背景 

中文标题：海洋酸化下牡蛎的生物矿化：从基因到外壳

研究对象：长牡蛎(Crassostrea hongkonggensis)

发表期刊：Global Change Biology

影响因子：8.555

作者单位：香港大学、广州市第三附属医院、中国南海海洋研究所、华盛顿大学

运用欧易技术：MethylRAD

 

 

研究内容

 

生物矿化（Biomineralisation）是海洋酸化(OA)下牡蛎等海洋钙化物中受到显著影响的关键过程之一。因此，了解生物矿化过程中的分子变化及其遗传力是制定保护策略的关键。在这项研究中，选择长牡蛎(Crassostrea hongkonggensis)的生物矿化相关组织-外套膜，研究其在pH7.4和pH 8.0条件下长牡蛎幼苗的DNA甲基化和基因表达模式，以及壳结构（microstructure）、晶体取向(crystal orientation)和硬度(hardness)等特性。结果发现牡蛎对OA有适度的弹性，生物矿化的关键基因，因此，壳的机械性能(壳的生长速度、硬度和晶体取向)也保持不变，而OA条件下有严重溶解迹象。

 

 

技术路线

 

 

 

研究结果

 

1、OA下外套膜组织的基因表达

对照组和OA组差异表达基因430个，209个上调，221个下调(p< 0.05,| log₂ FC | > 1)。其中30个基因（17个上调，13个下调）与生物矿化有关。从图1 看出生物矿化相关基因主要在细胞表面被分泌或者发现。上调基因的GO分析发现，GO term也包括细胞表面这个term。“分子功能”的10个term中，有4个跟钙结合和钙转运有关。“生物学过程”的10个term中1个term与钙调节信号相关。下调基因的GO富集发现仅有1个“分子功能”的term与钙调节有关(图2)。这说明钙离子调节或者转运的相关基因在OA条件下主要是上调的。

图1 差异表达基因模型图

 

图2 差异基因的GO分析，i上调基因的GO分析；ii下调基因的GO分析；iii差异基因柱状图

 

2、OA下外套膜组织的基因甲基化变化

每个样品产出16M的Raw reads，甲基化最高的功能原件是内含子（28.4%），其次是外显子（26.3%）, 基因间区 (14.9%)，剪切供体 (9.9%)，基因下游(8%)和基因上游（6.8%）。共有7304个差异甲基化位点（上调3803个，下调3501个），差异甲基化基因共有377个（上调214个，下调163个）。GO分析发现，低甲基化基因主要在“分子功能”的乙酰乙酰co-A还原酶活性及脱氢酶活性(图3)。没有与生物矿化相关的通路被富集。值得注意的是“生物学过程”中的细胞对pH值的反应被富集到。在高甲基化的GO富集结果中发现“分子功能”的主要富集在蛋白质木糖基转移酶活性、转录因子活性、RNA结合和二酰基甘油激酶的活性。

图3 差异甲基化基因的GO分析，i低甲基化基因的GO分析；ii高甲基化基因的GO分析；iii甲基化基因组在功能原件上的分布图

 

3、基因的差异表达和差异甲基化

共有11个差异基因有差异甲基化位点（6个与DNA甲基化状态呈负相关，5个与DNA甲基化状态呈正相关）。然而，只有一个基因，Mho_008768有显著负相关(皮尔森相关系数r = -0.87, p < 0.05)。11个甲基化差异DEGs进行GO富集分析，富集的“分子功能”是细胞骨架的结构成分，“细胞成分”富集到灶粘附和线粒体外膜。说明DNA甲基化并不直接调控外套膜基因的表达。

 

4、壳层性质和晶体学

OA组相较于对照组，壳生长速率保持不变(图4i)。壳的硬度不受影响(图4iv)，然而OA下壳的棱柱层完全溶解(图4ii)，壳中有机物含量较低(图4v).晶体取向不受影响(图4vi、图4vii、图4viii)。说明尽管溶解严重，OA下形成的壳层仍具有良好的完整性。

 图4 壳层属性和晶体学分析

 

 

结论

1) OA下外套膜Ca2+结合/信号相关基因的高表达在维持生物矿化过程中起关键作用；

2) OA引起DNA甲基化变化，但这些甲基化变化并不直接控制基因的表达；

3) 对于维持钙化率和正常壳生长和机械性能的弹性物种来说，OA更多的是一个“溶解问题”，而不是“生物矿化问题”。

 

本研究获得的贝壳参数和分子生物学数据将为选择育种提供宝贵的资源，因为贝壳晶体取向和OA恢复能力不受影响的牡蛎也可以在抗病、抗逆性等其他方面进行匹配。然而，这种弹性可能是由于水产养殖在波动pH值下的局部适应，对其他的牡蛎物种可能不具有代表性。  

 

 

参考文献

Chandra Rajan, Kanmani et al. “Oyster biomineralization under ocean acidification: From genes to shell.” Global change biology, 10.1111/gcb.15675. 8 May. 2021, doi:10.1111/gcb.15675