The mesoglea buffers the physico-chemical microenvironment of photosymbionts in the upside-down jellyfish Cassiopea sp.  

中膠層緩沖倒立水母（Cassiopea sp.）光合共生體的物理化學微環境  

來源：Frontiers in Ecology and Evolution, Volume 11, Article 1112742, Published 27 March 2023

《生態與進化前沿》第11卷，文章編號1112742，2023年3月27日發表  

 

摘要內容

 

研究通過光纖和電化學微傳感器技術，揭示了倒立水母（Cassiopea sp.）中膠層（mesoglea）對其共生甲藻（Symbiodiniaceae）微環境的緩沖機制：  

光微環境異質性：水母不同解剖結構（如口腕、柄部）的光子標量輻照度存在空間差異（圖1），白色色素組織（尤其鐘形體）通過光散射增強光滲透（圖2-3）。  

 

 

 

O?動態：中膠層在光照下積累O?（濃度達海水2倍），黑暗時緩慢消耗；大型水母（鐘形體厚度>8mm）的O?變化延遲顯著（圖4-7），表明中膠層作為O?庫緩沖波動。  

 

 

 

 

pH緩沖：中膠層維持堿性環境（pH~8.8），黑暗時表層pH驟降但深層穩定（圖9-10），減少共生藻酸化壓力。  

 

 

 

尺寸效應：小型水母（厚度<4mm）的O?/pH響應迅速（類似珊瑚），大型個體響應延遲（圖6,10），凸顯中膠層厚度對微環境穩定的關鍵作用。  

 

研究目的

探究Cassiopea水母組織如何調控共生藻的光合作用微環境（光、O?、pH）。  

 

闡明中膠層在緩沖環境波動（如光暗轉換）中的生理機制。  

 

研究思路

光微環境表征：  

 

光子標量輻照度空間分布（圖1）  

 

光譜反射率與標量輻照度深度剖面（圖2-3）  

化學微環境動態：  

 

O?深度剖面與光暗動態（圖4-7）  

 

pH深度剖面與光暗響應（圖9-10）  

尺寸效應驗證：對比小型（25-48mm）與大型（63-67mm）水母的O?/pH響應差異（圖6,10）。  

 

測量數據、來源及研究意義

光子標量輻照度分布（圖1）：  

 

數據：柄部中心光強最高（166%入射光），口腕區140±19%，鐘形體下僅75±12%。  

 

意義：揭示水母形態創造光學微生境，優化共生藻光捕獲效率。  

光譜標量輻照度剖面（圖3）：  

 

數據：白色色素組織（近觸手管）0-400μm深度光增強，隨后快速衰減；無色素組織光衰減平緩。  

 

意義：宿主色素通過散射提升光利用，類似珊瑚骨骼的光調控策略。  

O?深度剖面（圖4-5）：  

 

數據：光照下O?濃度隨深度增加（3.7mm處達445μM，海水約210μM）；黑暗時表層O?快速消耗，深層（>1mm）維持高濃度。  

 

意義：中膠層作為O?儲庫，支持黑暗期宿主肌肉與共生藻呼吸需求。  

O?光暗動態（圖6-7）：  

 

數據：小型水母O?濃度光暗響應迅速（分鐘級）；大型水母光照停止后O?仍持續上升數分鐘。  

 

意義：中膠層厚度延緩O?擴散，緩沖環境波動對共生體系的沖擊。  

pH深度剖面與動態（圖9-10）：  

 

數據：黑暗時表層pH驟降（較海水低0.3-0.5單位），但深層（>1000μm）維持pH~8.8；大型水母pH變化延遲>10分鐘。  

 

意義：中膠層減少質子滲透，保護共生藻免受酸化脅迫。  

 

結論

光調控機制：宿主白色色素增強光散射，優化共生藻光合效率（圖1-3）。  

 

化學緩沖作用：厚中膠層儲存O?并維持pH穩定，減緩光暗轉換時的理化波動（圖4-10）。  

 

 

生態適應性：緩沖能力使Cassiopea能在環境多變的淺海棲息地（如紅樹林）繁盛，區別于對波動敏感的珊瑚。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

實驗中采用Unisense pH微電極（PH-100，尖端直徑100μm）和光纖O?傳感器（PyroScience OXR230）：  

高分辨率pH監測：  

 

直接測量組織內部pH梯度（圖9），發現中膠層深層維持堿性環境（pH~8.8），保護共生藻免受黑暗呼吸導致的酸化損傷。  

 

捕捉到大型水母pH變化的延遲響應（圖10），證實中膠層對質子擴散的物理屏障作用。  

技術優勢：  

 

空間精度：微電極可穿透水母組織（最深4mm），實現μm級深度剖面，揭示O?/pH的垂直異質性（圖4,9）。  

 

時間動態：秒級響應記錄光暗轉換的O?/pH瞬時變化（圖6,10），量化中膠層緩沖動力學（大型水母響應延遲>10分鐘）。  

生理學啟示：  

 

O?儲存證實中膠層為"代謝緩沖池"，支持宿主在缺氧環境（如夜間淺水）的生存（圖7）。  

 

pH穩定性解釋Cassiopea為何能耐受高CO?環境（如富營養化海域），為共生體系抗逆性研究提供新視角。  

 

研究價值：Unisense微電極首次量化Cassiopea中膠層的O?/pH緩沖能力，揭示厚中膠層是水母在波動環境中維持共生穩態的關鍵結構基礎，為理解共生體系對環境變化的適應性提供新機制。