Sci Adv丨董波团队揭示化学感知驱动海洋幼虫附着变态机制

在浩瀚的海洋中，生物对于栖息地的选择，不仅 关乎 其种群 生存 ， 也 牵动着 整个 海洋生态系统的平衡。附着变态（ Settlement and Metamorphosis ）是绝 大 多数海洋无脊椎动物 从 浮游 幼虫 阶 段转变为底栖或固着成 体 阶段所 要经历 的特殊发育 过程 。 海洋 无脊椎动物 幼虫在 环境 适宜的地点 附着 变态对于种群的 定植和扩张至 关重要，但 往往 也会导致诸多生态问题，如生物入侵和 附着 污损。 海洋生物污损对港口航运、沿海设施、海水养殖业造成巨大危害，全球每年因此蒙受的经济损失高达 上百 亿美元。 因此， 理解海洋无脊椎动物附着污损 的 驱动机制，探究海洋幼虫 如何 寻找适宜的环境进行附着变 态、生长和繁殖，对于解决生物入侵和生物附着 污损 等 海洋 生态问题至关重要。化学感知是 生物 最基本的感知功能之一 ，生物通过感知不同化学物质 区分 适宜和非适宜 环境。海洋幼虫如何 依赖 感知环境信号分子来塑造 种群 结构 一直 以来备受关注， 但感知机制与行为研究却 相对 缺乏 。 理解 海洋幼虫如何 通过 解码环境化学 信号来 塑造其环境适应 能力 ，既是生态 演化 发育 （ Eco-Evo-Devo ） 领域 的核心科学问题 ，也是开发 新型 生物附着污损防控技术的 重要理论 基础。

近日，中国海洋大学 方宗熙海洋生物 进化与发育研究中心董波教授团队在 Science Adva nces 上 在线 发表了题为

Taurine-Driven Chemotaxis and Metamorphosis in Ascidian Tadpole Larvae

进一步的实验表明，牛磺酸分子通过特异性激活海鞘幼虫外周神经系统的乳突感觉神经元，将神经兴奋传递至中枢神经系统，进而导致附着变态等幼虫行为。牛磺酸是一种游离氨基酸，在海洋经济动物如扇贝和牡蛎中含量较高，是陆地生物的几百倍，具有 维持机体渗透压平衡 、增加神经传导和兴奋等功能，因此也是某些用于提高神经兴奋和抗疲劳功能饮料的重要成分。牛磺酸是第一个鉴定发现的诱导海鞘幼虫附着的环境化学信号分子，这一结果不但解释了海洋污损生物种群高密度附着的现象，而且也为 开发靶向 化学感知的抗海鞘附着污损 技术 提 供了重要科学基础 ，为海洋 生态 演化 发育（ Eco-Evo-Devo ）领域研究提供了 新的思路和视角。

图 1. 典型海洋污损生物萨氏海鞘（ Ciona savignyi ）成体

成体海鞘常高密度黏附生长在近岸海水设施上，造成严重的生物污损。 研 究 团队以近岸 海域 典型 污损生物 萨氏 海鞘 （ Ciona savignyi ） 为模式 物种 ， 系统 探究了幼虫化学感知机制在 其 定居偏好中的作用。 通过室内幼虫趋化行为学实验， 研究人员发现 养殖贝类 及成体海鞘的组织提取物对海鞘幼虫具有较强的吸引能力，而当组织提取物中的氨基酸和生物胺类物质结构被破坏后，其吸引能力完全消失 ， 证明组织提取物中含有 的 此 类物质可能是吸引海鞘附着的化学信号 分子 。 基于此结果，研究人员 对组织提取物 进行 质谱分析 并 结合趋化行为学筛选， 鉴定得到贝类和成体海鞘组织中高含量的牛磺酸（ taurine ） 是 海鞘幼虫的化学吸引物 和变态 诱导剂 （促进幼虫的尾部收缩 过程 ） 。 为 了进一步明确幼虫对牛磺酸分子的感知机制，研究人员利用 活体 钙成像技术，将 可在 海鞘幼虫 表皮 组织 泛 表达 的 jGCaMP7 c 遗传编码 荧光 探针 转 入 海鞘 受精卵中，待发育至幼虫期后 将其躯干固定于培养皿中； 通 过 添加含有 牛磺酸 的海水 刺激，确定了幼虫 躯干 前端乳突 （ Palp ） 结构中 的 特定细胞类型 可 直接响应 刺激 。

海鞘幼虫乳突结构包括 三种类型细胞： 乳突感觉神经元（ PSN ）、 轴柱状细胞 （ ACC ）和 中央胶质细胞 （ CC ）。 为了 探明 究竟哪种乳突细胞响应牛磺酸分子， 研究人员 分别 构建了 每种乳突细胞特异表达基因启动子驱动的 jGCaMP7 c 探针质粒，并 分别 成功 表达于这三种细胞类型中 。 通 过 监测牛磺酸分子 刺激下钙信号 波动变化，最终 确定 乳突结构的 PSN 神经元可直接 感知 牛磺酸 刺激 ，并将神经兴奋传递至幼虫中枢神经系统 的 运动神经节 （ Motor ganglion ） 和背神经索 （ Nerve cord ） 。研究人员发现， 从化学感知到幼虫行为输出这一 过 程依赖 于 神经肽 — 促性腺激素 释放 激 素（ GnRH ）信号得以实现。

该研究通过阐明海鞘幼虫化学感知及行为调控机制，提出了以海鞘幼虫为模式的海洋Eco-Evo-Devo研究范式（图2）。牛磺酸分子的鉴定及其神经感知机制的验证不仅深化了对海洋幼虫环境适应机制的认知，亦为海洋生物污损防控提供了有效途径。

图 2 以海鞘幼虫为模式的 海洋 Eco-Evo-Devo 研究 范式

中国海洋大学 杨立昆副教授和硕士生秦琪姝 为论文 共同 第一作者，董波教授为通讯作者 。 中国海洋 大学 张金 博士 、硕士生张子豫、于海燕副教授、赵呈天教授 也 参与了项目研究 。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb9574

制版人： 十一

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！