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《中国科学院海洋研究所在新生物有机标志物指示海洋生态环境变异上获新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： liguiju
  • 发布时间：2024-09-13

  • 近日，宋金明、袁华茂研究团队在国际学术期刊Chemical Geology连续发表2篇研究论文，分别探究了东海类异戊二烯甘油二烷基甘油四醚（iGDGTs）的氧化还原指示潜力研究以及细菌藿多醇（bacteriohopanepolyols，BHPs）评估其作为低氧和氮循环代用指标的适用性等。该研究揭示了东海水体和沉积物中iGDGTs与溶解氧（DO）之间的关系，构建了一种氧化还原指标，为反演和预测东海低氧演变趋势提供了新的方法，并从来源、沉降和沉积保存全过程评估了BHPs特征成分作为海洋环境变化代用指标的适用性和可靠性，构建了BHT-II及比值和2-甲基BHT有效代用指标。

    古菌在调节海洋碳氮循环和能量交换上发挥着关键作用，其可通过改变细胞膜组分来适应海洋环境条件的变化，但关于海洋环境中iGDGTs的氧化还原指示潜力尚无系统研究。BHPs是来源于细菌细胞膜脂的五环三萜类化合物，其组成和结构受到环境条件和细胞应激反应的调控，能够灵敏地响应和记录环境变化并在地质载体中稳定保存，可用来指示特定细菌活动和环境变化，然而，关于海洋环境中BHPs的来源途径、沉降输出及沉积保存知之甚少。

    本研究通过探析东海水柱和表层沉积物中iGDGTs各组分的绝对和相对丰度的垂直变化特征和沉降保存过程，揭示了东海海水和沉积物中iGDGTs特征成分与DO的关系，并建立了氧化还原指示指标。研究发现东海海水颗粒物中iGDGTs的绝对丰度在DO浓度大于2 mg/L时受奇古菌影响，而在DO浓度小于2 mg/L时受厌氧古菌影响。从海水颗粒物到表层沉积物中iGDGT-0、iGDGT-1、iGDGT-2和iGDGT-3的比例增加表明这些成分在沉积物中优先保存。水柱中的DO浓度（2-6 mg/L）与泉古菌醇相对含量（cren%）呈显著正相关，但与iGDGT-0%呈显著负相关，表明东海DO水平不足以促进氨氧化古菌（AOA）的环化。然而，底层水体DO浓度与表层沉积物中的cren%和iGDGT-0%均呈显著负相关，这主要是因为在还原性更强的沉积物中iGDGTs的环化增强且厌氧古菌丰度增加。水柱和沉积物中iGDGT-0%与DO呈现一致的显著负相关，我们提出iGDGT-0%可为潜在的氧化还原指标。利用沉积柱中iGDGT-0%追踪了近几十年来东海底层水体DO浓度的变化，追踪结果与监测数据吻合，进一步支持了iGDGT-0%作为氧化还原条件指标的可靠性。

    另一篇论文则以具有典型季节性低氧的东海陆架区为研究海域，通过系统研究东海陆架区水柱和沉积物中BHPs含量和组成变化及与物理-化学和微生物参数的耦合关系，从来源属性、沉降保存及对海水缺氧和细菌活动的响应关系三个层面评估了BHPs特征成分作为低氧和关键氮循环过程代用指标的适用性。研究发现东海陆架区沉积物中的细菌霍四醇同分异构体（BHT-II）来源于底层低氧海水中的厌氧氨氧化细菌Ca. Scalindua；海水颗粒物和表层沉积物中的BHT-II丰度及比值与厌氧氨氧化功能基因amx-16S rRNA丰度存在显著正相关，与海水DO浓度呈现显著负相关；且BHT-II在沉积物中优先保存；这些证据表明BHT-II丰度及比值是指示海水厌氧氨氧化和低氧的有效代用指标。在此基础上，首次量化提出了BHT-II比值为0.20和0.45作为海水低氧和缺氧的判别阈值。研究还发现东海陆架区沉积物中的2-甲基BHT主要来源于表层海水中的固氮蓝细菌；海水颗粒物和表层沉积物中的2-甲基BHT与蓝细菌丰度、固氮功能基因nifH丰度和固氮速率具有显著正相关；且2-甲基BHT是在沉积物中优先保存的又一重要组分；这些证据表明2-甲基BHT是指示海洋蓝细菌固氮过程的有效代用指标。同时，研究还发现东海陆架区沉积物中的氨基藿四醇和氨基藿五醇主要来源于好氧甲烷氧化菌，其在海水颗粒物和表层沉积物中的总浓度与好氧甲烷氧化菌功能基因pmoA丰度及底层海水、表层沉积物间隙水中溶解甲烷浓度具有显著相关性，但其在沉积过程中优先降解，在使用其作为好氧甲烷氧化代用指标时需谨慎考虑。

