海洋生物诞生过程、新资源发掘与高值利用

本文以46亿年来地球、海洋及生命的形成与演化为主线,简要回顾了生命体由简单到复杂、从低级向高级、从水生到陆生逐级演化的历史进程,以及重大环境变化事件对生物毁灭性灭绝、生物适应与多样性演化的影响,阐明海洋尤其热带海洋在生命诞生、孕育及庇护等过程中所发挥的不可替代作用。同时,分析了热带海洋生物资源多样性中心形成的重要自然环境因素及可能机制。并针对印太交汇区深海极端环境微生物生态系统、浅海典型的海草/藻床、珊瑚礁、生物多样性和热带渔业资源,论述了热带海洋生物多样性资源的保护、发掘与高值开发利用。

扩增子测序技术在牡蛎GⅡ型诺如病毒基因多样性研究中的评估

牡蛎中诺如病毒基因多样的研究对病毒的流行传播和疫情防控具有十分重要的意义,二代测序技术(next generation sequencing, NGS)的扩增子测序具有高通量、高准确性等优势,被广泛应用于基因组学、转录组学和表观基因组学等领域。为评估扩增子测序技术对牡蛎中诺如病毒多样性研究的可行性,采用经典的巢式反转录PCR(reverse transcription-PCR, RT-PCR)方法对人为污染诺如病毒的牡蛎样品进行检测并将产物进行扩增子测序,对病毒基因型覆盖度和灵敏度进行分析。结果显示,在覆盖度方面,扩增子测序技术能够检测出人为添加到牡蛎中的6种GⅡ型诺如病毒,覆盖率达到100%;在灵敏度方面,对人为污染有不同数量诺如病毒的牡蛎进行检测及测序分析,证实扩增子测序的灵敏性较高,低于50个病毒粒子也能检测出。综上,扩增子测序技术提高了牡蛎中诺如病毒检测的准确性以及基因型的丰富度。

绿潮生物学机制研究

绿潮发生机制极其复杂,但其核心机理是绿潮暴发时漂浮"藻席"中的浒苔快速形成巨大生物量,涉及浒苔生物学过程对环境的响应及其生理生化基础。为此,本文在已有研究报道的基础上,对浒苔生活史研究进行了充分的理论补遗;分析了漂浮"藻席"中浒苔生长与繁殖过程,认为该过程是绿潮生物量形成的关键;阐述了浒苔孢子囊形成是对富营养化背景下海水溶解无机氮(DIN)中硝态氮高占比的响应,认为一氧化氮分子可促进浒苔营养细胞向孢子囊的转化;解析了浒苔细胞对逆境因子的响应途径与机制。基于已有的研究成果,本文对浒苔引发绿潮的生物学过程进行了理论推定。人为或自然因素使固着浒苔处于漂浮状态,形成小规模"藻席";富营养化背景下海水DIN中硝态氮占比的升高赋予了浒苔巨大的繁殖潜能,漂浮过程溶解无机碳(DIC)"充裕"和"不足"两个阶段的交替以及食藻动物啃食产生的藻片段使孢子囊形成比例大幅提升;孢子原位萌发等使释放的孢子在"藻席"中获得了附着基,个体数目随之指数增长;结合漂浮浒苔的高生长速率,"藻席"规模不断扩大,短时间内形成巨大生物量。同时,本文还对今后的绿潮研究提出一些建议,认为啃食动物在浒苔生物量消长过程中发挥重要作用,在漂浮"藻席"系统中扮演着"生态引擎"的功能,同时系统阐明浒苔孢子的原位萌发等现象的生物学机理应该是未来绿潮的重要研究内容。

中国海洋无脊椎动物分类学与系统演化研究进展与展望

综述了我国海域无脊椎动物的分类学和系统演化研究的历史和概况,以及我国分类系统学工作者在海洋无脊椎动物分类学、区系与动物地理学、系统发育与分子系统学领域的主要工作,重点介绍了中国科学院海洋研究所的海洋无脊椎动物分类学工作。涉及类群包括原生动物、海绵动物、刺胞动物、线虫、多毛类环节动物、星虫、螠虫、软体动物、节肢动物、苔藓动物、毛颚动物、棘皮动物、半索动物等主要的无脊椎动物门类。涉及海域以我国管辖海域,特别是中国近海为主,也涉及了西太平洋、西南印度洋等深海环境的无脊椎动物类群的分类学报道。本文总结过去,展望未来,对于在我国在海洋无脊椎动物分类与系统演化研究领域成就基础上,发现薄弱环节,研讨今后本学科的发展方向,填补研究空白,赶超本领域国际前沿,都有重要借鉴意义。

