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温度对珊瑚荧光的影响
来源:《nature》杂志??????发布时间:2017/10/20 17:03:52
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??????? 珊瑚礁不仅是世界上最多样化、最具生产力的生态系统之一,而且还提供了价值近4000亿美元的经济产品和生态系统服务。尽管它们对生物、经济和社会都很重要,但由于全球(如变暖和海洋酸化)和地方(如污染和过度捕捞)的压力,珊瑚礁在全球范围内都在减少。共同发生的压力可能会产生协同作用,从而可能加速当地珊瑚的衰退。在过去的20年里,整个印度洋地区每年损失1-2%的珊瑚。

??????? 广泛的温度压力导致了灾难性的珊瑚白化现象,这对珊瑚礁来说是具有毁灭性的。在此,我们作了珊瑚荧光是否可以作为对珊瑚健康的一种非侵入性评估。我们在珊瑚虫的分支珊瑚上进行了低温和高温处理,并发现在开始漂白之前,绿色荧光蛋白(GFP)浓度和荧光随着珊瑚健康指数的下降而下降。但是最终,冷处理的珊瑚适应了,GFP的浓度和荧光恢复了。相比之下,经过热处理的珊瑚最终变白了,但却显示出强烈的荧光,尽管减少了GFP的浓度,这很可能是由于减少了双鞭毛虫的密度而造成的。因此,GFP的浓度和荧光在非漂白和漂白的珊瑚中表现出明显的相关性。绿色荧光与双鞭藻的光生物学呈正相关,但它与珊瑚生长的密切相关,表明绿色荧光可以作为某些珊瑚的健康的生理指标。

??????? 灾难性的珊瑚白化事件通常发生在高温和高入射光的时期。然而,低温也会导致大面积的珊瑚白化和死亡。珊瑚白化是由珊瑚和它们的内共生鞭毛虫的分离而引起的,由于鞭毛光合作用机制的严重氧化压力,导致了共生体和珊瑚的损害。漂白表明一种不稳定的状态,如果没有及时地用鞭毛藻重新填充,珊瑚礁就会死亡。漂白的珊瑚减少了组织再生,减少了生长,甚至使死亡率变得更高。此外,仅升高的温度还会导致珊瑚的钙化和繁殖。因此,在评估珊瑚礁的健康指标时,温度和珊瑚对漂白剂的敏感性是重要的考虑因素。

??????? 观察员和海岸管理人员利用珊瑚颜色的变化来评估珊瑚白化现象,但在漂白过程开始之前,不能提供任何珊瑚健康的迹象。因此,在漂白之前,珊瑚健康下降的指标是有利的。最近对珊瑚健康预漂白方法的研究包括对珊瑚的破坏性取样,以测量压力的特定细胞和分子标记,或测量内共生鞭毛虫的叶绿素荧光代表其光合能力的整体功能。由于珊瑚礁面临的风险越来越高,因此科学家和珊瑚礁管理人员有很大的动力去开发允许在潜在的致命性珊瑚白化状态之前,直接监测珊瑚生长和健康,而不会破坏珊瑚的非入侵性的工具。

??????? 珊瑚产生大量与流行的绿色荧光蛋白(GFP)同源的荧光蛋白(FPs)。在浅造礁珊瑚中,FPs无处不在,并且在珊瑚的可溶性蛋白质中占相当大的比例。FPs吸收可能产生有害的高能光子,并以较低的能量重新发射光。科学家们在珊瑚中观察到大量的FPs,包括那些吸收光但不会在荧光中重新发射的生物,被称为GFP类的同系物或色蛋白。

??????? 尽管在珊瑚中有荧光蛋白的流行,但它们的功能仍然是含糊不明的。最简单的假设是光保护,在实验中,珊瑚通过改变荧光蛋白的浓度来适应环境;然而,在这一领域,荧光强度和环境光之间缺乏相关性。由于内共生鞭毛虫和宿主蛋白质之间的能量传递效率低下,在光合作用增强中扮演的角色似乎不太可能。另外的假设还包括抗氧化能力、对鞭毛虫种群的调节和珊瑚天生免疫反应。

?????? 然而,GFP型的同型分子的进化似乎表明,荧光蛋白的吸收特性可能对其生态功能至关重要,而不同类型的荧光蛋白具有不同的互补功能。虽然荧光蛋白在珊瑚中的作用尚未得到解决,但荧光蛋白表达的变化是对光和热变化是最快和最大的反应之一。

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??????? 由于FPs发出的光信号的固有视觉特性,它们可以非入侵性地在活珊瑚中进行光谱特征和量化。我们在印度洋造礁的珊瑚上做了一个冷(零下5摄氏度)和热(零上5摄氏度)的压力试验。因为疣珊瑚容易受到珊瑚白化的影响,由于在光环境中没有任何光谱变化,所以就会产生大量的绿色荧光蛋白。

??????? 在本研究中,我们研究了绿色荧光蛋白浓度和绿色荧光的变化,温度的影响,相关的荧光蛋白浓度和绿色荧光,以及相关的绿色荧光与珊瑚和内共生鞭毛虫的各种生理参数。这项研究补充了我们之前的研究成果,即寒冷的压力比热应激的压力更大,但是热应力最终对一个生长停止、光合作用终止、珊瑚藻共生的生物来说更具破坏性。在本研究中,我们关注珊瑚生长,鞭毛藻的丰富,以及光合作用参数作为珊瑚健康的指标。因为FPs是影响环境变化的最具活力的蛋白质之一,它们可能会帮助我们理解珊瑚适应环境的能力,并可能被用于非侵入性监测珊瑚的健康。

??????? 目前,科学家正在开发水下珊瑚荧光监测系统。对于不同深度的样品和不同的水浊度之间的一致性,如果不是所有的光都能得到荧光测量,那么仪器将是非常重要的。

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