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珊瑚礁是自然界极其宝贵的生态资源。珊瑚礁独特的海-陆-空三维结构使之能够很好地支撑多学科方向的海洋学科建设,并能自成体系——珊瑚礁系统科学。过去10多年来,我国珊瑚礁学科快速发展,在宏观与微观生态学、生态灾害监测与预警、珊瑚有性与无性繁殖、珊瑚礁区碳与氮循环、珊瑚礁区新污染物、珊瑚礁地貌与地质、珊瑚高分辨率环境记录及珊瑚礁工程应用等多方面均取得显著进展。本文粗略整理了相关研究进展以阐述珊瑚礁系统科学的基本内涵,呼吁建设、完善珊瑚礁系统科学,充分利用珊瑚礁的资源优势,服务海洋强国建设。

珊瑚礁生态系统具有重要的生态和社会经济价值,然而受到全球气候变化和人类活动影响,其退化态势持续加剧。光学遥感凭借大范围、高时效和低成本等优势,已成为珊瑚礁生态系统监测的重要技术手段。本文从地形(水深)、底质、水质(叶绿素a质量浓度、水体透明度)和珊瑚礁生态状况四个方面综述浅海珊瑚礁遥感监测的研究进展,梳理其理论基础、模型演进与应用进展,厘清其从物理机理创新到“机理+数据”双驱动的发展脉络与方法谱系。在此基础上,进一步总结当前研究在多参数协同反演、跨区域泛化能力和长期动态监测等方面的关键挑战,展望物理机理约束、人工智能融合和多源观测协同等重点发展方向,为未来珊瑚礁智能化遥感监测与生态保护等研究提供参考。

南海是我国重要的珊瑚礁分布区,也是新污染物输入和累积的高风险海域。近年来,新污染物(emerging contaminants, ECs,主要包括持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素及微塑料等)已在南海及其沿岸海域普遍检出,并对珊瑚礁生态系统构成潜在威胁。然而,对于ECs如何通过干扰珊瑚共生体的关键生理过程,进而改变其碳循环功能,仍缺乏系统性认识。本文系统综述了南海ECs污染现状,重点评述了其对珊瑚共生体光合作用、呼吸作用、钙化过程及微生物过程等关键碳循环环节的影响。综合现有研究发现,ECs可通过抑制虫黄藻光合固碳、增强异养呼吸、干扰钙化及改变微生物群落结构与代谢功能,削弱珊瑚共生体的碳汇功能,甚至在特定条件下促使其由碳汇向碳源转变。总体来看,ECs对珊瑚共生体碳代谢的影响具有多过程耦合性和功能累积效应,可能对珊瑚礁碳汇功能及其潜在蓝碳属性的长期稳定性产生不利影响。本文在总结现有认识的基础上,进一步提出未来研究中亟需关注的方向,如ECs长期暴露效应、多过程耦合机制及其对珊瑚礁碳汇功能的综合影响,为南海珊瑚礁生态保护与碳汇功能维持提供科学参考。

随着气候变化加剧与珊瑚礁生态系统退化,表观遗传调控在造礁石珊瑚快速响应及适应环境胁迫中的作用日益凸显,其对筛选强抗逆性的“超级珊瑚”株系、珊瑚礁生态修复以及珊瑚礁稳定性与演变趋势评估至关重要。本文综述了造礁石珊瑚表观遗传学的国内外研究进展,包括:1)造礁石珊瑚主要表观修饰类型的特点与功能;2)造礁石珊瑚表观遗传研究方法与技术手段(全基因组亚硫酸氢盐测序、转录组测序);3)造礁石珊瑚响应环境胁迫(高温、酸化、富营养化和细菌感染)的表观遗传调控及其跨代遗传潜力。总体而言,造礁石珊瑚DNA甲基化水平较低,但其可通过对能量输运、信号传导、组织生长、生物矿化、共生体转运以及免疫调节等关键功能基因进行修饰与重编程,实现对珊瑚表型与适应性的调控。因此,DNA甲基化是珊瑚响应全球变化的重要分子调控机制,并具备驱动珊瑚种群“代内-代间-跨代”表观遗传适应的潜能。而造礁石珊瑚组蛋白变体及修饰丰富多样,其和非编码RNA、染色质可及性在珊瑚响应环境胁迫时的表观遗传调控机制尚待深入研究。基于上述研究进展,本文结合我国南海造礁石珊瑚分子生态背景提出以下研究方向:1)开展基于南海造礁石珊瑚的多物种、多世代、多时序、多元生境与胁迫的表观遗传调控研究;2)探索南海造礁石珊瑚RNA修饰与染色质三维结构在其环境表型可塑性中的生态作用;3)开展南海环境抗逆性珊瑚的表观修饰优质性状挖掘及育种应用研究。