海洋线虫Litoditis marina低氧胁迫响应的转录组分析

全球气候变化导致海洋氧含量降低,海水低氧胁迫对海洋无脊椎动物的生长、发育和繁殖造成了严重的威胁。以海洋线虫Litoditis marina为实验对象,观察了其在不同氧浓度(21%、3%、1%和0.5%)条件下的生长发育速率,并对不同氧浓度条件下的L1幼虫样品进行了转录组测序和分析。实验结果表明,当环境氧浓度从21%下降至3%时,L.marina的发育成熟速度明显加快,进一步下降至1%时,产卵时间延长并和21%氧浓度接近,但当氧浓度为0.5%时,L.marina的产卵时间显著延迟。比较转录组分析表明,相比于21%氧浓度环境,3%、1%和0.5%低氧条件下L.marina的糖酵解、糖异生、硫代谢和线粒体碳代谢等通路相关基因的表达显著上调;而寿命调控通路、细胞色素P450代谢通路和ABC转运蛋白相关基因的表达显著下调。研究结果发现的海洋线虫应对氧浓度胁迫的基因表达变化模式,为深入理解海洋无脊椎动物应答低氧胁迫分子机制提供了重要参考。

单细胞转录组测序技术及其在秀丽隐杆线虫中的应用

单细胞转录组测序技术使人们摆脱了细胞异质性问题的干扰,从而在单个细胞水平实现对基因表达及转录调控机制的探索,以及对不同细胞亚群和特殊细胞类型的识别,对系统发育领域的研究具有重要意义。传统模式生物秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)由于体细胞数目固定、细胞分化路径清晰等特点,近年来成为了单细胞转录组学研究的重要模型。本文对目前单细胞转录组测序技术的发展现状进行综述,总结其在秀丽隐杆线虫的细胞谱系分析、单细胞轨迹推断以及神经元细胞图谱等研究工作中的应用情况,并对未来的研究方向作进一步展望。

深海大型底栖生物多样性研究进展及中国现状

综述了国内外深海大型底栖生物多样性、生态学领域的研究进展情况,重点论述了中国在深海热液、冷泉、海山、深渊及鲸尸等特殊环境的考察、研究进展情况,并对中国将来的研究趋势和发展方向做了梳理和展望。

海洋贝类Toll样受体及其接头蛋白MyD88的分子进化研究

海洋贝类在长期的进化过程中具备了复杂和独特的免疫体系,为免疫防御系统的适应性进化研究提供了典型实例。目前海洋贝类天然免疫系统经典分子在后生动物演化历程中的特点尚不明确。为探究模式识别受体Toll样受体(TLR)及其接头分子髓样分化因子(MyD88)基因家族在后生动物中的进化历程,研究了32个后生动物演化代表性物种中TLR及MyD88基因家族的系统发育关系,以长牡蛎为代表物种探讨了长牡蛎TLRs和MyD88s在病原感染、环境胁迫、早期发育和组织分化条件下的基因表达模式。结果表明,海洋贝类中普遍存在TLR和MyD88基因家族的扩张,在腹足类和双壳类中检测到两个基因家族谱系特异性的基因扩张, 46个长牡蛎特异性扩张的TLR基因能够被病原诱导表达,且在不同类型的病原感染下,其表达模式具有特异性。和病原诱导表达的TLRs相比,参与牡蛎早期发育的TLRs起源相对古老。研究结果表明,海洋贝类天然免疫模式识别受体TLR及其接头分子MyD88通过基因复制和表达分化形成了复杂特异的信号传导通路,这有助于深入了解海洋贝类的天然免疫防御系统的特点,丰富后生动物天然免疫进化的脉络。

海洋动物适应性演化与多样性研究进展

海洋生物多样性是海洋生态系统的重要组成部分,了解海洋生物多样性的形成演化过程不仅是生命科学的本质问题,而且对海洋生物资源的保护和开发利用具有重要的指导意义。目前海洋生物多样性的形成演化机制尚不明确,而性状多样性的起源和适应性演化为回答海洋生物多样性的内源性机制提供了重要突破口。本文从演化发育生物学的角度综述了海洋动物适应性性状、其研究方法和新兴模式生物的研究进展,重点阐述了印太交汇区的海洋动物适应性演化研究进展,探讨了该区域生物多样中心形成的驱动力,并就未来海洋生物多样性与适应性演化研究提出了建议。