    其中论文1第一作者为中国科学院海洋研究所段丽琴研究员，论文2  第一作者为中国科学院海洋研究所博士研究生尹美玲，宋金明研究员和段丽琴研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目资助。 

    相关论文和链接： 

    1. Liqin Duan, Jinming Song, Huamao Yuan, Xuegang Li, Quancai Peng, 2024. Redox indication potential of isoprenoid tetraether lipids in marine environments: Insights from the East China Sea. Chemical Geology 662, 122207.   https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2024.122207

    2. Meiling Yin, Liqin Duan, Jinming Song, Jiawei Kan, Huamao Yuan, Xuegang Li, Yingxia Wang, 2024. Vertical variations of bacteriohopanepolyols near the Changjiang Estuary waters: Implications for marine hypoxia and bacterial activities. Chemical Geology, 651: 122013. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2024.122013

  • 原文来源：https://qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202408/t20240814_7266876.html
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    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2023-05-27
    • 中国科学院海洋研究所贝类研发团队承担的中国科学院战略性先导科技专项 “美丽中国生态文明建设科技工程”——“服务于‘美丽海洋’的生物调控技术与示范”子课题，在牡蛎适应性机制解析及抗性提升技术研发领域取得了阶段性新进展，相关成果近期发表于环境科学领域期刊Science of the Total Environment、Marine biotechnology等。 在全球气候变化加剧和极端天气频发的背景下，海洋生物面临着严峻的生存考验。在海洋生物资源保护与利用领域，生物适应潜力预测与适应性提升一直是学术界和产业界共同关注的热点问题。潮间带海域是海洋与陆地的交汇区，受来自海洋、陆地和大气中多种环境因素以及人类活动的直接与间接影响，其环境具有高变异性；牡蛎作为经济与生态价值兼备的潮间带优势种，与潮间带环境共同构成了研究海洋生物与环境互作效应的理想研究体系。 人们经常会关注到，潮间带牡蛎的体型比潮下带牡蛎要小很多，与市场售卖的养殖牡蛎相比，形态更是千差万别。其实这些外型截然不同的牡蛎很可能是一个物种，造成这种差异的原因主要是牡蛎所处的环境不同。科学家把这种同一基因型的个体在不同环境中表现出不同表型的现象称之为表型可塑性，这是包括牡蛎在内的海洋生物重要适应机制。 海洋所贝类研发团队以“牡蛎-潮间带环境”为研究体系，经过系统的比较检测发现，潮间带牡蛎与潮下带牡蛎不仅在生长指标、营养物质组成和含量上不同，其对高温、干露等胁迫环境的抗性也存在显著差异，特别是在高温条件下，潮间带牡蛎要比潮下带牡蛎具有更强的响应弹性和抗性。研究团队对潮间带牡蛎与潮下带牡蛎进行了基因组结构变异的检测，结果并未发现两者基因组结构有明显差异，表明潮间带与潮下带牡蛎的表型差异主要来源于环境引起的表型可塑性；继续研究发现，以DNA甲基化为代表的表观遗传修饰是介导这一表型可塑性的重要机制。在此基础上，团队成员进一步探究了潮间带环境对牡蛎后代的影响，解析了跨代可塑性（transgenerational plasticity）介导的“环境记忆”是否存在及其内在分子机制问题，并基于环境调控进行了适应性提升技术的研发与应用。 研究人员对野生潮下带和潮间带牡蛎群体进行了连续两代的人工繁育得到F1和F2代并于潮下带环境中同质养殖。对这三代牡蛎进行比较研究发现，在能量代谢状态和机体抗氧化能力相关表型中，三代潮间带牡蛎群体均与潮下带牡蛎群体存在显著差异；在高温条件下，三代潮间带牡蛎表现出相似的高温反应范式，其应激响应模式与潮下带牡蛎存在差异，即潮间带环境诱导的抗性相关表型的跨代可塑性是存在的。DNA甲基化测序结果显示，三代潮间带牡蛎群体均与潮下带牡蛎存在基因组甲基化分化，在亲本潮间带潮下带甲基化差异基因中，有43%（1655个）可连续遗传至F2；在高温应激实验中，有14%（320个）的高温响应基因能从亲本连续遗传两代，后续也通过抑制基因组DNA甲基化的方法反向证实了甲基化在调控高温适应中发挥积极作用。总之，潮间带环境诱导的适应性相关的表型可塑性可至少遗传两代，且DNA甲基化是介导跨代可塑性的重要机制。 相关成果首次从表观遗传学的角度揭示了牡蛎环境诱导性表型变异的跨代遗传现象及其机制，不仅为海洋生物适应性性状的形成和适应潜力的预测提供了新见解，丰富了海洋生物适应性理论，更为基于环境调控提升牡蛎适应性的相关技术研发提供了新的思路。基于该原理，研究团队已申报了多件牡蛎适应性提升技术与牡蛎礁构建相关的专利，并在牡蛎修复性养殖与牡蛎礁生态系统重构中获得应用。 中国科学院海洋所博士后王新星为文章第一作者，李莉研究员为通讯作者。本研究除得到中国科学院战略性先导科技专项支持外，还得到了国家贝类产业技术体系等项目的共同资助。 相关论文： [1] Wang Xinxing; Cong Rihao; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Transgenerational effects of intertidal environment on physiological phenotypes and DNA methylation in Pacific oysters, Science of The Total Environment, 2023. