海参作为一道美食被很多人认识。但鲜为人知的是，海参有着海中“清道夫”之称，以食用海底沉积物维生。那么，小小的海参是如何从海洋底栖沉积物中获得充足营养的呢？
中国科学院南海海洋研究所海参研究团队以南海广泛分布的玉足海参为研究对象，解析了进化适应与共生微生物在海参消化海底沉积物过程中的作用机制，相关成果发表于国际学术期刊《自然·通讯》。
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独特的消化系统
研究人员通过分析发现，在海参摄入的沉积物中，营养成分主要包括微藻、细菌和有机碎屑。在比较分析跨物种基因组后，研究人员 发现 海参的消化酶基因表现出独特的进化特征：主要碳水化合物消化酶基因显著扩张，而蛋白消化酶基因则出现收缩。
▲海参消化酶与其他物种比较的扩张/收缩趋势
这意味着，海参在长期进化过程中逐渐适应了以微藻作为主要食物来源，优化了碳水化合物的消化能力，沉积物中较低的蛋白质含量则允许了相应冗余蛋白酶基因的丢失。
那么，为了进一步节约能量、让消化过程更加“有的放矢”，这些消化酶基因的表达是否也会在发育时期上有所区别呢？
研究发现， 处于浮游幼体时期的海参主要摄食浮游植物，因此该阶段碳水化合物消化酶的表达量已经上调。
进入成体期，随着沉积物成为海参的主食，在依旧能用于消化微藻的碳水化合物消化酶保持高表达的基础上，蛋白酶和脂肪酶也开始表达， 从而应对沉积物中有限的动物成分 ，使营养获取最大化。
02
微生物发挥大作用
但海参仅靠自身表达的消化酶，还不足以从沉积物中完全地获取营养，另一个“担当重任”的是消化道内的共生微生物。
通过16S rRNA测序，研究人员找出了这群“合作者”。消化道、粪便及周围环境中微生物丰度的比较显示，消化道中浮霉菌门和厚壁菌门的丰度明显高于周围环境中，暗示它们是主要的共生微生物。
为了厘清共生微生物的具体作用，研究人员监测了海参消化道各区域的酶活性，并对比了这些区域海参消化酶的表达水平。有趣的是，海参后肠的蛋白酶和脂肪酶表达虽然较低，该区域却仍能检测到较高酶活性，说明共生微生物参与了对蛋白质和脂肪的吸收。
▲海参消化道各区域的消化酶基因与酶活性比较示意图
可是，并不是所有微生物都能“幸运”地与海参“合作”。比如，在环境中高丰度的拟杆菌门细菌，在消化道和粪便内却明显减少，表明它们与海底沉积物一同被海参摄入后，被消化从而成为了海参的营养来源。
在进一步对海参基因组抗菌基因进行分析后，研究人员发现了一类在消化道内特异表达、为海参纲 特有的溶菌酶。溶菌实验也证明，其能够有效裂解作为营养源的几类菌群。通过 灵活利用微生物 ，海参同时从富含细菌的沉积物中获得了消化酶和营养，进一步提高了营养获取的效率。
▲海参特异的肠道溶菌酶分解海底沉积物细菌
03
靠消化系统保护珊瑚
海参独特的消化机制不仅在其自身生存中发挥关键作用，还对维持珊瑚礁健康发挥了不可替代的作用。通过消化海底沉积物中的细菌和有机物，海参在促进营养循环的同时抑制了其中病害细菌的增殖，从而降低了珊瑚疾病的发生率。
未来，研究人员将开展不同环境条件下海参消化机制的差异研究，解析消化酶表达、共生微生物构成与环境之间的联系，为通过增殖放流海参净化海底环境、防止细菌性珊瑚病害暴发和珊瑚岛礁生态修复提供理论依据和新的技术方法。
论文链接：
http://doi.org/10.1038/s41467-024-53205-5
来源：中国科学院南海海洋研究所
责任编辑：曹旸