海洋植物谱系地理模式与遗传连通性研究进展

海洋植物谱系地理学虽然在国内受到的关注比较有限,但近年来的研究进展对了解环境变动如何影响物种的多样性结构、生态适应和进化潜力等亦提供了重要信息。本文首先对刊发海洋植物谱系地理研究最具代表性的两本国际期刊《Molecular Ecology》和《Journal of Biogeography》进行搜索和筛选,从研究团队的地域分布和研究对象的阶元等角度纵览全球范围内近20年间海洋植物谱系地理学研究的现状和特征。其后,本文从洋流如何驱动海洋植物谱系地理结构和多样性、入侵物种的种群遗传变异特征和路径重建、冰期避难所如何影响现今海洋植物遗传结构和地理变动、克隆繁殖和谱系多样化等四个方面概述了这一领域的主要成果进展。最后,本文还从岛屿地理模型、共生物种的谱系协同进化和高通量数据应用等三个方面对海洋植物谱系地理学的发展趋势进行了展望。

海洋多毛类动物的再生演化

再生是生物体丢失的组织或器官重新生长和修复的过程,是生物科学的本质问题之一。再生现象在生物界中广为分布,但不同生物的再生能力却存在着巨大差异。虽然近年来再生的分子和细胞机制取得了显著的研究进展,但驱动物种再生能力多样性形成的遗传机制尚不明确。海洋多毛类因其多样且快速演化的再生能力和简单线性的分节结构成为研究再生演化的极佳类群。本文首先从生态和演化生物学的角度综合分析了多毛类再生的特点、进一步总结细胞和分子来源以及再生性状多样性,然后分析了印太交汇区的海洋多毛类再生性状的特点以及外在多圈层因素对再生性状的潜在驱动效应,并就未来的发展趋势提出了建议。

海洋线虫Litoditis marina酸性pH胁迫响应的转录组分析

工业革命以来,二氧化碳排放导致了海洋酸化。海水pH下降对无脊椎动物的生长发育、繁殖、代谢和免疫等多个生命过程产生重要影响,但海洋无脊椎动物如何感知和响应酸性pH胁迫的分子机制还很不清楚。本研究以团队建立的海洋线虫Litoditis marina品系为模型,对其在不同酸性pH条件下的表型特征及转录组数据进行了分析。结果表明,当pH从实验室最佳生长条件5.92下降到5.33时,L.marina生长发育的速度明显减慢,但依然可以产卵繁殖;但当pH下降到4.33时,L.marina的生长受到严重影响,表现为不能长成成体且不能产卵繁殖。通过转录组数据分析,发现当pH从5.92下降到4.33时,海洋线虫L.marina脂肪酸β-氧化通路基因和不饱和脂肪酸合成相关基因表达上调;表皮相关基因表达则呈现差异变化,2个nas基因和6个ptr基因表达显著上调,表皮胶原基因col类基因的表达没有发生显著变化;细胞色素P450通路相关基因、凝集素C基因和HSP70家族基因的表达量显著上调。当pH从5.92下降到5.33时,上述提到的这些上调基因中的大多数没有发生显著变化。我们发现的海洋线虫应答酸化胁迫的主要调控模式,为理解生物体能够在低pH环境中生存的分子机制提供了参考,为筛选和识别生物体响应和适应酸化胁迫的关键基因奠定了基础。

微生物降解土壤中多环芳烃的研究进展

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)在土壤中分布广泛且存留时间长。利用理化手段去除PAHs不仅价格昂贵,还会对土壤、沉积物以及地下水层等自然环境造成二次污染。生物修复主要是利用微生物代谢多样性降解有害污染物,被认为是最具有前景的修复技术。目前已分离鉴定出多种微生物具有降解PAHs的能力。为了更好地应用微生物修复土壤及环境中的PAHs污染,需要更加深入了解降解过程中微生物代谢途径的生理生化以及分子遗传机制。综述了土壤中多环芳烃的微生物降解,在前人研究的基础上,阐述了不同降解途径对不同分子量多环芳烃的生物代谢转化机理,为提高土壤中降解菌的生物修复能力提供了理论依据。

鱼类生殖细胞移植技术研究及进展

鱼类生殖干细胞具有多向分化潜能,作为供体细胞移入同种或异种受体,在受体内迁移、定居、增殖、分化、成熟,产生供体来源功能性配子和后代,称为鱼类生殖细胞移植。作为一项辅助生殖技术,与冷冻保存技术相结合,已经在多种鱼类上进行研究。经过十几年的发展,鱼类生殖细胞移植技术逐渐成熟,目前已经建立了原始生殖细胞、精原细胞、卵原细胞作为供体细胞,囊胚胚胎、孵化幼鱼、成鱼为受体的移植体系。生殖细胞移植技术未来将在濒危物种保护、代理养殖、干细胞诱导分化等方面发挥重要作用。本文总结分析了目前已经报道的鱼类生殖干细胞移植技术,以及鱼类生殖干细胞移植存在的问题和未来发展方向。

