实验室培育的藻类可能有助于拯救珊瑚免受气候变化的影响

珊瑚礁陷入困境。今年 4 月，澳大利亚科学家报告称，大堡礁正遭受另一场大规模珊瑚白化事件——这是五年来的第三次。今年的白化似乎比 2016 年和 2017 年海洋热浪造成的白化更为广泛，那两次热浪导致整个大堡礁的珊瑚覆盖率减少了一半。

这种趋势存在于世界各地，与海洋热浪的强度和频率不断增加相伴。即使我们现在能够停止温室气体排放，珊瑚的未来也将岌岌可危，温度只要上升几度就可能毁灭大量珊瑚。这就是为什么一些海洋生物学家正在寻找为这些生物争取时间的方法。正如《科学进展》杂志上的一项新研究发现的那样，其中一种方法可能是增强它们的共生藻类。

珊瑚其实是一种微小的动物，是水母和海葵的近亲，是一种小珊瑚虫。珊瑚礁的岩石状、分枝状、色彩鲜艳的结构由成千上万的珊瑚虫组成，它们分泌出坚硬的碳酸钙骨架。珊瑚的颜色来自生活在珊瑚细胞中的藻类，即虫黄藻。藻类不仅赋予珊瑚光彩，还以光合作用产生的糖的形式为珊瑚提供食物。而珊瑚则为虫黄藻提供庇护所和二氧化碳。

但这种海洋伙伴关系在热浪中瓦解了。当温度过高时，藻类细胞的光合作用就会中断，它们开始产生有毒分子，称为活性氧。藻类离开珊瑚，留下白色的骨架——这就是珊瑚白化。如果水温持续过高，珊瑚就会饿死。

墨尔本大学生态遗传学家 Madeleine van Oppen 正在领导一个项目，研究能否加强这种共生关系，从而拯救珊瑚免于这种命运。在这项新研究中，她和她的团队采集了虫黄藻样本，并将其分装到实验室的 10 个容器中。四年多来，他们在 88ºF 的温水中培养藻类。在此期间，每桶藻类经历了大约 120 个无性代。每次细胞分裂都代表着突变的机会，并且可能产生新的有利特征。

当研究小组将这 10 种实验室菌株与两种野生菌株进行比较时，他们发现它们在高温下更具弹性。在 88ºF 时，热进化的藻类细胞继续繁殖，而野生藻类细胞则减少。

接下来是重大考验：这些耐热藻类是否对珊瑚有益？研究小组将实验室和野生菌株接种到幼年珊瑚中以找出答案。在所有藻类中，三种菌株（均来自四年的处理）在温水中与珊瑚共生超过七天，有效提高了珊瑚的白化耐受性。“这些结果令人鼓舞，”夏威夷大学马诺阿分校的珊瑚生物学家克里斯托弗·沃尔 (Christopher Wall) 表示，他没有参与这项研究。“它们表明，一些珊瑚……有可能通过与专门的共生伙伴交往来获得耐热性。”

当范·奥本对三种提高珊瑚耐热性的藻类中的一种进行基因测试时，她发现了它们如何做到这一点的线索。这种藻类菌株似乎已经降低了光合作用率，同时提高了从二氧化碳中固定糖的基因活性。范·奥本说，当光合作用率在高温和强光下升高时，细胞会产生大量有毒的氧分子。“通过增加[藻类]固定碳的速率来补偿[光合作用降低]，”范·奥本说，“我们认为藻类仍然是良好的共生体——仍然具有很高的生产力，能够为珊瑚提供糖分。”

在同样的藻类-珊瑚组合中，她发现这种进化的藻类也增强了珊瑚的生长。范·奥本发现，在珊瑚中，编码耐热性基因的表达更高。“藻类必须释放一些化合物，这些化合物实际上会对珊瑚表达的基因产生影响，”她说。“我们认为这可以让珊瑚更快地应对夏季热浪。”

波士顿大学专注于珊瑚礁修复的海洋生物学家凯蒂·莱斯内斯基 (Katey Lesneski) 表示，研究结果可以帮助生物学家了解将特殊藻类接种到珊瑚中以帮助它们抵御高温的可能性，但她并未参与这项研究。莱斯内斯基说：“这无疑是一个巨大的飞跃，让我们能够更好地了解这些藻类菌株在四年内经历这种进化变化的能力，同时也帮助我们更好地了解珊瑚确实可以从这样的菌株中受益这一事实。”

然而，在我们开始在大堡礁喷洒实验室培育的藻类之前，科学家们还需要回答其他问题。莱斯内斯基说，尽管热进化的藻类可以增强珊瑚的抗热能力，但虫黄藻在其他方面可能较弱，例如抗病能力。范奥本还补充说，她的团队需要测试这种共生关系是否在成年珊瑚中有效，而不仅仅是他们在实验室中测试的幼年珊瑚虫。

如果一切顺利，海洋生物学家可能会有一个新的工具来帮助珊瑚礁争取时间，同时世界各国也应共同应对气候变化。范·奥本设想建立大型水产养殖设施，让珊瑚浸泡在实验室的藻类中，然后用来重新种植被热浪摧毁的珊瑚礁。

但范·奥本强调，这种方法永远无法取代解决温室气体排放问题。“如果我们不解决气候变暖问题，甚至不进行辅助进化……从长远来看，这些干预措施也无法拯救珊瑚，”她说。“但我们认为，在此期间，我们需要一些额外的方法……以确保在本世纪内有足够的珊瑚存活下来，直到世界应对气候变暖。”