佛罗里达群岛珊瑚衰退50%！深海珊瑚成助浅水珊瑚恢复的基因宝库
本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：
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编译 | 王芊佳
本文约3400字，阅读约7分钟
全球范围内，珊瑚礁生态系统正面临着前所未有的威胁，包括气候变化导致的海水温度升高、海洋酸化、污染以及过度捕捞等。这些因素导致珊瑚白化、疾病爆发和栖息地丧失，严重威胁着珊瑚礁的生态功能和生物多样性。美国的佛罗里达群岛国家海洋保护区（Florida Keys National Marine Sanctuary）作为世界上最大的珊瑚礁生态系统之一，也深受困扰。
在美国的佛罗里达群岛国家海洋保护区的莫拉斯礁上，部分硬珊瑚和软珊瑚出现了白化现象。这张照片摄于2014年9月19日，由来自英国伦敦的Matt Kieffer拍摄。（CC BY-SA 2.0）
在生态保护与恢复的研究领域，种群遗传分析被视为一种重要的工具，它能够提供有关物种区域连接性和遗传多样性的信息，从而为保护和恢复工作提供科学依据。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2024年9月发表在《遗传》（Heredity）期刊上的一篇最新研究显示，美国佛罗里达大西洋大学的研究人员通过分析小孔星珊瑚的基因组DNA，发现了不同深度的珊瑚种群之间的重要联系。
在佛罗里达群岛国家海洋保护区，自20世纪70年代以来，珊瑚礁经历了严重的衰退，仅在1998~2011年之间就减少了约50%。虽然该地区的珊瑚礁受到广泛研究，但对于介于100~500英尺深的中层珊瑚生态系统的研究还是很有限的。于是，该研究团队对佛罗里达群岛国家海洋保护区内的小孔星珊瑚进行了详细的遗传分析，探讨了这些珊瑚在浅水区（深度小于30米）与中层区（深度30~45米）之间的遗传联系与多样性。
该研究的首席作者、佛罗里达大西洋大学的博士生瑞安·埃克特指出，小孔星珊瑚因其广泛的深度和地理分布，成为研究不同深度和地点之间种群联系的理想对象。他提到，尽管在浅水礁中这种珊瑚的数量较少，但在中层区域，它们却更加繁茂，覆盖的范围也更为广泛。
小孔星珊瑚。图片来源：佛罗里达鱼类与野生动物研究所 (CC BY-NC-ND)
研究人员通过生成单核苷酸多态性（SNP）标记，揭示了浅水和中层小孔星珊瑚的遗传结构。结果显示，这些珊瑚存在四种不同的隐秘基因谱系，并且在深度特异性方面有显著差异。研究发现，浅水专属谱系的杂合度较低，且出现了较高的近亲繁殖现象，相比之下，深度一般谱系则在浅水和中层珊瑚礁中均有分布，这表明：深水区的珊瑚可能在遗传多样性方面发挥着重要作用。
此外，研究团队还对遗传迁移率进行了估算，结果显示，中层珊瑚的繁殖能力明显高于浅水区，尤其是在下佛罗里达群岛（Lower Keys）和上佛罗里达群岛（Upper Keys）。这种发现为保护工作提供了新的视角，表明中层珊瑚不仅是自身生态系统的组成部分，还可能为浅水区的珊瑚提供重要的遗传补给。
在研究中，这个研究团队还利用ITS2区域和SymPortal分析框架，对样本中的内共生藻类（Symbiodiniaceae）进行了比较，识别出来自Symbiodinium、Breviolum和Cladocopium等属的共生藻。结果表明，这些内共生藻类在不同深度和位置之间存在显著差异，并与宿主的谱系和基因型之间有一定的相关性，尽管这种相关性相对较弱。
研究结果显示，尽管在深度上存在种群遗传结构的差异，一些中层珊瑚种群可能为浅水种群提供避难所，并继续为该物种在该地区的遗传多样性作出重要贡献。这项研究不仅强调了在种群遗传评估中要同时考虑中层珊瑚和浅水珊瑚的重要性，也为佛罗里达群岛国家海洋保护区未来的科学管理、保护和恢复工作提供了宝贵的参考。
佛罗里达群岛国家海洋保护区的参考示意图，可以看到一些小小的岛屿和岛礁的名称和位置。图片来源：NOAA（公域）
通过更好地理解小孔星珊瑚的遗传连接性，科学家们能够制定更加有效的保护策略，以应对生态保护面临的挑战，从而推动珊瑚生态系统的健康与可持续发展。这项研究为未来的保护工作提供了新的思路，助力恢复珊瑚礁生态的繁荣。
感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：
Eckert, R.J., Sturm, A.B., Carreiro, A.M. et al. Cryptic diversity of shallow and mesophotic Stephanocoenia intersepta corals across Florida Keys National Marine Sanctuary. Heredity 133, 137–148 (2024). https://doi.org/10.1038/s41437-024-00698-x
01
佛罗里达群岛国家海洋保护区
海湿·小百科
佛罗里达群岛国家海洋保护区（Florida Keys National Marine Sanctuary, FKNMS）是美国一个重要的海洋保护区域，成立于1990年，旨在保护佛罗里达群岛及其周围海域的生态系统和生物多样性。该保护区覆盖了近2900平方海里（约7500平方公里）的水域，拥有丰富的珊瑚礁、海草床和多样的海洋生物，包括多种濒危物种。1990年，美国国会通过了《佛罗里达群岛国家海洋保护区法案》，标志着FKNMS的正式建立。它保护着北美唯一的珊瑚礁系统，以及丰富的海洋生物多样性，不仅为生态保护提供了重要的空间，还促进了科研、教育和可持续的海洋活动，成为保护海洋环境和促进生态恢复的重要保护地。
在美国的佛罗里达群岛国家海洋保护区，一株已白化的珊瑚礁上，大旋鳃虫（Spirobranchus giganteus）正尽情舒展着它们绚丽的身姿。此情此景，摄于佛罗里达礁岛群基拉戈礁的法国礁。摄影：Matt Kieffer（2014）（CC BY-SA 2.0）