海洋线虫Litoditis marina早期发育的转录组分析

全球气候和环境变化影响海洋动物的生长发育和繁殖等生命过程,探究环境因子调控发育的分子机制,需要深入了解海洋动物早期发育的生理和分子特征。以实验室驯化的潜在模式动物海洋线虫Litoditis marina为研究对象,对其胚胎期和孵化后发育早期2 h、4 h和6 h的L1幼虫样品进行了转录组测序和分析。结果表明,2 h、4 h和6 h的L1幼虫间差异较小,而三个L1幼虫样品与胚胎期相比,基因表达发生了显著变化。通过KEGG富集分析,发现与胚胎期相比,三个L1幼虫样品的多个通路如核糖体、核糖体生物发生、糖酵解/糖原异生、TCA循环和氧化磷酸化通路相关基因发生了显著上调。另外还发现多个神经递质和神经肽受体基因如dop-和npr-等在L1期转录水平显著上调。与胚胎期相比,L1幼虫的多个DNA复制和修复相关、Notch、Hippo和Hedgehog信号和剪切体等通路相关基因发生了显著下调。发现的L.marina早期发育转录组变化模式与已经发表的陆生模式生物秀丽线虫Caenorhabditis elegans从胚胎期到L1幼虫的转录组变化特征非常相似,但同一上调或下调通路中具体发生表达变化的基因有些不同。另外,L1幼虫显著上调的核糖体生物发生通路相关基因在秀丽线虫中发生了显著下调。进一步通过基因编辑等技术和方法深入研究发育调控关键基因的功能将为海陆近缘线虫间的发育进化机制、海洋线虫对潮间带环境适应以及全球气候变化应答的分子机制研究提供新认知。

辽宁大连裙带菜虫害生物调查及其系统发育分析

2019年10月下旬,辽宁省大连市裙带菜(Undaria pinnatifida)遭受大面积虫害,受灾面积不少于15.36hm2。本研究通过现场调查和形态学鉴定,确定了虫害为丹氏麦杆虫(Caprella danilevskii Czerniavski,1868)为代表的麦杆虫属(Caprella spp.)动物暴发生长导致。麦杆虫常见污损于养殖海藻和海水养殖设备上,近年来对我国福建地区的羊栖菜(Sargassum fusiforme)养殖业、山东地区的龙须菜(Gracilaria lemaneaformis)养殖业造成了巨大损失,而我国渤海养殖海区此前未见遭受麦杆虫虫害的严重影响的报道。本研究讨论了气候变暖和漂浮铜藻(Sargassum horneri)在此次虫害暴发中起到的作用,并首次描述了我国同一海区采集到的不同麦杆虫属物种的形态学特征。生产上建议将碳酸氢铵(NH4HCO3,俗称"碳铵")制作为传统"挂袋肥"的方式悬挂在养殖筏架上,能够驱散、杀死麦杆虫并提供藻类生长所需的氮元素。采用贝叶斯法基于线粒体DNA细胞色素氧化酶亚基Ⅰ(COⅠ)基因片段构建了麦杆虫属物种的系统发育树。序列分析显示,该COⅠ基因片段长度为479bp,AT含量为63%,转换/颠换偏倚率R值为1.130,序列未发生缺失或插入现象;种间遗传距离平均值为0.231(0.210~0.279),种内遗传距离平均值为0.014(0~0.030)。本研究表明,线粒体COⅠ基因序列具有适宜的变异信息,种内保守、种间存在差异,适用于麦杆虫属的物种识别,并为开发麦杆虫属DNA条形码技术奠定了基础。

