海洋酸化对泥蚶受精的影响及机理研究

发布时间：2020-07-07 15:08

【摘要】：自工业革命以来,化石燃料燃烧等人类活动导致大气中二氧化碳(CO2)的浓度不断升高,而这其中约有1/4至1/3的CO2被海洋吸收,造成了海水酸度的增加,即“海洋酸化”现象。在海洋中,大多数无脊椎动物在繁殖期直接将配子排放到自然海水中,并在海水中完成受精和发育的全过程。目前,已有大量研究证明海洋酸化会影响多种海洋无脊椎动物的雌雄配子和受精过程。与开阔海域相比,近岸滩涂环境更易受空气中CO2浓度影响,栖息于此的物种也因此更容易被海洋酸化所威胁。但迄今为止,海洋酸化对海洋滩涂贝类受精的影响及其作用机理尚不明晰。泥蚶(Tegillarca granosa)是我国重要的经济养殖滩涂贝类,具有重要的经济价值和生态地位,其广播式繁殖(Broadcastspawning)在海洋无脊椎动物中也极具代表性。因此,本研究通过模拟未来海水pH条件,探究了未来海洋酸化条件(pH 7.8和7.4)对泥蚶受精的影响。首先,本次研究采取了向海水中添加无机酸和加富CO2两种方法模拟未来海洋酸化条件并处理泥蚶配子。实验结果发现,两种方法制备出的酸化海水处理泥甜配子均会显著抑制其受精率,但加富CO2法对泥蚶精子运动能力的影响更大。由于海洋无脊椎动物的受精,按时序主要包括精卵相遇、精卵识别与卵子激活(钙波形成)三个步骤,为了进一步分析海洋酸化影响泥蚶受精的作用机理,本研究通过加富CO2的方法模拟了未来海洋酸化情景,探究了其对上述三个关键步骤的影响。在精卵相遇方面,研究发现海洋酸化会明显削弱精子的运动速度,从而减少精卵碰撞概率。实验中对泥蚶精子进行酸化处理后,其曲线运动速度(VCL),平均路径速度(VAP)和直线速度(VSL)都显著降低。利用受精动力学模型(Fertilization kinetics model)模拟计算得出,若海水pH由8.1降至7.8或7.4时,仅泥蚶精子运动速度的下降就会使其受精率分别降低7.2%或20.8%。由于精子的三磷酸腺苷(ATP)水平与其活力呈显著的正相关,本研究也测定了不同海洋酸化条件下精子的ATP含量及其合成过程中关键酶酶活。结果表明海洋酸化可以通过抑制精子内ATP关键合成酶活性来降低ATP含量,这无疑会造成泥蚶精子运动速度的下降。在精卵融合方面,本研究发现未来海洋酸化会显著降低精卵识别的效率,造成泥蚶精卵融合比例的降低。根据实验所获的泥蚶精卵和受精相关参数,通过受精动力学模型计算得出,泥蚶精卵每次碰撞导致融合的概率(β/β0)在海水pH降至7.8和7.4时会分别下降到正常海水下的69.4%和46.8%。差异蛋白质组学的结果表明,酸化处理后卵膜上多个蛋白的表达水平发生了不同程度的改变,这其中也包括了调控受精相关细胞功能及介导精卵识别与融合的一系列蛋白。结合免疫荧光和荧光定量的结果可以推断,酸化处理后卵膜表面精卵识别与融合相关蛋白表达水平下调是导致泥蚶精卵识别效率降低的重要原因。在卵子激活方面,实验证实海洋酸化会抑制受精过程中卵细胞内钙离子(Ca2+)的波动幅度和浓度峰值。由于受精过程中的卵子激活是一个重要的Ca2+依赖性过程,此过程中卵细胞内Ca2+波动和浓度对卵子激活至关重要。因此,海洋酸化所导致的泥蚶受精过程中卵细胞内钙波形成紊乱将造成泥柑卵子激活失败。此外,荧光定量的结果显示,卵子内Ca2+转运相关蛋白表达受到抑制很有可能是造成海洋酸化条件下卵细胞内钙波生成紊乱的关键原因。综上所述,本研究发现未来海洋酸化条件会导致泥蚶受精率显著降低,主要是通过(1)削弱精子运动速度,减少泥蚶精卵碰撞的概率;(2)阻碍精卵识别,降低精卵每次相遇导致受精的概率;(3)造成卵细胞内Ca2+紊乱,导致卵子无法正常被精子激活。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S917.4
【图文】：

