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影响珊瑚的疾病的分子基础

来源:更新时间:2021-07-13

珊瑚礁是水肺潜水员最喜欢的地方,也是世界上最多样化的生态系统之一。例如,被称为“海洋雨林”的夏威夷珊瑚礁拥有超过 7,000 种海洋动物、鱼类、鸟类和植物。但是珊瑚礁正面临着严重的威胁,包括一些与人类活动有关的疾病。

为了了解人类活动与一种称为生长异常 (GAs) 的类肿瘤疾病之间的联系,美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员与美国地质调查局 (USGS) 和国家海洋和大气管理局合作。 NOAA) 使用一种新兴的分子分析方法来识别 18 种小分子,这些小分子有望帮助他们更好地了解导致疾病的一系列分子反应。

GAs 影响珊瑚骨骼及其软组织。科学家们不知道这种疾病的原因或它是如何传播的,但假设珊瑚群中的 GA 流行率与附近的人口密度之间存在很强的相关性。

几乎所有类型的珊瑚都是由数百到数百万个被称为息肉的软体动物组成的。息肉分泌碳酸钙,形成坚硬的骨骼,为珊瑚群落奠定基础。GAs 通过骨骼的不规则和加速生长影响珊瑚,导致其密度降低并充满孔洞。这导致珊瑚群的骨骼中出现肿瘤样肿块,息肉较少,繁殖能力下降。

浅水珊瑚从它们与虫黄藻(生活在珊瑚组织内的光合藻类)的共生关系中获得碳水化合物和氧气等食物,作为光合作用的副产品。GA 可导致共生虫黄藻减少,因此光合作用吸收的能量减少。

尽管 GA 通常不会直接导致珊瑚死亡,但它们确实会影响珊瑚群的整体健康,并对珊瑚种群构成生态威胁。为了分析这种疾病,NIST 研究人员选择了珊瑚物种Porites compressa作为他们的目标样本。

NIST 化学家 Tracey Schock 说,这种珊瑚物种被称为“手指”或“驼峰”珊瑚,是石珊瑚家族的一部分,后者是“夏威夷重要的造礁物种之一”。“它们为珊瑚礁奠定了基础。”

P. compressa在夏威夷群岛附近的浅泻湖中被发现,研究人员从瓦胡岛的 Kaneohe 湾获得了珊瑚样本。海湾被广泛研究为受人类活动影响的场所,例如污水排放和金属污染。以前曾在那里的珊瑚物种中观察到 GA。

为了分析和研究压缩假单胞菌中的GA,研究人员转向了代谢组学领域,该领域是对小分子的研究,例如在组织、血液或尿液中发现的构成生物体的分子。这些被称为代谢物的小分子是一系列相互关联的生化反应的中间产物和最终产物,这些反应被称为生物体中的分子途径。

这种小分子的一些例子包括糖类,如葡萄糖、氨基酸、脂质和脂肪酸。它们的产生会受到遗传和环境因素的影响,可以帮助研究人员更好地了解组织或细胞的生化活动。在这种情况下,代谢物的化学分析提供了重要的信息,帮助研究人员了解疾病的生理学。

在他们的研究中,研究人员对一个既有健康组织也有患病组织的珊瑚群进行了采样。他们将样本分开,以便分别评估健康珊瑚和患病珊瑚。他们还有一个单独的相邻样本,没有患病组织。

样品在液氮中冷冻,然后冷冻干燥用于实际样品处理,同时保持代谢完整性。然后,研究人员使用锤子和不锈钢凿子将患病部分与健康菌落分开,并用刷子从骨骼中收集组织。在样品制备的最后阶段之一,他们使用甲醇、水和氯仿的组合从珊瑚组织中化学提取代谢物。

“这种方法对于珊瑚研究来说是新颖的,”Schock 说。“对于代谢组学,在收集时保持样品中所有代谢物的状态至关重要。这需要使用液氮停止所有生化活动并保持这种状态,直到对代谢组进行化学提取。珊瑚结构的复杂性需要严格的收集和处理协议。”

然后,研究人员使用一种称为质子核磁共振 (1H NMR) 的可重复分析技术对珊瑚样本进行了代谢组学分析。

1H NMR 技术将珊瑚提取物暴露在电磁场中,并测量样品中氢释放的射频信号。各种代谢物通过它们独特的信号来揭示,这些信号告知它们的化学环境。核磁共振检测来自样品内磁核的所有信号,使其成为一种无偏见的“一体化”技术。可以识别氢 (1H) 及其直接结合的碳 (13C) 原子的二维 NMR 实验提供了更多的化学信息,使我们对样品中各种代谢物的身份准确性充满信心。

该研究在P. compressa 中鉴定了 18 种不同的代谢物和一种新的 GA 形态学形式。研究人员发现,与同一珊瑚群落的健康区域相比,GA 肿瘤具有不同的代谢物特征,并检测到可能对这些特征差异很重要的特定代谢物和代谢途径。他们还发现,内部 pH 调节的丧失似乎是造成 GA 特征的空心骨架的原因。

“我们不仅对 GA 生理学的新方面进行了表征,而且还发现了候选途径,这些途径为未来旨在进一步了解 GA 形成和珊瑚代谢的研究工作提供了明确的路径,”Schock 说。

随着此类研究的积累,研究人员设想了一个数据库,可以将来自多种珊瑚物种的珊瑚代谢物信息汇总到所有科学家都可以访问的位置。

与不同领域的其他研究人员合作可以增加对这种疾病对珊瑚群落生物影响的了解。“我们将了解哪些物种具有耐受性,哪些物种对压力敏感,这两种类型的生理适应或机制对于保护工作都很重要,”Schock 说。

目前,研究人员希望这些发现将有助于其他科学家分析珊瑚物种,并最终对珊瑚礁本身有益,可能有助于更好地保护它们。

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