近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室胡超群研究員帶領(lǐng)的研究團隊，在海參敵害防御機制研究方面取得了突破性進展，成功破解了海參“吐絲”之謎。該研究揭示了玉足海參居維氏器防御敵害的物質(zhì)基礎(chǔ)、感知過程與噴射機制，相關(guān)研究成果 “The Holothuria leucospilota genome elucidates sacrificial organ expulsion and bioadhesive trap enriched with amyloid-patterned proteins”于2023年4月10日發(fā)表在國際著名期刊《美國科學(xué)院院報》（PNAS）。
“吐絲”是許多熱帶海參遭到敵害威脅時，從肛門處噴出絲狀小管并黏附纏繞捕食者的一種防御機制（圖1）。海參噴出的小管被稱為“居維氏器”，最早由法國古生物學(xué)家喬治·居維葉在1831年首次描述并以其名字命名。然而，190多年以來，居維氏器的成分及其黏性產(chǎn)生的機制一直是未解之迷。
圖1 玉足海參對梭子蟹噴射居維氏器（“吐絲”）
胡超群研究團隊以廣泛分布于印度-西太平洋熱帶海域的一種居維氏器發(fā)達的玉足海參（Holothuria leucospilota）為研究對象，發(fā)現(xiàn)玉足海參的居維氏器在粘附和纏繞敵害時，其外層間皮層和中層結(jié)締組織層分別提供粘性和韌性的作用。通過染色體級的高精度基因組測序，發(fā)現(xiàn)居維氏器外層的黏性蛋白具有長串聯(lián)重復(fù)序列，與蜘蛛和家蠶的絲蛋白類似；該類蛋白的結(jié)構(gòu)為交叉-β結(jié)構(gòu)，與人類阿爾茨海默癥、帕金森癥等疾病的致病性淀粉樣蛋白相似（圖2）。
圖2 海參居維氏器淀粉樣模式蛋白的序列與結(jié)構(gòu)特征
研究結(jié)果表明，玉足海參利用瞬時受體電位通道（TRPC）感受捕食者施加的機械壓力，并通過釋放乙酰膽堿信號刺激居維氏器排出（圖3）。在進化過程中，玉足海參基因組的3號和12號染色體集中形成了多個新基因，這些新基因使得居維氏器能夠接收乙酰膽堿信號，并生成淀粉樣黏性蛋白。
圖3：乙酰膽堿刺激玉足海參居維氏器噴射
該科學(xué)發(fā)現(xiàn)闡釋了海參“吐絲”的御敵行為機制，在研發(fā)提高人工增養(yǎng)殖海參適應(yīng)能力的技術(shù)方面具有重大潛在應(yīng)用價值，也為新型仿生水下黏合材料的研發(fā)提供了新思路。
中國科學(xué)院南海海洋研究所陳廷副研究員和任春華研究員等為論文共同第一作者，陳廷副研究員和胡超群研究員為本文通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項等項目的聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2213512120。
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