Sci Adv丨董波團隊揭示化學感知驅動海洋幼蟲附著變態(tài)機制

在浩瀚的海洋中，生物對于棲息地的選擇，不僅 關乎 其種群 生存 ， 也 牽動著 整個 海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡。附著變態(tài)（ Settlement and Metamorphosis ）是絕 大 多數(shù)海洋無脊椎動物 從 浮游 幼蟲 階 段轉變?yōu)榈讞蚬讨?體 階段所 要經(jīng)歷 的特殊發(fā)育 過程 。 海洋 無脊椎動物 幼蟲在 環(huán)境 適宜的地點 附著 變態(tài)對于種群的 定植和擴張至 關重要，但 往往 也會導致諸多生態(tài)問題，如生物入侵和 附著 污損。 海洋生物污損對港口航運、沿海設施、海水養(yǎng)殖業(yè)造成巨大危害，全球每年因此蒙受的經(jīng)濟損失高達 上百 億美元。 因此， 理解海洋無脊椎動物附著污損 的 驅動機制，探究海洋幼蟲 如何 尋找適宜的環(huán)境進行附著變 態(tài)、生長和繁殖，對于解決生物入侵和生物附著 污損 等 海洋 生態(tài)問題至關重要。化學感知是 生物 最基本的感知功能之一 ，生物通過感知不同化學物質 區(qū)分 適宜和非適宜 環(huán)境。海洋幼蟲如何 依賴 感知環(huán)境信號分子來塑造 種群 結構 一直 以來備受關注， 但感知機制與行為研究卻 相對 缺乏 。 理解 海洋幼蟲如何 通過 解碼環(huán)境化學 信號來 塑造其環(huán)境適應 能力 ，既是生態(tài) 演化 發(fā)育 （ Eco-Evo-Devo ） 領域 的核心科學問題 ，也是開發(fā) 新型 生物附著污損防控技術的 重要理論 基礎。

近日，中國海洋大學 方宗熙海洋生物 進化與發(fā)育研究中心董波教授團隊在 Science Adva nces 上 在線 發(fā)表了題為

Taurine-Driven Chemotaxis and Metamorphosis in Ascidian Tadpole Larvae

進一步的實驗表明，牛磺酸分子通過特異性激活海鞘幼蟲外周神經(jīng)系統(tǒng)的乳突感覺神經(jīng)元，將神經(jīng)興奮傳遞至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，進而導致附著變態(tài)等幼蟲行為。牛磺酸是一種游離氨基酸，在海洋經(jīng)濟動物如扇貝和牡蠣中含量較高，是陸地生物的幾百倍，具有 維持機體滲透壓平衡 、增加神經(jīng)傳導和興奮等功能，因此也是某些用于提高神經(jīng)興奮和抗疲勞功能飲料的重要成分。牛磺酸是第一個鑒定發(fā)現(xiàn)的誘導海鞘幼蟲附著的環(huán)境化學信號分子，這一結果不但解釋了海洋污損生物種群高密度附著的現(xiàn)象，而且也為 開發(fā)靶向 化學感知的抗海鞘附著污損 技術 提 供了重要科學基礎 ，為海洋 生態(tài) 演化 發(fā)育（ Eco-Evo-Devo ）領域研究提供了 新的思路和視角。

圖 1. 典型海洋污損生物薩氏海鞘（ Ciona savignyi ）成體

成體海鞘常高密度黏附生長在近岸海水設施上，造成嚴重的生物污損。 研 究 團隊以近岸 海域 典型 污損生物 薩氏 海鞘 （ Ciona savignyi ） 為模式 物種 ， 系統(tǒng) 探究了幼蟲化學感知機制在 其 定居偏好中的作用。 通過室內(nèi)幼蟲趨化行為學實驗， 研究人員發(fā)現(xiàn) 養(yǎng)殖貝類 及成體海鞘的組織提取物對海鞘幼蟲具有較強的吸引能力，而當組織提取物中的氨基酸和生物胺類物質結構被破壞后，其吸引能力完全消失 ， 證明組織提取物中含有 的 此 類物質可能是吸引海鞘附著的化學信號 分子 。 基于此結果，研究人員 對組織提取物 進行 質譜分析 并 結合趨化行為學篩選， 鑒定得到貝類和成體海鞘組織中高含量的牛磺酸（ taurine ） 是 海鞘幼蟲的化學吸引物 和變態(tài) 誘導劑 （促進幼蟲的尾部收縮 過程 ） 。 為 了進一步明確幼蟲對牛磺酸分子的感知機制，研究人員利用 活體 鈣成像技術，將 可在 海鞘幼蟲 表皮 組織 泛 表達 的 jGCaMP7 c 遺傳編碼 熒光 探針 轉 入 海鞘 受精卵中，待發(fā)育至幼蟲期后 將其軀干固定于培養(yǎng)皿中； 通 過 添加含有 牛磺酸 的海水 刺激，確定了幼蟲 軀干 前端乳突 （ Palp ） 結構中 的 特定細胞類型 可 直接響應 刺激 。

海鞘幼蟲乳突結構包括 三種類型細胞： 乳突感覺神經(jīng)元（ PSN ）、 軸柱狀細胞 （ ACC ）和 中央膠質細胞 （ CC ）。 為了 探明 究竟哪種乳突細胞響應牛磺酸分子， 研究人員 分別 構建了 每種乳突細胞特異表達基因啟動子驅動的 jGCaMP7 c 探針質粒，并 分別 成功 表達于這三種細胞類型中 。 通 過 監(jiān)測牛磺酸分子 刺激下鈣信號 波動變化，最終 確定 乳突結構的 PSN 神經(jīng)元可直接 感知 牛磺酸 刺激 ，并將神經(jīng)興奮傳遞至幼蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng) 的 運動神經(jīng)節(jié) （ Motor ganglion ） 和背神經(jīng)索 （ Nerve cord ） 。研究人員發(fā)現(xiàn)， 從化學感知到幼蟲行為輸出這一 過 程依賴 于 神經(jīng)肽 — 促性腺激素 釋放 激 素（ GnRH ）信號得以實現(xiàn)。

該研究通過闡明海鞘幼蟲化學感知及行為調(diào)控機制，提出了以海鞘幼蟲為模式的海洋Eco-Evo-Devo研究范式（圖2）。牛磺酸分子的鑒定及其神經(jīng)感知機制的驗證不僅深化了對海洋幼蟲環(huán)境適應機制的認知，亦為海洋生物污損防控提供了有效途徑。

圖 2 以海鞘幼蟲為模式的 海洋 Eco-Evo-Devo 研究 范式

中國海洋大學 楊立昆副教授和碩士生秦琪姝 為論文 共同 第一作者，董波教授為通訊作者 。 中國海洋 大學 張金 博士 、碩士生張子豫、于海燕副教授、趙呈天教授 也 參與了項目研究 。

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb9574

制版人： 十一

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