文献数量,长期监测,表层海水,相关研究

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文献数量,相关研究,酸化,海洋

逦２０００逦２０１０逡逑图１－１莫纳罗亚地区大气Ｃ0２浓度（ｐｐｍ）和阿罗哈气象站表层海水ｐＨ及ｐＣ0２邋（ｎａｔｍ）逡逑浓度的长期监测数据（Ｆｃｅｌｙ邋ｅ丨ａｌ．，２００９）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｔｉｍｅ邋ｓｅｒｉｅｓ邋ｏｆ邋ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋ＣＯ：邋ａｔ邋Ｍａｎｎａ邋Ｌｏａ邋（ｐｐｍ）邋ａｎｄ邋ｓｕｒｆｉｉｃｃ邋ｏｃｅａｎ邋ｐＨ邋ｉｉｎｄ邋／；ＣＯ：逡逑（ｆ．ｉａｔｍ）邋ａｔ邋Ｏｃｅａｎ邋Ｓｔａｔｉｏｎ邋Ａｌｏｈａ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ邋Ｎｏｒｔｈ邋Ｐａｃｉｆｉｃ邋Ｏｃｅａｎ．逡逑１逦５００逦■逦／逡逑＿逦４００逦－逡逑毅逦３００逦－逡逑２００邋－逡逑１００邋－逦0逡逑２００４逦２００６逦２００８逦２０１０逦２０１２逦２０１４逦２０１６逦２０１８逡逑年份Ｙｅａｒ逡逑图１－２历年（２００４年至２０１８年２月）海洋酸化相关研究发表的文献数量（陈艽，等，２０１８）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ａｎｎｕａｌ邋ｎｕｍｂｅｒｓ邋（ｆｒｏｍ邋２００４邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋Ｆｅｂｍａｎ邋ｏｆ邋２０１８）邋ｏｆ邋ｌｉｔｃｎＵｕｒｃｓ邋ａｂｏｕｔ邋ｔｈｅ邋ｓｔｕｄｉｅｓ邋ｏｆ逡逑ｏｃｅａｎ邋ａｃｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ．逡逑３逡逑

示意图,海洋生物,精子,示意图

１．３．２．１精子结构逡逑大多数海洋生物，包括大部分贝类、棘皮动物和头索动物的精子都是带有一逡逑根细长鞭毛的近圆形细胞。如图１－３所示，典型的海洋生物精子外周有一层大约逡逑１０ｎｍ厚的质膜，质膜内包被着顶体、精核、中心粒、轴突和线粒体（Ｂｏｚｚｏｅｔａｌ．，逡逑１９９３）。逡逑海洋无脊椎动物精子的顶体大多呈帽状，顶体位于精子头部质膜和核囊之逡逑间，是精卵结合的重要结构基础。精子顶体中存有肌动蛋白（Ａｃｔｉｎ和Ｍｙｏｓｉｎ）逡逑与多种溶解酶。当顶体反应发生时，肌动蛋白聚合为顶体突起，顶体释放溶解酶，逡逑使精子可以穿过卵黄膜（吴琪，２０１０）。相较于其它卵膜较薄或卵子具有受精孔逡逑的物种，泥蚶的精子具有较尖的顶体前端以适应泥蚶卵子复杂的卵膜结构和体外逡逑受精的方式（石安静，１９９５；董迎辉，等，２０１０）（表１－１）。逡逑海洋双壳贝类精子的线粒体位于精子的中部

【参考文献】