Impact of seawater warming and nutrient deprivation on the physiology and energy metabolism of corals

海水升溫和營養剝奪對珊瑚生理和能量代謝的影響

來源：Frontiers in Marine Science, Volume 11, Article 1423034, 1 October 2024

《海洋科學前沿》第11卷，文章ID 1423034，2024年10月1日

摘要內容

研究海水升溫和溶解無機營養（DINut）缺乏對兩種珊瑚（軟珊瑚Heteroxenia fuscescens和石珊瑚Stylophora pistillata）生理和能量代謝的影響。發現：

高溫（30°C）和營養剝奪均降低兩種珊瑚的光合作用與呼吸比值（P:R），導致軟珊瑚白化。

營養剝奪對能量代謝影響較小，但高溫顯著增加軟珊瑚的碳水化合物和脂質濃度，同時降低ATP（能量貨幣）水平，激活無氧代謝（乳酸積累）。

石珊瑚通過增加碳水化合物儲備和維持ATP水平適應高溫，但乳酸含量升高表明代謝壓力。

研究目的

探究升溫和營養限制對珊瑚生理和能量代謝的單獨及聯合效應，比較兩類珊瑚（軟珊瑚與石珊瑚）的響應差異，揭示其應對環境壓力的策略。

研究思路

采用交叉實驗設計：

實驗設計：將珊瑚暴露于兩種溫度（25°C對照 vs. 30°C高溫）和兩種營養條件（正常DINut vs. 缺乏DINut），共4組處理。

測量指標：

生理參數：共生藻密度（圖2A、3A）、葉綠素含量（圖2B、3B）、光系統II效率（Fv/Fm，圖2C、3C）、光合與呼吸速率（圖2D-E、3D-E）。

能量代謝：蛋白質、碳水化合物、脂質濃度（圖4A-C、5A-C）、乳酸（圖4E、5E）和ATP（圖4F、5F）。

數據分析：通過廣義線性模型和Tukey檢驗評估溫度與營養的獨立及交互效應。

測量數據及意義

生理數據（圖2、3）：

共生藻密度和葉綠素含量：高溫導致軟珊瑚白化（圖2A-B），而石珊瑚未顯著變化（圖3A-B）。

光合與呼吸速率：高溫下軟珊瑚光合作用未下降但呼吸增加，P:R降低（圖2F）；石珊瑚在高溫+營養缺乏時P:R最低（圖3F）。

意義：揭示高溫和營養限制對珊瑚能量收支的影響，表明白化與能量失衡的直接關聯。

能量代謝數據（圖4、5）：

軟珊瑚在高溫下脂質和碳水化合物增加（圖4B-C），但ATP減少41%（圖4F）；石珊瑚碳水化合物增加但ATP穩定（圖5B-F）。

乳酸積累：兩類珊瑚在高溫下乳酸均升高（圖4E、5E），表明無氧代謝激活。

意義：證明珊瑚通過儲存能量分子（如脂質）和切換代謝模式（無氧代謝）應對壓力，但能量轉化效率（ATP）下降可能限制長期生存。

結論

高溫和營養剝奪降低珊瑚自養能力（P:R<1），軟珊瑚更易白化。

軟珊瑚依賴能量儲存（脂質/碳水化合物）但ATP減少，石珊瑚維持ATP但增加乳酸，顯示代謝策略差異。

兩類珊瑚均通過無氧代謝緩解能量危機，但長期高溫可能導致能量耗竭。

丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

研究意義：

使用丹麥Unisense微電極測量珊瑚的氧氣通量（圖2D-E、3D-E），直接量化光合作用和呼吸作用的動態變化：

光合與呼吸平衡：通過凈光合（光照下）和呼吸（黑暗）的氧變化，計算P:R比值（圖2F、3F），明確高溫和營養缺乏如何破壞珊瑚能量平衡。

代謝狀態評估：氧氣通量數據揭示軟珊瑚在高溫下呼吸速率上升（圖2E），表明代謝成本增加；石珊瑚在高溫+營養缺乏時呼吸顯著升高（圖3E），顯示聯合壓力加劇能量消耗。

機制解析：結合乳酸和ATP數據，證實氧氣通量變化與無氧代謝激活（乳酸積累）及能量貨幣（ATP）減少的關聯，為珊瑚耐熱性研究提供關鍵生理指標。

應用價值：此類數據為預測珊瑚在海洋變暖中的生存閾值及設計保護策略（如營養補充）提供實驗依據。