释放珊瑚的复原力，藻类共生体如何帮助珊瑚在气候压力下茁壮成长
珊瑚礁是地球上生物多样性最丰富、生产力最高的生态系统之一。珊瑚与共生藻类（主要是共生藻科甲藻）之间的互利关系是珊瑚礁健康的核心。这些微小的藻类栖息在珊瑚组织内，通过光合作用提供必需的营养，进而支持珊瑚宿主的生长和生存。然而，由于气候变化、海洋酸化等影响不断加深，威胁着这种微妙共生关系的稳定性。近日，最新的一项对鹿角珊瑚幼虫的研究，强调了这些压力源如何影响从藻类共生体到珊瑚宿主的碳供应，甚至可能以以前被低估的方式改变共生动态。
珊瑚礁中的珊瑚-藻类共生关系
共生藻科藻类生活在造礁珊瑚的组织中，在那里进行光合作用并为珊瑚宿主提供有机碳化合物。这个过程对珊瑚营养至关重要，因为珊瑚依靠共生藻来满足其大部分能量需求。作为回报，藻类获得了受保护的环境，并能获得珊瑚从周围水中获取的氮和磷等营养物质。这种互利关系不仅支持单个珊瑚的健康，也支持整个珊瑚礁生态系统的健康。
共生藻科和珊瑚之间的碳转移是一个复杂的生化过程。在最佳条件下，珊瑚会接收共生体产生的有机碳（主要以糖、脂质和氨基酸的形式存在）。这对珊瑚的能量代谢、生长和繁殖至关重要。这种交换的动态可能受到多种因素的影响，包括光强度、温度和营养物质的可用性。
海洋吸收了大气中大量的过量二氧化碳 (CO2)，导致海洋酸化，海洋酸化导致海水 pH 值下降，此外气候变暖导致温度升高，这两者都对珊瑚礁构成严重威胁。这些因素会破坏珊瑚-藻类共生关系的微妙平衡，从而直接影响珊瑚的健康。
具体而言，随着大气中二氧化碳（CO₂）浓度的增加，海洋吸收的二氧化碳也随之增加，这会导致海水的酸化（pH值降低），并且增加的CO₂与海水中的水分子发生反应生成碳酸（H₂CO₃），然后进一步分解为碳酸氢根离子（HCO₃⁻）和氢离子（H⁺）。氢离子的增加导致海水酸化，并且碳酸氢根离子的增多会导致碳酸根离子（CO₃²⁻）浓度的降低，而珊瑚正是利用碳酸离子来构建碳酸钙骨架。
同时，温度升高会给藻类带来压力，导致珊瑚白化等现象，即珊瑚排出共生藻类并失去重要的碳供应。
酸化和变暖对共生藻科和珊瑚宿主的影响正成为人们深入研究的领域。如果这些压力因素持续增加，就会威胁到珊瑚礁的长期生存能力。
最新的研究发现
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, 广东省应用海洋生物重点实验室主导的一项研究，结合生理和稳定同位素技术 ，研究海洋酸化和变暖对鹿角珊瑚幼虫阶段共生相互作用的影响，他们使用H13CO3⁻和15NH4⁺ 来追踪碳和氮的吸收。
研究发现，在更高的酸化和温度下，藻类共生体为珊瑚幼虫提供更多的碳，可能补偿环境压力。在压力条件下，藻类共生体的净光合作用和总光合作用均增加，这可能有助于珊瑚宿主获得更高的碳利用率 。
研究结果揭示了一种有趣的适应性：在酸化和温度升高的条件下，藻类为其珊瑚宿主提供了更多的碳。这种转变对珊瑚幼虫有益，可以提高它们的营养状况并提高它们在压力环境中的生存能力。
具体而言，研究发现，在海洋酸化水平（1000 µatm）和温度（32°C）升高的情况下，藻类共生体为其珊瑚宿主提供更多的碳，酸化和温度升高均增强了藻类共生体的净光合作用和总光合作用。在这些条件下，幼虫保持较高的存活率和定居率，没有观察到共生体密度下降或白化迹象。此外，碳可用性的增加反映在宿主的13C富集上，表明藻类共生体对宿主代谢的贡献更大，碳可用性的提高导致珊瑚全生物体内的碳氮比(C:N )更高。
研究表明，虽然这些环境压力因素通常会破坏珊瑚-藻类共生关系，但一些珊瑚可能会从这些条件下碳转移的增强中受益。这项对鹿角珊瑚幼虫的研究表明，在海洋酸化和变暖水平升高的情况下，共生藻科藻类实际上可能会增加它们向珊瑚宿主提供的碳量。
这一发现挑战了普遍的观点，即受压的共生体只会加剧珊瑚白化并减少总体碳转移。事实上，某些共生藻科菌株在压力下可能会增强其光合作用能力，从而增加珊瑚的碳供应。
这种增强的碳供应可能对珊瑚幼虫具有重要意义，特别是在早期发育阶段，此时它们更容易受到环境压力的影响。增加的碳输入可以提高它们在恶劣环境中生存的机会。
然而，值得注意的是，如果酸化和变暖继续加剧其他压力因素，如营养失衡和珊瑚健康状况的丧失，那么这些好处可能是短暂的。
思考
虽然已经观察到碳供应的短期增加，但持续的酸化和变暖对共生藻科藻类和珊瑚宿主的长期影响是什么？增强碳转移的好处是否会持续更长时间，还是累积的压力会导致珊瑚退化或白化？
所有藻类共生体物种对酸化和变暖的反应是否相似，或者它们增强碳供应的能力是否存在菌株特异性差异？这种变异背后的遗传机制是什么？
压力下碳供应的增加如何影响珊瑚的生长、繁殖和整体健康，特别是在脆弱的幼虫阶段？碳供应的增加能否转化为珊瑚幼虫更好的存活率和定居成功率？
长期酸化和变暖导致共生关系破裂的临界点或阈值是什么？珊瑚及其共生体能否适应这些条件，还是会导致不可逆转的白化和生态系统崩溃？
参考文献：Youfang Sun, Huaxia Sheng, Nils Rädecker, Yi Lan, Haoya Tong, Lintao Huang, Lei Jiang, Guillermo Diaz-Pulido, Bobo Zou, Yuyang Zhang, Shuh-Ji Kao, Pei-Yuan Qian & Hui Huang ，Symbiodiniaceae algal symbionts of Pocillopora damicornis larvae provide more carbon to their coral host under elevated levels of acidification and temperature. Communications Biology volume 7, Article number: 1528 (2024) ，doi.s42003-024-07203-4
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