珊瑚礁是一个显示了这颗星球上生物多样性的标志性区域,它们具有重要的生态、经济和美学意义。然而,由于气候变化和其他一些人为因素,全球范围内的珊瑚礁都正在减少。

  澳大利亚的大堡礁为例,这个独特的、极具经济价值和文化意义的生态系统,横跨了2000多千米的范围,拥有600多种珊瑚和1600种鱼类,但在气候变化所导致的海水变暖的情形下,这里出现了大规模的珊瑚白化和死亡的情况。

  面对这样的形势,许多研究人员都将研究重心放在了如何帮助珊瑚礁适应现在的环境,以及如何帮助珊瑚礁从造成这种高温胁迫的环境中恢复过来,防止进一步的恶化的问题上。因此,从生物分子层面了解可保护珊瑚免受高温胁迫的基因和分子途径,成了相关领域的科学家迫切希望实现的目标。

  基因工程的出现,为研究生物的基因功能提供了宝贵的工具。然而,对于研究珊瑚的科学家来说,虽然他们已经对一些特定基因和分子途径的作用做出了推测,但是要对它们进行严格的测试仍然十分困难,主要原因就在于缺乏有效的工具来确定这些基因的功能。

  幸而在过去的10多年间,CRISPR/Cas9基因“魔剪”的出现和发展,让基因编辑成为了一种研究非模式生物的基因功能的有效方法。在一篇新发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)的研究中,一个国际科学家团队利用CRISPR技术,确定了一种能影响珊瑚抵御高温胁迫能力的基因。

  科学家能利用CRISPR来剪切DNA,并编辑其序列,从而对生物体的DNA做出精确改变,这种方法能准确地关闭某个特定的基因,或插入一段新的DNA,或替换一段DNA。2018年,研究人员就发现利用CRISPR技术是有可能让珊瑚基因组出现精确突变的,只是当时他们无法确定这些特定靶基因的功能。

  在最新的研究中,同一个研究团队使用了一种更新的CRISPR方法来破坏珊瑚幼虫体内的热休克转录因子1,简称HSF1。之所以将注意力放在HSF1上,是因为过去的研究表明,这种蛋白质编码基因在一些模式生物(包括与之亲缘关系很近的海葵)中起着关键作用,因此研究人员猜测它在珊瑚的热反应中也具有重要作用。

  研究人员将CRISPR注入到多孔轴孔珊瑚(Acropora millepora)的受精卵中,以使HSF1基因失活。| 图片来源:Phillip Cleves /卡内基科学研究所 & Patrick Buerger / CSIRO

  HSF1能对许多的高温响应基因造成影响,它就像是启动这些基因的一道“总开关”。研究人员预测,当这个“总开关”失活后,珊瑚的耐热性会出现显著的改变研究结果证明,他们的预测是正确的。

  在这项研究中,科学家选择了一种常见的广泛分布于大堡礁的珊瑚物种——多孔轴孔珊瑚Acropora millepora作为实验目标。他们将专门针对HSF1基因的CRISPR/Cas9成分注入到受精的珊瑚卵中。结果表明,对于那些被关闭了HSF1的珊瑚幼虫来说,它们可以在27℃的温度下良好地存活;然而当水温上升到34℃时,这些幼虫会迅速死亡。相比之下,未经基因魔剪改变的、携带功能健全的基因的幼虫,仍然可以在温暖的水中存活。

  广泛存在于大堡礁上的多孔轴孔珊瑚(Acropora millepora),研究通过“集群产卵”对它们进行了大规模繁殖。| 图片来源:Mikaela Nordborg/Australian Institute of Marine Science

  研究人员因此得出结论认为,HSF1在珊瑚中发挥了重要的保护作用。更广泛地说,利用CRISPR在珊瑚中引发的突变,将能让研究人员对珊瑚幼和以及成体珊瑚的基因功能进行更加广泛和严格的测试。

  研究人员认为,从遗传学的角度来研究这一问题,不仅能帮助我们更准确地预测珊瑚礁对气候变化的反应,也能让我们了解到一些新的针对珊瑚的保育工作的风险和益处。现在,科学家正在通过对耐热珊瑚进行选择性培育来提高珊瑚的适应能力,新的研究结果也将能对这些工作提供新的指导。


新闻来源:新浪