研究阐明荧光在霓虹色海葵中的保护作用

研究人员发现，海葵的颜色变化或多态性是由单个荧光蛋白基因的不同版本控制的。该研究还表明，荧光蛋白不仅仅是为了展示;它们作为有效的抗氧化剂，保护细胞免受氧化损伤，这是细胞最常见的压力。潮汐带海葵和其他生物的常见压力源包括持续暴露在阳光下、干燥和光合作用产生的氧自由基的存在。

研究结果 于3月8日发表在 《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

“我们基本上试图通过这项研究回答的问题是，’是什么让这些霓虹海葵如此引人注目的霓虹灯？’这使我们进入了对荧光蛋白的有趣世界的调查，直到现在，荧光蛋白仍然是一个谜，“主要作者Nat Clarke说，他现在是麻省理工学院的博士后研究员，他在斯坦福大学攻读博士学位时进行了这项研究。“这项研究揭示了荧光蛋白在自然界中的多功能作用，平衡了它们的光谱特性和重要的生理作用。

该团队求助于社区平台iNaturalist，该平台使公民科学家能够记录生物多样性，以寻找有时罕见的霓虹绿色海葵的位置。从数以千计的对Anthopleura海葵的地理标记观察中，发现霓虹灯颜色的最高流行率是在北加州，高达10%的人口处于这种色调，而它们的丰度在圣地亚哥周围减少到不到1%。

这一切都始于一个惊人的观察

该研究项目的灵感来自2008年，当时加州大学圣克鲁斯分校退休教授约翰·皮尔斯（John Pearse）在探索蒙特利湾的潮汐池时，做出了深刻的观察：在成群结队的海葵中，只有一种具有充满活力的霓虹绿色。在第一次相遇之后，他多年来多次返回检查荧光生物，发现无论一年中的什么时候，尽管光照水平和潮汐条件发生变化，它仍然保持着醒目的颜色，这表明这种奇怪的颜色不是环境或外部因素的结果。

皮尔斯是海葵和其他海洋无脊椎动物生物学的著名专家，他很想知道更多关于霓虹绿海葵的信息——为什么它比生活在同一地点、同一岩石上的同一物种的其他物种（以及它是同一物种？）更具荧光？他寻求妻子薇姬·皮尔斯（Vicki Pearse）的帮助，后者是斯坦福大学霍普金斯海洋站（Hopkins Marine Station）的海葵专家，她和其他同事一起调查这个问题。约翰·皮尔斯（John Pearse）也是该研究的合著者，尽管他 在发表之前就去世了。

该研究的实地考察部分始于2016年，克拉克和皮尔斯从加利福尼亚州太平洋格罗夫霍普金斯海洋站附近的潮间带收集了霓虹灯和非霓虹灯色海葵的触手样本。然后，克拉克使用一套分子工具对荧光蛋白进行分离和测序。

在实验室中检查生物荧光

该研究的生物荧光部分由斯克里普斯海洋学海洋生物学家Dimitri Deheyn和Deheyn实验室的成员进行，该实验室专门研究生物体的光产生和光操纵。研究人员使用分光光度计对新鉴定的蛋白质进行了光谱分析，分光光度计是一种检查各种光谱中光特性的工具。

在许多物种中，颜色变化被认为是表型或可观察到的特征，源于多种饮食或对不同环境的适应等因素。例如， 暴露在较高光照下的物种通常表现出较深的色素沉着。 研究人员惊讶地发现，这些海葵中的颜色变化不被认为是表型性状，而是一种基因型性状，与一种特定的荧光蛋白基因有关。

“这是我们第一次观察到荧光蛋白决定海葵或任何海洋无脊椎动物物种的颜色，”该论文的资深作者Deheyn说。“颜色与一个非常特定的基因严格相关这一事实使其更加有趣，并挑战了大多数现场观察者所持有的假设。

荧光蛋白的保护作用

研究人员证明，海葵的荧光蛋白是强抗氧化剂，可以保护活细胞免受氧化应激。在人类中，xidative stress 会引发偏头痛，但食用蓝莓和黑巧克力等抗氧化剂可以帮助管理和预防这种压力。

“根据数据，我们认为荧光蛋白可以帮助海葵处理它们所经历的所有可变压力，并且它允许它们以一种解毒的方式基本上’清除光合作用反应的垃圾’，所以它不会伤害它们，”克拉克说。“荧光蛋白的这种双重作用 – 作为着色和细胞防御的代理 – 突出了海洋生物适应环境挑战的复杂方式。

据研究人员称，这项研究强调了公民科学的重要性，他们鼓励公众继续通过iNaturalist分享对霓虹绿海葵和其他形式的生物多样性的观察。

“多亏了公民科学家的奉献和努力，我们可以更深入地了解海葵的种群分布、这些生物的基因库等等，”Deheyn说。“每一次观察，无论看似多么渺小或微不足道，在扩展我们对自然世界的知识和欣赏方面都发挥着至关重要的作用。”

该研究的其他合著者是加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学的Evelien De Meulenaere，加州大学圣地亚哥分校生态学，行为与进化系的Noah Rose，以色列本古里安大学的Benyamin Rosental和斯坦福大学的Vicki Pearse。

该研究由空军科学研究办公室、美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（NSF GRFP）、欧盟地平线2020研究和创新计划以及以色列科学基金会资助。