Oxygen supersaturation adds resistance to a cnidarian: Symbiodiniaceae holobiont under moderate warming in experimental settings 氧过饱和度增加了对刺胞动物的抵抗力：在实验环境中适度升温下

来源：10.3389/fmars.2024.1305674


摘要核心内容


论文通过实验证明：氧气过饱和（O₂ supersaturation）可增强倒立水母（Cassiopea andromeda）-虫黄藻（Symbiodiniaceae）共生体对中等升温的抵抗力。在亚致死温度下（≤36°C），夜间氧气过饱和（NSS组）使水母体型缩小减轻约10.37%，叶绿素a损失减少42.73%（至34°C），并富集有益菌群，提升微生物组稳定性。超过34-36°C后，热应激效应主导，氧气效益消失。

研究目的


验证假说：探究氧气过饱和（模拟共生藻光合作用产氧）能否缓解升温对刺胞动物-虫黄藻共生体的压力。

机制解析：排除共生藻光合作用的干扰，直接测试氧气可用性对宿主生理、共生藻状态及微生物组的影响。

生态意义：揭示沿海生态系统日间氧气过饱和现象对生物耐热性的潜在保护作用。


研究思路


实验设计：

对象：倒立水母（Cassiopea andromeda），因其共生关系明确且易实验室培养。

对照组：常氧（100%空气饱和度，100AS组，~6 mg/L）。

处理组：夜间氧气过饱和（NSS组，~10 mg/L），模拟日间光合作用氧环境（图S3）。

温度处理：从30°C起每日升温1°C，持续8天至38°C（图S2）。

关键控制：

实验在夜间进行（虫黄藻呼吸主导，避免光合产氧干扰）。

依赖水母钟状体搏动实现组织氧合（图2B），模拟自然通风机制。

测量指标：宿主生理、共生藻状态、抗氧化酶活性、微生物组结构。


测量数据及研究意义

1. 环境与组织氧数据（图1, 图S3）


数据：

NSS组水体夜间氧浓度：132.61%空气饱和度（9.43 mg/L）；100AS组：78.85%（5.57 mg/L）。

Unisense微电极测量：NSS组水母口腕组织平均氧浓度（7.48 mg/L）显著高于100AS组（5.67 mg/L）（p<0.001）。

研究意义：

验证实验有效性：证实通过水体增氧可提升组织氧水平（尤其浅层组织0-600μm）。

揭示氧分布梯度：组织深层（>600μm）氧浓度降低（图1A），提示氧气扩散限制。

核心意义：为后续生理响应提供机制解释——升高的组织氧可能缓解升温导致的氧限制压力。


2. 宿主生理响应


体型变化（图2A）：

NSS组体型缩小更轻（-23.039% vs. 100AS组 -33.418%），36°C时差异显著（p<0.05）。

意义：氧气过饱和维持能量储存，减缓热应激导致的萎缩。

钟状体搏动率（BPR, 图2B）：

随温度升高而增加，但组间无差异。

意义：搏动是温度应激的通用响应，与氧气可用性无关。

光化学效率（Fv/Fm, 图2C）：

随温度升高下降，组间无差异。

意义：光合系统损伤主要由温度驱动，氧气无法缓解。


3. 共生藻状态


叶绿素a含量（图2D）：

34°C时NSS组损失比100AS组少42.73%（p=0.002）。

意义：氧气过饱和延缓色素降解（"漂白"早期标志）。

虫黄藻密度（图S7-S8）：

无显著变化，表明共生关系未破裂。

意义：氧气缓解效应不依赖共生藻数量，而是功能维持。


4. 微生物组响应（图3-4, 图S14-S19）


群落结构：NSS组细菌群落离散度更低（图3B-C），高温下更稳定。

富集菌群：NSS组富集黄杆菌科（Flavobacteriaceae）、红杆菌科（Rhodobacteraceae）等潜在有益菌（图4）。

功能预测：NSS组氮循环、发酵代谢增强，功能冗余性更高（图S19）。

意义：氧气过饱和塑造"保护型"微生物组，可能通过抗氧化或代谢支持增强宿主耐热性。


5. 抗氧化酶（图S10-S11）


SOD与GST活性无显著变化。

意义：组织氧未达预期水平（深层缺氧），或通过行为（搏动）和微生物组间接缓解氧化应激。


结论


氧气过饱和的益处：

在亚致死温度（≤36°C）下，减轻宿主体型缩小（10.37%）和叶绿素a损失（42.73%）。

稳定微生物组结构，富集有益菌（如产抗氧化剂的Erythrobacter）。

温度阈值效应：>34-36°C时热应激主导，氧气效益消失。

共生机制启示：虫黄藻光合作用产生的日间氧气过饱和可能是共生体耐热性的隐藏机制。

生态警示：海洋脱氧（deoxygenation）可能削弱此类保护效应，加剧气候变暖影响。


Unisense微电极数据的深入解读

测量结果（图1）


技术方法：丹麦Unisense OX-50微电极（50μm尖端）测量口腕组织氧垂直剖面（每50μm测点）。

关键发现：

NSS组组织平均氧浓度显著高于100AS组（7.48 vs. 5.67 mg/L）。

氧浓度随组织深度增加而降低（p<0.001），深层（>600μm）接近缺氧（图1A）。


研究意义


验证实验操控：证实通过水体增氧可有效提升宿主组织氧分压，支持"氧气缓解热应激"假说。

揭示氧限制机制：深层组织缺氧提示氧气扩散效率是限速步骤，解释为何抗氧化响应不显著。

生态关联性：在自然环境中，共生藻位于浅层组织（Lyndby et al., 2020），其光合产氧可直接缓解氧限制，本研究通过人工增氧模拟了这一过程。

技术局限性：微电极数据暴露实验设计的不足——未能完全模拟自然日间超饱和水平（自然达17 mg/L，实验仅9.43 mg/L），提示未来需优化氧气递送方法。


总结


该研究通过创新实验设计（夜间人工增氧模拟日间光合作用），首次证实氧气过饱和可提升刺胞动物共生体的短期耐热性，其机制涉及宿主生理维持与微生物组调控。Unisense微电极数据为核心发现提供了直接证据，凸显氧气扩散效率的关键作用。成果为理解珊瑚礁等生态系统的气候响应提供了新视角，强调保护产氧生境（如海草床）对缓解海洋升温压力的重要性。