Dynamic regulation of coral energy metabolism throughout the diel cycle

整個 Diel 周期中珊瑚能量代謝的動態調節

來源：Scientific Reports | (2020) 10:19881

 

摘要核心發現

 

本研究首次通過連續氧微電極監測（>16小時）揭示珊瑚擴散邊界層（DBL）存在劇烈氧波動：白天光合作用導致超氧（平均381.3±21.8 μM），夜間呼吸作用引發缺氧（73.9±22.2 μM）（圖1）。結合酶活性檢測（CS、MDH、SDH）和代謝組學（LC-MS/MS），發現：

 

1. 海藻氨酸（Strombine） 是珊瑚主要發酵終產物（圖3-4），其濃度晝夜波動顯著（20-1744 nmol/mg蛋白）；

 

 

2.代謝酶活性保持恒定（圖2），表明能量調節依賴底物通量而非酶豐度變化；

 

3.發酵代謝在超氧條件下仍活躍（日間海藻氨酸濃度是夜間2倍），呈現類似"瓦博格效應"的有氧發酵模式。

 

研究目的

 

1.氧動態量化：

 

揭示珊瑚DBL氧濃度的晝夜變化規律及其對代謝的脅迫效應。

2.發酵途徑解析：

 

鑒定珊瑚厭氧代謝核心終產物及關鍵酶（如終端脫氫酶）。

3.代謝調控機制：

 

探究能量代謝從有氧呼吸到發酵的轉換策略及其環境適應性意義。

 

研究思路

 

1. 多維度技術聯用

 

 

氧動態監測：Unisense氧微電極（100 μm尖端）連續記錄DBL氧濃度（圖1）；

 

酶活性分析：分時段采樣測定CS（三羧酸循環）、MDH（蘋果酸代謝）、SDH（海藻氨酸脫氫酶）等活性（圖2）；

 

代謝物鑒定：LC-MS/MS靶向檢測發酵產物（圖3），MRM定量海藻氨酸晝夜變化（圖4）。

 

2. 晝夜節律對照設計

 

 

設置12h:12h光暗周期（PAR~200 μmol photons/m2/s）；

 

6個關鍵時間點采樣（晨昏轉換前后）；

 

對比超氧（晝）與缺氧（夜）狀態下代謝物積累差異。

 

關鍵數據及研究意義

1. DBL氧動態（圖1）

 

數據：

 

白天超氧峰值達450 μM，夜間缺氧低至50 μM（圖1A-B）；

 

瞬態氧波動（±100 μM/分鐘）暗示代謝爆發或纖毛運動擾動。

 

意義：首次量化珊瑚微環境極端氧脅迫，為理解珊瑚白化提供生理基線。

 

2. 發酵產物鑒定（圖3）

 

數據：

 

LC-MS/MS確認海藻氨酸為終產物（m/z 146→128/102離子對）（圖3B,D,F,H）；

 

未檢出乳酸或章魚堿。

 

意義：顛覆"乳酸主導"傳統認知，揭示珊瑚特有發酵途徑的進化適應性。

 

3. 海藻氨酸晝夜節律（圖4）

 

數據：

 

濃度雙峰分布——黃昏（缺氧起始）和黎明（復氧初期）達峰值（1065±202.8 nmol/mg蛋白）；

 

日間基礎濃度（92.5±14.2 nmol）顯著高于夜間（48.3±4.4 nmol）。

 

意義：證明有氧發酵（Warburg效應）在珊瑚能量代謝的核心地位。

 

4. 酶活性穩定性（圖2）

 

數據：

 

CS、MDH、SDH活性無顯著晝夜差異（p>0.05）（圖2A-C）；

 

僅ATP合成酶β亞基夜間輕微升高。

 

意義：代謝調節依賴底物可利用性（光合同化產物）而非酶量變化。

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術突破性

 

 

連續動態記錄：

 

60 Hz采樣頻率捕捉分鐘級氧波動（如光照切換后5分鐘內氧濃度驟降100 μM）（圖1）；

 

微尺度定位：

 

100 μm探針精準定位珊瑚共肉組織（coenosarc），避免息肉干擾（圖1D）。

 

關鍵科學發現

 

1.缺氧頻率量化：

 

夜間平均氧濃度73.9 μM（低于缺氧閾值90 μM），證實珊瑚每夜經歷生理性缺氧（圖1C）；

2.代謝轉換節點：

 

氧動態數據關聯海藻氨酸峰值，揭示晨昏氧轉換期為發酵激活關鍵窗口（圖4）；

3.瞬態波動機制：

 

高頻波動（±100 μM/分鐘）暗示纖毛運動或代謝爆發對微環境的擾動。

 

生態意義

 

 

氣候響應指標：

 

建立DBL氧波動基線，助力評估珊瑚對海洋脫氧事件的敏感性；

 

共生關系解析：

 

超氧（晝）/缺氧（夜）交替驅動蟲黃藻-宿主代謝互作，揭示共生穩定性機制；

 

保護應用：

 

微電極數據為珊瑚礁修復中人工光照/水流調控提供理論依據。

 

結論

 

1.發酵代謝的核心性：

 

珊瑚依賴海藻氨酸發酵應對夜間缺氧，且日間有氧發酵貢獻50%以上ATP；

2.代謝調節策略：

 

能量分配由底物通量（光合產物/O?）主導，酶活性保持穩態；

3.微環境動態：

 

DBL氧波動遠超預期，需重新評估珊瑚的氧脅迫耐受閾值。

 

應用方向：基于氧動態數據開發珊瑚礁健康監測系統，整合代謝標志物實現早期白化預警。

 

圖示關聯：

 

圖1：Unisense微電極記錄的DBL氧動態

 

圖2：代謝酶活性晝夜穩定性

 

圖3：LC-MS/MS鑒定海藻氨酸

 

圖4：海藻氨酸晝夜積累模式