海参是海洋底栖生态系统中最主要的沉积物摄食动物，通过大量摄入和排泄海底沉积物，吸收其中的有机物并净化海底基质，维持海底生态系统平衡并减少珊瑚病害的发生，是海底的“清道夫”。但是，海参如何从营养匮乏的海底沉积中获得足够营养的机制，目前仍不清楚。
近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）海参研究团队在《Nature Communications》（IF：14.7）期刊上在线发表了题为“Sea cucumbers and their symbiotic microbiome have evolved to feed on seabed sediments”的研究论文。该研究对热带海参（Holothuria leucospilota）进行了研究，通过基因组、转录组和微生物组分析，揭示了海参通过基因组、基因表达和共生微生物群的进化适应，使其可以大量摄食海底沉积物并从中获取营养。研究增进了对海参消化系统进化创新的理解，有助于了解其如何利用海底沉积物营养并促进海洋生态系统的食物循环。
南海海洋所副研究员陈廷为该论文的通讯作者，博士研究生潘文杰、硕士研究生王轩和研究员任春华为该论文的共同第一作者，研究员胡超群主导项目开展并提供指导意见。菲沙基因在本研究中承担了扩增子测序及宏转录组测序工作。
文章发表信息
研究以南海广泛分布的玉足海参（Holothuria leucospilota）为研究对象，胡超群研究团队发现海参从海底沉积物中获得的主要食物是微藻和细菌。通过比较基因组学分析，发现海参基因组中碳水酶扩张、蛋白酶消化收缩，适应于对微藻的消化（图1）。海参在胚胎和幼体发育过程先后经历了内源性营养、浮游摄食和沉积物摄食三种食性转化，与之对应消化酶也呈现出三组不同的表达模式。前肠是海参消化道主要的消化区域，该区域内糖类碳水酶、蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶的活性均最高，但仅有糖类碳水酶和脂肪酶是内源性表达。
图1 海参的摄食特点和基因组消化酶扩张/收缩概况
在海参从海底沉积物摄食的细菌中，一部分作为食物被海参消化掉，而另一部分则作为共生细菌在海参肠道内定植，提供蛋白酶、脂肪酶等活性协助海参消化食物。与其他棘皮动物相比，海参基因组中出现了一类特有的i型溶菌酶，特异表达于肠道中，对所摄食沉积物中的细菌起到控制和消化作用（图2-4）。
图2 H. leucospilota.在胚胎和幼虫发育过程中的饮食变化和消化酶的表达模式
图3 H. leucospilota.消化道的结构和消化酶系统
图4 海参特有肠道型溶菌酶在细菌消化中的作用
该科学发现阐释了海参的沉积物摄食与营养获取机制，在研发海参养殖不同阶段人工饲料方面具有重大潜在应用价值，也为通过增殖放流海参净化海底环境、防止细菌性珊瑚病害暴发和珊瑚岛礁生态修复提供理论依据。
该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
相关论文信息
Pan W, Wang X, Ren C, et al. Sea cucumbers and their symbiotic microbiome have evolved to feed on seabed sediments[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 1-14.
文章来源
中国科学院南海海洋研究所公众号
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