文献解读 | 珊瑚白化的代谢研究

一、背景介绍

健康珊瑚群颜色鲜艳，其颜色主要由共生藻类的光合色素造成，比如说虫黄藻的叶绿素和类胡萝卜素，可以反射绿、黄、棕等颜色，从而使得珊瑚表现出不同色泽。珊瑚白化则是指珊瑚失去其共生藻类而呈现出白色，这是因为珊瑚遭遇逆境时，比如说海水温度异常升高，珊瑚会将共生藻类驱逐，导致珊瑚自身失去颜色，进而呈现黄白色，即为珊瑚白化现象。失去藻类的珊瑚无法生长繁殖，如不能及时恢复，则可能导致死亡，最终会影响整个珊瑚礁生态系统的稳定。因此利用代谢研究珊瑚及共生藻的小分子变化，捕捉存在的差异特征，揭示这些特性如何在代际间传递，从而提前筛选出耐热个体，分析珊瑚对热应激的耐受性和恢复力，对于应对气候变化具有重要意义。

 

二、材料方法

研究样本主要包括发生过白化的21个珊瑚亲本和未发生过白化的26个珊瑚亲本，样本取样覆盖了珊瑚的涵盖成体、精子/卵子、胚胎、幼虫、幼体各阶段，包含了共生虫黄藻三种类型：Cladocopium、Durusdinium、Mixed。代谢样本提取使用70 %预冷甲醇，利用UPLC-MS/MS平台进行检测，仪器类型为Thermo Q-Exactive Orbitrap结合Vanquish UHPLC，色谱流动相A为0.1 %甲酸水，B为乙腈，设置12分钟线性梯度使B从5%到95%，质谱为正离子全扫描模式，m/z范围为100–1500。

代谢物一级注释使用GNPS 特征-分子网络（FBMN）进行谱图比对，二级分类根据CANOPUS（SIRIUS 4）按化学类别分类，代谢物溯源参考的数据来自完全漂白（无藻）的珊瑚M. capitata及纯化的Symbiodiniaceae藻粒（>95 % 藻细胞），若某代谢物在两个数据集中均出现，且平均丰度不低于10倍差异则进行归类。基于代谢数据，进行了α-多样性和β-多样性分析，使用随机森林模型进行监督分类，非参数检验使用Mann–Whitney U（两组）或 Kruskal–Wallis（多组），多重校正采用Benjamini–Hochberg统计方法。

 

三、结果讨论

研究成功建立了珊瑚群体的亲本库，主成分分析显示不同生命阶段代谢谱不同，其中Shannon 熵、Richness 和 Evenness 均呈“成体≈卵子>幼虫>精子≈胚胎≈幼体”式递减，说明代谢多样性随生殖和发育阶段而变化重组；基于Bray-Curtis距离分析表明卵子与其亲本个体之间的代谢相似度高；幼虫发育轨迹显示幼虫代谢连续变化，Shannon值由 3.3 增至 6.0。

随机森林模型在胚胎、幼虫、幼体阶段对“白化vs非白化”表型的分类准确，显示亲本白化在整个生命周期留下代谢烙印；将代谢特征拆分为“宿主来源”与“藻来源”后，独立分析仍显示两者均受白化驱动，说明信号既来自珊瑚本身也来自共生藻。研究发现DGCC 脂质是耐热核心标记，耐热群体显著富集 Lyso-DGCC 16:0，而热敏群体则以多不饱和 DGCC 为主；幼虫Lyso-DGCC 16:0 丰度随 15–120 hpf上升，与共生藻光合活性同步增强，提示了该脂质作为耐热标志的特异性，为珊瑚保育提供了可量化操作的分子选育指标。

ITS2 测序将亲本分为Cladocopium、Durusdinium和 Mixed三类，联合分析发现Cladocopium群体中，非白化类珊瑚的DGCC 仍较高，说明即使携带热敏感藻株，珊瑚仍可通过上调DGCC 饱和度实现耐热，提示存在“宿主-藻”协同的生化适应路径。

 

四、研究结论

研究首次给出了珊瑚及其共生藻的“耐热代谢指纹”，且覆盖配子、胚胎、幼虫、幼体四代，其核心标志是DGCC 脂质饱和度，这为研究珊瑚礁在变暖海洋中的适应提供了可量化、可干预的分子靶点。而LC-MS/MS技术结合宿主/藻溯源映射，能在无胁迫条件下提前锁定功能表型，比转录或基因标记更贴近生理现实，结合机器学习可以实现零失误，有望成为珊瑚耐热机制研究与生态治理工程的新利器。

 

五、结果展开

图1. 显示实验设计采样示意图，描述了珊瑚采样和繁殖以产生F1代幼虫的过程，样本量基于亲本群落及受精试验后，颜色用于区分亲本群落曾发生白化与否。

 

图2. 显示珊瑚发育过程各阶段的代谢特征。

 

A). 显示珊瑚生命各阶段代谢数据的主坐标分析(PCoA)。

B). 显示珊瑚卵受精后15小时、40小时、72小时、96小时和120小时的主坐标分析(PCoA)。

C). 显示珊瑚不同生命阶段的代谢物丰富度、Shannon熵和均匀度。

D). 显示珊瑚卵受精后15小时、40小时、72小时、96小时和120小时的代谢物丰富度、Shannon熵和均匀度。

E). 显示卵子的亲本-配子对（PGP）与非同亲本对之间的 Bray-Curtis 相异度。

F). 显示精子的亲本-配子对（PGP）与非同亲本对之间的 Bray-Curtis 相异度。

 

图3. 显示使用随机森林方法对比不同不同表型珊瑚的代谢组。

 

A). 显示包含珊瑚及共生藻总体代谢物在不同阶段的PCoA图。

B). 显示包含珊瑚代谢物在不同阶段的PCoA图。

C). 显示包含共生藻代谢物在不同阶段的PCoA图。

 

图4. 显示不同类型DGCC在各样本中的相对丰度。

 

A). 显示lyso-DGCC 16:0在珊瑚各阶段的相对丰度比较。

B). 显示DGCC 16:0/22:6在珊瑚各阶段的相对丰度比较。

C). 显示单酰基DGCC在珊瑚各阶段的相对丰度比较。

D). 显示二酰基DGCC在珊瑚各阶段的相对丰度比较。

E). 显示DGCC疏水性评分在珊瑚各阶段的相对丰度比较。

F). 显示所有的饱和DGCC在珊瑚各阶段的相对丰度比较。

G). 显示所有检测到的DGCC在珊瑚各阶段的相对丰度比较。

H). 显示lyso-DGCC 16:0在受精后15小时到120小时间各发育点的相对丰度比较。

 

图5. 联合分析显示代谢组、DGCC 脂质与共生藻基因型及白化表型间的关系。

 

A). 显示基于无监督随机森林邻近矩阵的 PCoA 图，对成体、卵子和精子的代谢组按 ITS2 基因型着色，其中 C 为 Cladocopium，D 为 Durusdinium，Mixed 为两种共生藻的混合群落。

B). 显示含有 Cladocopium 共生藻的成体、卵子和精子代谢组的 PCoA 图。

C). 显示具有白化史且含Cladocopium (C) 共生藻的珊瑚成体和卵子的DGCC脂类相对丰度比较。

 

参考文献：

Roach, T.N.F., Drury, C., Caruso, C. et al. Intergenerational metabolomic signatures of bleaching resistance in corals. Nat Commun 16, 5971 (2025). //doi.org/10.1038/s41467-025-61102-8.