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162112 　　  [2] Wang Xinxing; Cong Rihao; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Experimental DNA demethylation reduces expression plasticity and thermal tolerance in Pacific oysters. Marine biotechnology. 2023.  https://doi.org/10.1007/s10126-023-10208-5 　　  [3] Wang Xinxing; Li Ao; Wang Wei; Zhang Guofan; Li Li; Direct and heritable effects of natural tidal environments on DNA methylation in Pacific oysters (Crassostrea gigas), Environmental Research, 2021.  https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111058 　　  [4] Wang Xinxing; Li Ao; Wang Wei; Que Huayong; Zhang Guofan; Li Li; DNA methylation mediates differentiation in thermal responses of Pacific oyster (Crassostrea gigas) derived from different tidal levels, Heredity, 2021.  https://doi.org/10.1038/s41437-020-0351-7
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  • 《中国科学院海洋研究所在北冰洋海区微型浮游动物纤毛虫对指示北冰洋变暖的研究方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
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    • 近日，中国科学院海洋研究所张武昌课题组在北冰洋海区微型浮游动物纤毛虫对指示北冰洋变暖的研究方面取得新进展，研究成果在国际学术期刊Marine Environmental Research和Frontiers in Microbiology上发表。 北冰洋是对全球变暖最敏感的区域之一，目前主要面临着入流水量增大、海水升温、海冰融化等威胁。在北冰洋-太平洋扇区，太平洋入流水是连通白令海（亚北极区系）和北冰洋（北极区系）浮游生物的桥梁。浮游纤毛虫（微型浮游动物的重要组成部分）是一类具有纤毛的单细胞原生动物，由砂壳纤毛虫和无壳纤毛虫组成，是链接海洋微食物网和经典食物链的重要中介。纤毛虫对环境变化响应迅速，适宜环境能快速繁殖并建立种群，不同水团中种类组成差异显著，可作为水团指示生物。近年来太平洋入流水量的增加导致太平洋来源的浮游生物可以分布至楚科奇海北部，表明北冰洋浮游生态系统正在逐渐趋向于亚北极浮游生态系统，即太平洋化，若持续发展，将导致亚北极浮游生态系统取代北极浮游生态系统。目前太平洋入流水对北冰洋浮游生态系统影响的研究发现太平洋入流水向北冰洋输送了大量浮游纤毛虫，但是关于其能否适应新的环境、是否能在深层水体中分布，及随北冰洋北方化进程变化的亟需研究。 研究团队对中国第十二次北极科学考察航次中全水深站位的浮游纤毛虫的群落结构进行了系统研究，通过对浮游纤毛虫群落的全水深垂直分布结构进行分析，发现200 m是其丰度和生物量锐减的水层；首次创立以砂壳纤毛虫空壳率作为指示其对环境的适应能力的指标，并找出优势种砂壳纤毛虫的死亡区域；在北冰洋加拿大海盆的太平洋水中，太平洋种类号角虫 sp.1的丰度远高于北冰洋本地种盾形笛杯虫，并且有更多的种类在北冰洋首次发现；结合以往的研究结果，发现浮游纤毛虫的粒级正在趋向于小型化，部分砂壳纤毛虫种类分布区北移，表明该海域中微型浮游动物也正在经历着剧烈的北方化进程。以上结果表明，浮游纤毛虫（尤其是砂壳纤毛虫）可作为北冰洋不同水团的指示种，同时首次创立以砂壳优势种空壳率作为研究指标，对今后指示和预测北冰洋浮游生态系统对全球变暖的响应具有重要的意义。 论文第一作者为海洋所特别研究助理王超锋，研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国博士后面上基金项目等项目资助。 相关文章及链接： 1.Wang, C.F., Wang, X.Y., Xu, Z.Q., Luo, G.F., Chen, C., Li, H.B., Liu, Y.P., Li, J.Y., He, J.F., Chen, H.X., Zhang, W.C. 2023. Full-depth vertical distribution of planktonic ciliates (Ciliophora) and a novel bio-index for indicating habitat suitability of tintinnid in the Arctic Ocean. Marine Environmental Research. 186, 105924. doi:10.1016/j.marenvres.2023.105924 2.Wang, C.F., Yang, M.Y., He, Y., Xu, Z.Q., Zhao, Y., Zhang, W.C., Xiao, T. 2022. Hydrographic feature variation caused pronounced differences of planktonic ciliate community in the Pacific Arctic Region in summer 2016 and 2019. Frontiers in Microbiology. 13, 881048. doi:10.3389/fmicb.2022.881048
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