雅浦海沟海参(Synallactidae)肠道微生物多样性及系统进化分析

为研究超深渊海参肠道微生物多样性,了解其所在沉积环境的物质循环特征,利用MiSeq高通量测序技术,对雅浦海沟海参肠道微生物16S rDNA的V3-V4和V4-V5可变区基因序列进行了扩增,并与近岸养殖刺参(Apostichopus japonicus)肠道微生物的多样性和组成进行比较。实验结果显示,与养殖刺参比雅浦海沟海参肠道细菌的多样性(辛普森指数和Chao1指数)和丰富度(ACE指数和香农指数)均较低;雅浦海沟海参肠道细菌主要包括γ-变形菌(Gammaproteobacteria,34.1%)、α-变形菌(Alphaproteobacteria,16.0%)和拟杆菌(Bacteroidetes,24.0%),古菌主要由奇古菌门(Thaumarchaeota,98.8%)组成;雅浦海沟海参肠道中,化能自养的氨氧化古菌亚硝化侏儒菌属(Nitrosopumilus)相对丰度达95.6%,甲基营养的硝酸盐还原菌(Methylotenera)相对丰度为10.6%;而养殖海参肠道中硫酸盐还原菌(28.1%)和硫氧化菌硫卵形菌属(Sulfurovum,13.7%)的相对丰度较高。16S rDNA基因序列的系统进化分析结果表明,亚硝化侏儒菌与超深渊沉积环境中奇古菌门亲缘关系最近,且遵循氨氧化古菌从陆地到深海进化的理论;雅浦海沟海参和养殖海参的肠道微生物组成差异可能反映了超深渊和近海沉积环境中氮循环、硫循环特征。本研究可以为揭示超深渊物质循环和能量流动及生命演化提供参考。

细弱红翎菜(Solieria tenuis)的物种鉴定及其在青岛市琅琊台湾海域的生长调查研究

2021年7月末至10月初,位于黄海沿岸的青岛市西海岸新区琅琊台湾贡口拦海坝处出现大量悬浮生长的大型红藻。为明确该类群的分类地位,探究其生物学特征,对该处红藻群体展开了实地调研,并采集相关样本开展了形态鉴定和分子系统发育分析。该群体主要由一种红藻组成,藻体紫红色、圆柱形,质软多肉,高度可达20cm,不规则互生分枝,分枝基部强烈缢缩、顶端尖细;藻体主轴横截面观可见较小的含色素外皮层细胞以及较大的近圆形假薄壁细胞和分布在髓层中央的散乱、疏松的丝状细胞。结合分子标记rbc L和cox I基因的系统发育分析结果,该物种被鉴定为细弱红翎菜(Solieria tenuis Zhang et Xia)。与历史研究记录不同,贡口拦海坝处的细弱红翎菜群体缺乏固着器和繁殖结构,悬浮性营养生长,所在海域丰富的氮磷营养可能为其快速生长提供了物质基础,在生长高峰期该群体总生物量约6 t (干重),是一次局部区域性小规模“藻华”。细弱红翎菜的悬浮生态型和暴发性增殖现象表明该物种可能具有较强的环境适应性,其生理特征和潜在的生态风险需进一步关注。

微生物参与海草床元素循环及其生态修复功能

海草是分布在全球海岸带的沉水被子植物,与周围环境共同形成的海草床生态系统是三大典型海洋生态系统之一,具有十分重要的生态功能。20世纪以来,全球海草床衰退严重,研究海草床的生态修复迫在眉睫,现有修复方法未能足够重视微生物在海草床中的重要作用。本文综合阐述了微生物在海草床生态系统有机物矿化和营养流动过程中起到的作用,分析了微生物驱动下的海草床水体与沉积物之间的元素循环,提出了人类活动引起海草床退化的原因,总结了海草床微生物的系统研究方法,并在此基础上提出从微生物生态的角度修复海草床的新思路。

虾夷扇贝AMPK基因家族的鉴定及表达

为了解AMPK基因家族在虾夷扇贝中的特征、进化及生物学功能,实验采用比较基因组学及生物信息学的方法对虾夷扇贝AMPK基因家族进行了鉴定、基因与蛋白结构分析、系统发生分析以及时空表达分析,通过虾夷扇贝亚致死温度胁迫实验,研究了AMPK基因家族在高温胁迫时的表达规律。结果显示,虾夷扇贝基因组中共存在3个AMPK家族基因,即PyAMPKα、PyAMPKβ、PyAMPKγ。时空表达分析发现,PyAMPK的3个家族基因在D型幼虫期之前均呈现较高的表达量,其中PyAMPKα基因在受精卵时期表达量最高,PyAMPKβ基因在囊胚时期表达量最高,PyAMPKγ基因在受精卵和2~8细胞时期的表达量达到最高水平。PyAMPK在虾夷扇贝成体器官中呈现不同的表达模式,其中肾脏表达量最高,其次是鳃。受高温胁迫后,肾脏和鳃中的PyAMPK基因短时间内呈现显著的上调表达,并随着时间延长呈现先上升后下降的趋势。研究表明,AMPK基因家族参与了虾夷扇贝早期胚胎发育过程的能量代谢调节以及机体面对高温胁迫的应激调节过程。本研究有助于理解贝类AMPK基因的功能和进化,并为深入阐明贝类应对高温胁迫时的能量调节机制提供理论基础。