近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室（LMB）海參研究團隊在海參的沉積物攝食與營養(yǎng)獲取機制方面取得突破性進展。該研究揭示了海參通過基因組、基因表達和共生微生物群的進化適應(yīng)，使其可以大量攝食海底沉積物并從中獲取營養(yǎng)，相關(guān)研究成果以“Sea cucumbers and their symbiotic microbiome have evolved to feed on seabed sediments”為題發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。南海海洋所副研究員陳廷為該論文的通訊作者，博士研究生潘文杰、碩士研究生王軒和研究員任春華為該論文的共同第一作者，研究員胡超群主導(dǎo)項目開展并提供指導(dǎo)意見。
海參是海洋底棲生態(tài)系統(tǒng)中最主要的沉積物攝食動物，通過大量攝入和排泄海底沉積物，吸收其中的有機物并凈化海底基質(zhì)，維持海底生態(tài)系統(tǒng)平衡并減少珊瑚病害的發(fā)生，是海底的“清道夫”。但是，海參如何從營養(yǎng)匱乏的海底沉積中獲得足夠營養(yǎng)的機制，目前仍不清楚。
以南海廣泛分布的玉足海參（Holothuria leucospilota）為研究對象，胡超群研究團隊發(fā)現(xiàn)海參從海底沉積物中獲得的主要食物是微藻和細菌。通過比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)海參基因組中碳水酶擴張、蛋白酶消化收縮，適應(yīng)于對微藻的消化（圖1）。海參在胚胎和幼體發(fā)育過程先后經(jīng)歷了內(nèi)源性營養(yǎng)、浮游攝食和沉積物攝食三種食性轉(zhuǎn)化，與之對應(yīng)消化酶也呈現(xiàn)出三組不同的表達模式。前腸是海參消化道主要的消化區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)糖類碳水酶、蛋白酶、脂肪酶和纖維素酶的活性均最高，但僅有糖類碳水酶和脂肪酶是內(nèi)源性表達。
圖1 海參的攝食特點和基因組消化酶擴張/收縮概況
在海參從海底沉積物攝食的細菌中，一部分作為食物被海參消化掉，而另一部分則作為共生細菌在海參腸道內(nèi)定植，提供蛋白酶、脂肪酶等活性協(xié)助海參消化食物。與其他棘皮動物相比，海參基因組中出現(xiàn)了一類特有的i型溶菌酶，特異表達于腸道中，對所攝食沉積物中的細菌起到控制和消化作用（圖2）。
圖2 海參特有腸道型溶菌酶在細菌消化中的作用
該科學(xué)發(fā)現(xiàn)闡釋了海參的沉積物攝食與營養(yǎng)獲取機制，在研發(fā)海參養(yǎng)殖不同階段人工飼料方面具有重大潛在應(yīng)用價值，也為通過增殖放流海參凈化海底環(huán)境、防止細菌性珊瑚病害暴發(fā)和珊瑚島礁生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
相關(guān)論文信息：Pan WJ#,Wang X#,Ren CH#,Jiang X,Gong SQ,Xie ZY,Wong NK,Li XM,Huang JS,Fan DD,Luo P,Yang Y,Ren XY,Yu SZ,Qin Z,Wu XF,Huo D,Ma B,Liu Y,Zhang X,E ZX,Liang JX,Sun HY,Yuan LH,Liu XJ,Cheng CH,Long H,Li JL,Wang YH,Hu CQ,Chen T*. Sea Cucumbers and Their Symbiotic Microbiome Have Evolved to Feed on Seabed Sediments. Nature Communications. Nat Commun. 2024 15: 8825. doi: 10.1038/s41467-024-53205-5
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