對海洋酸化有特定的響應，但在雌雄異株的大型藻類中，性別特定的生理生化反應及其背后的分子機制仍知之甚少。在這項研究中，我們通過整合生理生化、轉錄組學和代謝組學分析，探討了Sargassum thunbergii雄性和雌性個體對酸化處理（2000 ppm CO2）的響應。兩種性別都保持了光合作用能力，并且最大相對電子傳輸率（rETRmax）有所提高。雄性個體表現出以生長為導向的策略，其特征是積累了更多的儲存化合物（如甘油三酯），同時上調了與光合作用和生物合成途徑相關的基因表達；而雌性個體則采取了以生存為導向的策略，表現為碳儲存減少、可溶性蛋白質和酚類物質含量增加，以及與防御和應激反應途徑相關的基因上調。這些發現為S. thunbergii在酸化條件下生長與防御之間的權衡提供了生理生化和分子層面的證據。我們的研究揭示了海洋大型藻類對全球氣候變化的性別特異性響應機制，并強調了在預測未來海洋條件下潮間帶大型藻類種群生態韌性時考慮性別二態性的重要性。
引言
自工業革命以來，人類活動導致大氣中二氧化碳濃度持續上升[1]。海洋吸收了大約30%的人為二氧化碳排放，從而引發了海洋酸化[2]。海洋酸化的特征是無機碳濃度增加、pH值下降以及碳酸鈣飽和度降低[3]。Caldeira和Wickett[4]預測，到2100年，全球海洋表面的平均pH值可能會下降0.3–0.4個單位。這些根本性的化學變化對包括潮間帶大型藻類在內的海洋初級生產者構成了直接威脅。
作為重要的海洋初級生產者，潮間帶大型藻類通過提供食物來源、形成關鍵棲息地以及參與碳封存[5]、[6]、[7]，支持著海洋生態系統的運作。人們越來越關注海洋酸化對潮間帶大型藻類個體、種群、群落和生態系統層面的影響[8]。先前的研究表明，在海洋酸化條件下，非鈣化藻類Chondrus crispus的豐度增加，而鈣化藻類Corallina officinalis的豐度減少[9]。這些變化主要歸因于不同物種在面對高濃度二氧化碳時的生理生化反應差異。例如，Ulva australis在酸化處理下的光合作用能力得到增強[10]，而Porphyra linearis和P. leucosticta的光合作用能力分別減弱或保持不變[11]、[12]。海洋酸化還可能改變潮間帶大型藻類的資源分配模式。在高二氧化碳環境下，Gracilaria屬藻類積累了更多的可溶性糖類但蛋白質減少[13]，而Neoporphyra haitanensis的葉綠素a和類胡蘿卜素含量增加，同時可溶性蛋白質含量下降[14]。
在進化過程中，植物發展出了多樣的繁殖策略，其中包括性別分化。雌雄異株的植物在生殖器官（性特征）和次級性特征（營養特征）上都表現出性別二態性[15]。雌雄異株的大型藻類是許多海洋生態系統中的重要組成部分和優勢物種[16]。雄性和雌性個體在次級性特征上經常存在差異，包括形態、生理生化和分子層面的特征[17]。了解環境壓力如何影響這些物種尤為重要，因為壓力條件會改變它們在生長與防御之間的性別特異性權衡，最終導致不同性別之間的抗性或耐受能力存在差異[18]、[19]、[20]。目前，關于不同性別對環境壓力響應的模式仍不清楚，需要更廣泛和詳細的研究來總結這一規律[21]。Sun等人[22]發現，在UV-B輻射下，雄性Sargassum thunbergii的光合作用和能量代謝過程得到增強，而雌性個體則激活了與含氮代謝物和抗氧化劑積累相關的途徑。盡管Qiu等人[23]已經描述了雄性和雌性S. thunbergii在環境條件下的基本代謝差異，但它們對全球氣候變化（如海洋酸化）不同響應機制的分子基礎仍不明確。
S. thunbergii是一種雌雄異株的棕色大型藻類，在北太平洋的潮間帶和淺亞潮帶地區廣泛分布[24]、[25]。除了其生態重要性外，S. thunbergii還具有經濟價值，可作為食物來源、飼料添加劑和藻酸鹽生產的原材料[26]。因此，了解其對海洋酸化的性別特異性響應對于預測未來海洋條件下該物種的生態韌性和種群動態至關重要。在這項研究中，我們的目標是：（1）闡明雄性和雌性S. thunbergii對酸化處理的生理生化和分子響應；（2）揭示它們在酸化處理下的不同響應策略。我們的研究系統地揭示了雄性和雌性S. thunbergii對海洋酸化的不同響應機制，為理解全球氣候變化下潮間帶大型藻類的響應機制提供了新的見解。
實驗部分
大型藻類的采集與培養
2023年7月，我們從青島太平礁（36°14′58.3″N, 120°21′34.2″E）的潮間帶采集了雄性和雌性S. thunbergii樣本。為了確保樣本的均勻性和性成熟度，我們選擇了藻體長度約為15–20厘米且生殖器官完全發育的個體。采集樣本時保持個體之間的距離大于5米，以避免采樣到克隆體。我們選擇了生長狀況良好、形態均勻且固著器完整的個體。
雄性和雌性S. thunbergii對酸化處理的光合作用參數響應
雄性和雌性S. thunbergii的葉綠素熒光參數對酸化處理的響應相似。對照組和酸化處理組之間，兩種性別的Fv/Fm值沒有顯著差異（p > 0.05；圖1A和B）。同樣，Y(II)值在對照組和酸化處理組之間也沒有顯著差異（p > 0.05）。然而，在酸化處理條件下，Y(II)值略有但并不顯著的增加。
討論
雄性和雌性對環境壓力的不同響應是研究全球氣候變化對雌雄異株大型藻類影響的重要因素[22]。通過結合生理生化、轉錄組和代謝組數據，可以了解植物如何應對環境壓力。盡管組學方法在研究性別特異性差異的機制方面具有巨大潛力
結論
本研究表明，雄性和雌性S. thunbergii在應對酸化處理時采用了不同的生理和分子策略。雄性個體增強了光合作用能力并積累了更多的碳儲存，而雌性個體則將資源重新分配到與防御相關的途徑。從生理學和多組學的綜合角度出發，這些差異反映了酸化條件下生長與防御之間的基本權衡。
CRediT作者貢獻聲明
李丹瑞：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、數據可視化、軟件使用、資金獲取、數據管理。王園園：初稿撰寫、數據可視化、方法論設計、數據管理、概念構建。趙艷：審稿與編輯、初稿撰寫、研究監督、資源協調、方法論設計、資金獲取、數據管理、概念構建。唐學曦：研究監督、資源協調、資金獲取。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（項目編號：42176154）、中國博士后科學基金會博士后獎學金計劃（項目編號：GZC20250587）以及山東省博士后創新計劃（項目編號：SCCX-ZG-202502027）的財政支持。
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