Impact of seawater warming and nutrient deprivation on the physiology and energy metabolism of corals

海水升温和营养剥夺对珊瑚生理和能量代谢的影响

来源：Frontiers in Marine Science, Volume 11, Article 1423034, 1 October 2024

《海洋科学前沿》第11卷，文章ID 1423034，2024年10月1日


摘要内容

研究海水升温和溶解无机营养（DINut）缺乏对两种珊瑚（软珊瑚Heteroxenia fuscescens和石珊瑚Stylophora pistillata）生理和能量代谢的影响。发现：

高温（30°C）和营养剥夺均降低两种珊瑚的光合作用与呼吸比值（P:R），导致软珊瑚白化。

营养剥夺对能量代谢影响较小，但高温显著增加软珊瑚的碳水化合物和脂质浓度，同时降低ATP（能量货币）水平，激活无氧代谢（乳酸积累）。

石珊瑚通过增加碳水化合物储备和维持ATP水平适应高温，但乳酸含量升高表明代谢压力。


研究目的

探究升温和营养限制对珊瑚生理和能量代谢的单独及联合效应，比较两类珊瑚（软珊瑚与石珊瑚）的响应差异，揭示其应对环境压力的策略。


研究思路

采用交叉实验设计：

实验设计：将珊瑚暴露于两种温度（25°C对照 vs. 30°C高温）和两种营养条件（正常DINut vs. 缺乏DINut），共4组处理。


测量指标：


生理参数：共生藻密度（图2A、3A）、叶绿素含量（图2B、3B）、光系统II效率（Fv/Fm，图2C、3C）、光合与呼吸速率（图2D-E、3D-E）。


能量代谢：蛋白质、碳水化合物、脂质浓度（图4A-C、5A-C）、乳酸（图4E、5E）和ATP（图4F、5F）。


数据分析：通过广义线性模型和Tukey检验评估温度与营养的独立及交互效应。


测量数据及意义

生理数据（图2、3）：


共生藻密度和叶绿素含量：高温导致软珊瑚白化（图2A-B），而石珊瑚未显著变化（图3A-B）。


光合与呼吸速率：高温下软珊瑚光合作用未下降但呼吸增加，P:R降低（图2F）；石珊瑚在高温+营养缺乏时P:R最低（图3F）。




意义：揭示高温和营养限制对珊瑚能量收支的影响，表明白化与能量失衡的直接关联。

能量代谢数据（图4、5）：


软珊瑚在高温下脂质和碳水化合物增加（图4B-C），但ATP减少41%（图4F）；石珊瑚碳水化合物增加但ATP稳定（图5B-F）。


乳酸积累：两类珊瑚在高温下乳酸均升高（图4E、5E），表明无氧代谢激活。


意义：证明珊瑚通过储存能量分子（如脂质）和切换代谢模式（无氧代谢）应对压力，但能量转化效率（ATP）下降可能限制长期生存。


结论

高温和营养剥夺降低珊瑚自养能力（P:R<1），软珊瑚更易白化。


软珊瑚依赖能量储存（脂质/碳水化合物）但ATP减少，石珊瑚维持ATP但增加乳酸，显示代谢策略差异。


两类珊瑚均通过无氧代谢缓解能量危机，但长期高温可能导致能量耗竭。


丹麦Unisense电极数据的详细解读

研究意义：

使用丹麦Unisense微电极测量珊瑚的氧气通量（图2D-E、3D-E），直接量化光合作用和呼吸作用的动态变化：

光合与呼吸平衡：通过净光合（光照下）和呼吸（黑暗）的氧变化，计算P:R比值（图2F、3F），明确高温和营养缺乏如何破坏珊瑚能量平衡。


代谢状态评估：氧气通量数据揭示软珊瑚在高温下呼吸速率上升（图2E），表明代谢成本增加；石珊瑚在高温+营养缺乏时呼吸显著升高（图3E），显示联合压力加剧能量消耗。


机制解析：结合乳酸和ATP数据，证实氧气通量变化与无氧代谢激活（乳酸积累）及能量货币（ATP）减少的关联，为珊瑚耐热性研究提供关键生理指标。


应用价值：此类数据为预测珊瑚在海洋变暖中的生存阈值及设计保护策略（如营养补充）提供实验依据。