《New Phytologist》全球变暖下海洋热浪和光照减少将导致海草物种特异性代谢组变化

西澳大利亚大学Gary A. Kendrick团队在New Phytologist杂志上发表了题为Marine heatwave and reduced light scenarios cause species-specific metabolomic changes in seagrasses under ocean warming的研究论文。2011年在西澳大利亚海岸曾出现过时间长达8周的海洋热浪（Marine heat wave, MHW）气候极端事件，海草床受到高达4°C的海面温度异常的严重影响（Pearce and Feng，2013）。与此同时，海草还受到了河流排放的影响，导致鲨鱼湾300 平方千米区域的水体在较长时间内出现严重浑浊（Kendrick et al，2019）。水温升高和光照不足的结合导致了大范围的落叶和随后的死亡，导致大型温带海草澳洲波喜荡草（Posidonia australis）的严重的损失和损害（36%）。相比之下，小型热带海草单脉二药草（Halodule uninervis）似乎并未受到高温和弱光的影响（Fraser et al，2014），并且此后在某些地方取代了南极根枝草（Amphiboli antarctica）（Kendrick et al，2019）。

该文章主要通过代谢组学分析来探究两种海草（P.australis和H.uninervis）对气候变化的时间响应和机制响应。实验设计如图1所示，共设有一个对照组，三个处理组（分别是热处理组、遮荫组、热处理+遮荫组），实验共进行18周，包括前期10周的驯化实验，中间7周的处理实验以及最后1周的恢复实验。

图7（a）中观实验的胁迫处理示意图；（b）取样方案的示意图

总体来说，对P. australis和H. unervis叶代谢组的时间评估显示，在为期18周的中生态实验中，开始处理后9天内，这两个物种都发生了显著变化。未来变暖温度下的MHW暴露改变了P. australis的叶片代谢，并且无法在1周的“MHW 恢复”期内重新调整；相比之下，MHW对H. unnervis没有影响。然而，高温和低光照的结合导致了两个物种叶片代谢的显著变化，这凸显了在评估气候变化影响时研究环境胁迫因素之间的加性或协同相互作用的必要性（Zandalinas et al，2021）。在未来变暖的情况下，单独的光照剥夺或与MHW结合会显著影响海草叶的代谢组。研究人员在P. australis和H. unervis中分别发现了六种早期响应、高度分化的代谢物（P. australis: ‘Shade’: l-aspartate, d-fructose 1, 2, d-glucose 1, 2, and ‘Combined’: myo-inositol; H. unervis:‘Shade’: succinate, l-malate, GABA, l-proline, l-alanine, and ‘Combined’: glycerate）。这些化合物有助于深入了解具有不同生理特征和生活史的海草物种的适应潜力。随着时间的推移，这些化合物的早期（即处理开始后9天内）反应可以作为改变植物在全球变暖条件下光照不足时改变状况的“预警”信号。未来的工作应该通过评估生物标志物在后续实验中和生理参数（例如生物量、芽生长、光生理学）中的一致性响应来验证这些化合物是否可以作为候选化合物。成功验证后，这些化合物可以为开发普遍适用的“预警”生物标志物奠定基础，从而成为大规模监测的方法，这也有助于准确预测气候变化下的海草状况（Pomfret et al, 2020），也可以在环境压力明显影响植物状况并最终导致死亡之前进行及时评估（Pomfret et al, 2020）。

来源：New Phytologist、现代化海洋牧场