02
遗传连通性
海湿·小百科
遗传连通性 (Genetic connectivity) 是指不同地理区域的种群之间基因交流的程度。简单来说，就是不同地方的生物个体之间能否进行基因交换。
打个比方，我们知道，在海里面的珊瑚礁中，幼虫可以漂流到其他珊瑚群体中，进行基因交流。那么，假设有两个相邻的珊瑚群体A和B，如果水流促使A群体的幼虫能够到达B群体、并与其交配，那么这两个群体之间的遗传连通性就很高，有助于增强两者的遗传多样性和抵抗力。又比如，考虑两个被道路隔开的森林栖息地：在这些森林中生活的动物（如鹿）可能由于道路的存在被隔开了、无法自由迁移，这样，它们的遗传连通性就降低了，导致两个鹿群体之间的基因交流减少，那么长时间后，这两个群体可能会因不同的选择压力或基因漂变而出现遗传差异。
遗传连通性对物种的生存和进化具有重要影响。高水平的遗传连通性有助于增加种群的遗传多样性，提高种群适应环境变化的能力。反之，低水平的遗传连通性可能会导致近亲繁殖，降低种群的遗传多样性，增加种群灭绝的风险。
03
杂合度
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杂合度（Heterozygosity），也称为杂合性，是指在一个生物个体的某个基因位点上，存在两个不同的等位基因的现象。打个比方，我们的眼睛颜色是由基因决定的，如果一个人继承了父母双方不同的眼色基因，那么他就是在这个基因位点上杂合的。
杂合度在遗传学中非常重要。在生态保护和种群遗传学研究中，高的杂合性，意味着个体具有更多的遗传多样性，这有助于种群更好地适应环境的变化；而低的杂合性，则可能导致近亲繁殖、增加有害基因的频率，降低种群的生存能力。因此，杂合性水平的高低是衡量一个种群健康状况的重要指标，而且保护遗传多样性和维持高杂合度是确保生态系统健康和物种长期生存的关键因素。
04
共生藻
海湿·小百科
共生藻 (Symbiodiniaceae)，又称虫黄藻，是一类生活在其他生物体内的单细胞藻类。它们与珊瑚、海葵等海洋生物形成了一种互利共生的关系。共生藻拥有叶绿体，能够进行光合作用，为宿主提供氧气和有机物，作为回报，宿主则为共生藻提供保护和生活所需的营养物质。
共生藻对珊瑚礁生态系统至关重要。它们为珊瑚提供了大部分的能量，使得珊瑚能够建造巨大的珊瑚礁。然而，由于气候变化、海洋酸化等因素，共生藻可能会离开珊瑚宿主，导致珊瑚白化。因此，共生藻的健康状况直接关系到整个珊瑚礁生态系统的稳定性。在这篇研究中，研究者通过研究不同深度珊瑚的遗传结构、多样性以及共生藻的组成，来了解珊瑚对环境变化的适应能力，从而为珊瑚礁的保护提供科学依据。
珊瑚的共生藻类。摄影：Allisonmlewis（CC BY-SA 4.0）
学而思
思考题·举一反三
Q1、在面对气候变化和人类活动的影响下，如何有效提高深水珊瑚种群的遗传连通性，以确保其能够更好地支持浅水珊瑚的恢复？针对浅水与中层珊瑚的遗传结构差异，是否可以设计基于遗传多样性的保育策略，以实现“珊瑚基因库”，通过选择性培养、以及再引入技术，来增强珊瑚的适应性和恢复能力？
Q2、考虑到不同深度珊瑚的遗传结构差异，我们应采取怎样的管理策略来保护和恢复珊瑚生态系统，以促进它们的长期健康和生物多样性？以及，在全球范围内的珊瑚保护中，如何结合先进的遥感技术和机器学习方法，实时监测和预测珊瑚生态系统的变化，以便及时调整保护措施，最大化它们的生态和经济价值？
Q3、从防患于未然的角度讲，随着生态系统服务的退化，如何构建出模型，来模拟不同深度珊瑚种群的基因流动和生态交互，以预判未来气候变化对珊瑚礁整体生态功能的影响？
Q4、考虑到不同深度珊瑚种群间的遗传结构差异，有没有可能——利用基因编辑技术（如CRISPR）在珊瑚保育/恢复项目中引入特定的遗传特征，来提高珊瑚对环境压力的抵抗力呢？
Q5、海南南海热带海洋研究所所长、绿会珊瑚保护地主任陈宏研究员在2022年“两会”提案建议会上建议应尽快建立“国家珊瑚种质库”，他指出，建立国家珊瑚种质库可以为我国珊瑚礁的保护、修复和恢复提供坚实的种质资源保障；该种质库不仅要收藏我国本土的珊瑚物种，还要考虑引入世界范围内的珊瑚物种，以丰富基因多样性。对此，你怎么看？
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THE END
海
湿
编译 | 王芊佳
编辑 | Linda
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://www.nature.com/articles/s41437-024-00698-x
https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240923110812.htm
https://floridakeys.noaa.gov/about/sanctuary.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiodiniaceae
https://en.wikipedia.org/wiki/Florida_Keys_National_Marine_Sanctuary
https://www.nature.com/articles/s41437-021-00413-0
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-294X.2010.04688.x
陈宏：建立国家珊瑚种质库｜2022“两会”议/提案建议会
https://zhuanlan.zhihu.com/p/460289166
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