海洋生物“环境记忆”机制解析与应用取得新进展

在全球气候变化加剧和极端天气频发的背景下，海洋生物面临着严峻的生存考验。在海洋生物资源保护与利用领域，生物适应潜力预测与适应性提升一直是学术界和产业界共同关注的热点问题。

近日，记者从中国科学院海洋研究所获悉，该所贝类研发团队承担的中国科学院战略性先导科技专项 “美丽中国生态文明建设科技工程”——“服务于‘美丽海洋’的生物调控技术与示范”子课题，在牡蛎适应性机制解析及抗性提升技术研发领域取得了阶段性新进展，相关成果近期发表于环境科学领域期刊《 总体环境科学期刊》《海洋生物技术》等。

据介绍，潮间带海域是海洋与陆地的交汇区，受来自海洋、陆地和大气中多种环境因素以及人类活动的直接与间接影响，其环境具有高变异性；牡蛎作为经济与生态价值兼备的潮间带优势种，与潮间带环境共同构成了研究海洋生物与环境互作效应的理想研究体系。

人们经常会关注到，潮间带牡蛎的体型比潮下带牡蛎要小很多，与市场售卖的养殖牡蛎相比，形态更是千差万别。其实这些外型截然不同的牡蛎很可能是一个物种，造成这种差异的原因主要是牡蛎所处的环境不同。科学家把这种同一基因型的个体在不同环境中表现出不同表型的现象称之为表型可塑性，这是包括牡蛎在内的海洋生物重要适应机制。

记者了解到，海洋研究所贝类研发团队以“牡蛎-潮间带环境”为研究体系，经过系统的比较检测发现，潮间带牡蛎与潮下带牡蛎不仅在生长指标、营养物质组成和含量上不同，其对高温、干露等胁迫环境的抗性也存在显著差异，特别是在高温条件下，潮间带牡蛎要比潮下带牡蛎具有更强的响应弹性和抗性。

研究团队对潮间带牡蛎与潮下带牡蛎进行了基因组结构变异的检测，结果并未发现两者基因组结构有明显差异，这表明，潮间带与潮下带牡蛎的表型差异主要来源于环境引起的表型可塑性。继续研究，团队发现，以DNA甲基化为代表的表观遗传修饰是介导这一表型可塑性的重要机制。

在此基础上，团队成员进一步探究了潮间带环境对牡蛎后代的影响，解析了跨代可塑性介导的“环境记忆”是否存在及其内在分子机制问题，并基于环境调控进行了适应性提升技术的研发与应用。

抗性表型跨代可塑性（a，b）及DNA甲基化分化跨代遗传情况（c-e） 海洋所供图

研究人员对野生潮下带和潮间带牡蛎群体进行了连续两代的人工繁育得到F1和F2代并于潮下带环境中同质养殖。对这三代牡蛎进行比较研究发现，在能量代谢状态和机体抗氧化能力相关表型中，三代潮间带牡蛎群体均与潮下带牡蛎群体存在显著差异；在高温条件下，三代潮间带牡蛎表现出相似的高温反应范式，其应激响应模式与潮下带牡蛎存在差异，即潮间带环境诱导的抗性相关表型的跨代可塑性是存在的。

进一步DNA甲基化测序结果显示，三代潮间带牡蛎群体均与潮下带牡蛎存在基因组甲基化分化，在亲本潮间带潮下带甲基化差异基因中，有1655个即43%可连续遗传至F2；在高温应激实验中，有320个即14%的高温响应基因能从亲本连续遗传两代，后续也通过抑制基因组DNA甲基化的方法反向证实了甲基化在调控高温适应中发挥积极作用。

总之，潮间带环境诱导的适应性相关的表型可塑性可至少遗传两代，且DNA甲基化是介导跨代可塑性的重要机制。

相关成果首次从表观遗传学的角度揭示了牡蛎环境诱导性表型变异的跨代遗传现象及其机制，不仅为海洋生物适应性性状的形成和适应潜力的预测提供了新见解，丰富了海洋生物适应性理论，更为基于环境调控提升牡蛎适应性的相关技术研发提供了新的思路。

基于该原理，研究团队已申报了多件牡蛎适应性提升技术与牡蛎礁构建相关的专利，并在牡蛎修复性养殖与牡蛎礁生态系统重构中获得应用。

海洋研究所博士后王新星为文章第一作者，研究员李莉为通讯作者。研究得到中国科学院战略性先导科技专项和国家贝类产业技术体系等项目的共同支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162112 　　

https://doi.org/10.1007/s10126-023-10208-5