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解决珊瑚礁的棘手问题

来自冲绳科技研究生院(OIST)的研究人员揭示了刺冠海星的进化史。刺冠海星是珊瑚的捕食者,能够摧毁珊瑚礁。他们的发现揭示了这些海星的数量是如何随时间变化的,这可能有助于减少它们对生态的破坏。

单一的刺冠海星是可怕的,它的巨大身体上布满了尖锐的、有毒的刺。但它们真正的危险在于它们强大的繁殖能力,雌性刺冠海星一次产卵就能产下数百万颗卵。这将很快导致灾难的发生,大量的海星将迅速摧毁大面积的珊瑚礁。

“大约40年前,冲绳经历了一次刺冠海星的大规模爆发,超过150万只海星不得不由潜水员用手清除,”Noriyuki Satoh教授说,他是OIST的学生和海洋基因组学小组的负责人。

尽管最近在冲绳和琉球群岛的其他亚热带岛屿附近爆发的珊瑚白化和热带气旋已经变得不那么频繁了,但它们已经成为澳大利亚大堡礁日益严重的威胁。这些海星的爆发正变得越来越常见,越来越严重,因为日益严重的污染和温暖的海水有助于这些海星幼虫的生存。

2017年,OIST海洋基因组公司与澳大利亚科学家合作,对刺冠海星的基因组进行解码,结果发表在《自然》杂志上。现在,在他们发表在《G3:基因|基因组|遗传学》上的最新研究中,海洋基因组部门想要探究海星基因组中是否记录了任何信息,可以揭示这些疾病爆发的方式和原因。

研究人员在琉球群岛的冲绳岛、宫古岛和铱星岛三个不同岛屿的珊瑚礁中收集了刺冠海星。然后,科学家们对线粒体中发现的全部由16000个核苷酸碱基组成的DNA进行测序,并利用单个海星之间序列的差异构建进化树。

研究小组还对另外两种海星——蓝海星和北太平洋海星——进行了同样的分析。通过比较刺冠海星和其他两种海星,科学家希望看看他们的发现是否揭示了刺冠海星的独特之处。

佐藤教授说:“蓝海星也是一种珊瑚礁食肉动物,它们和刺冠海星生活在同一个栖息地,但它不会导致这种无法控制的爆发。”“与此同时,北太平洋海星是日本最常见的海星,生活在日本大陆附近较冷的水域。”

科学家们发现,北太平洋海星的进化树表明,该物种已经分裂为两个主要血统。从日本东北部附近海域的三个不同地方采集的海星,由一个世系的个体组成,而在日本西南部濑户内海的单个海星种群,则由另一个世系的个体组成,这个世系的个体更为近期。

“我们认为,在一次罕见的迁徙事件中,海星幼虫分散到了濑户内海。由于这两个区域是如此分离,两个种群之后没有发生迁移,这导致了物种分裂为两个谱系,”Satoh教授说。“与此同时,较短范围的洋流使得第一个谱系的个体在日本东北部附近的地方混合。”

对于蓝海星来说,结果更令人惊讶。构建的进化树显示,该物种首先分裂成两个谱系,然后第二个谱系又分裂成两个更小的亚群。但有趣的是,在冲绳和石崎都发现了来自这两个主要血统的个体——琉球的这两个地区是蓝海星的采集地。这意味着两个不同的海星种群生活在相同的地理区域,但它们的基因并没有杂交。Satoh教授认为,这是存在两种神秘蓝海星的有力证据——换句话说,尽管这两种海星是分开的、不繁殖的物种,但它们看起来是一样的。

结果还表明,蓝海星在冲绳和石垣之间双向迁移。这是出乎意料的,因为科学家们此前曾认为,从石崎流向冲绳的强大东北洋流阻止了海星幼虫被带往相反的方向。

佐藤教授说:“对于双向迁移来说,这表明琉球群岛的洋流可能比之前想象的更为复杂。”

刺冠海星进化树的结果也支持了该地区复杂洋流的观点,每个刺冠海星系也在多个地理位置被发现。这对于预测刺冠海星可能在琉球的何处爆发具有重要意义,研究人员现在主张更好地了解该地区的洋流。

总的来说,棘冠海星的进化树看起来与其他两种海星有很大的不同,这是该物种历史种群动态的根本区别。尽管是一个比另外两个物种年轻得多的物种,分化不到一百万年前,这棵树显示海星很快分裂成五个小的谱系。这些发现表明,该物种经历了频繁的基因瓶颈,种群数量减少到只有少数个体,然后开始了一个新的世系。

佐藤教授说:“这意味着海星的爆发只是一个更大的‘繁荣与萧条’种群周期的一部分,在这个周期中,如果任由它们自生自灭,海星会吃掉大量的珊瑚,最终耗尽食物而死亡。”

下一步,海洋基因组公司将与澳大利亚科学家合作,分析大堡礁的棘冠海星。科学家们的目标不是仅仅使用线粒体中的DNA,而是对每只海星的整个基因组进行测序,包括细胞核中的DNA。

Satoh教授总结道:“最终,我们希望我们的发现能帮助我们更好地了解海星的数量趋势,以及洋流在引发新的海星爆发方面的作用。”“这可能有助于我们预测并因此减轻未来的疫情爆发。”

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