气候变暖引发的珊瑚热白化死亡事件是全球珊瑚大规模衰退的重要驱动因素,准确认识珊瑚的高温适应性对预测珊瑚礁生态系统在未来气候变化下的响应至关重要。尽管珊瑚成体经短期高温驯化后常表现出热耐受性增强的现象,但在其脆弱敏感的浮游幼体阶段,热驯化是否能产生类似的正向效应仍不明确。本研究以排卵型指形鹿角珊瑚(Acropora digitifera)的非共生态(不含虫黄藻)浮浪幼虫为对象,探究了热驯化处理(32 ℃,4 d)对其存活率和呼吸速率的影响,并通过交叉暴露实验进一步分析热驯化对幼虫高温耐受能力的影响。结果表明,热驯化未显著改变幼虫的存活率,但显著降低了其呼吸速率;在极端高温(34 ℃)胁迫下,驯化和未驯化幼虫的存活率均显著降低且二者间无显著差异;驯化幼虫的呼吸速率在常温和高温下均显著降低,表明其发生了代谢抑制。综上,短期热驯化并不能提升指形鹿角珊瑚浮浪幼虫的高温耐受能力,反而诱发了幼虫的代谢抑制,这可能对幼虫后续高耗能的生命过程(如附着变态)产生潜在负面影响。上述结果为客观评估珊瑚早期生活史阶段的高温驯化适应潜力提供了重要科学依据。

美丽鹿角珊瑚(Acropora muricata)具有分枝状结构,生长速度快,可增加珊瑚礁生境的结构复杂度,是珊瑚礁生态修复的重要候选物种。然而,该物种对高温胁迫较为敏感,易在海洋热浪等极端高温事件中发生白化甚至死亡,制约了其修复应用的稳定性与可持续性。本研究以采自潮下带的美丽鹿角珊瑚为实验材料,将其置于潮间带岩石池自然波动环境中开展为期14 d的驯化处理;随后开展室内高温胁迫对照实验,系统解析驯化组与未驯化组珊瑚的表型特征及生理生化响应差异。结果显示,两组珊瑚对高温胁迫的响应模式一致,均出现白化现象,虫黄藻密度与叶绿素a含量降低,抗氧化酶活性、丙二醛含量上升;但相较于未驯化组,驯化组珊瑚生理状态更佳,抗氧化能力更强,其虫黄藻密度、叶绿素a含量、过氧化氢酶活性和超氧化物歧化酶活性分别较未驯化组高21.48%、37.20%、45.09%和60.26%。综上,自然波动环境驯化可提升美丽鹿角珊瑚-虫黄藻共生体系的稳定性,减轻高温胁迫诱导的生理损伤,增强珊瑚抗氧化能力,从而提高珊瑚耐热性。

卷曲黑星珊瑚(Oulastrea crispata)为广布型造礁石珊瑚,对多种环境胁迫具有较强的适应能力,但现有研究中对该适应性机制的认知仍较匮乏,尤其缺乏其作为宿主的遗传背景系统性分析。本研究采用高温诱导珊瑚白化的方法,获得低共生藻背景的珊瑚组织,基于Illumina HiSeq^TM高通量测序平台开展珊瑚转录组测序与生物信息学分析,在数据质量评估的基础上,系统鉴定EST-SSR位点,开发EST-SSR分子标记。结果显示,所有样本的碱基Q30占比(96.32%)满足高质量测序标准,组装共得到594 447条非冗余基因序列(unigenes),转录本N50长度达1 699 bp,表明转录组数据质量良好;从87 979条unigenes中鉴定获得101 034个EST-SSR位点,其中单核苷酸与三核苷酸重复为优势基序类型,且EST-SSR重复次数随基序长度的增加呈递减趋势;多数据库联合功能注释显示,EST-SSR位点显著富集于涉及环境信息处理的相关功能基因中,提示EST-SSR标记关联基因与珊瑚环境胁迫响应的核心生理机制密切相关。本研究构建的EST-SSR标记体系可作为优质候选遗传标记库,不仅为解析卷曲黑星珊瑚种群的环境适应潜力与进化机制提供重要分子工具,也为珊瑚种群遗传学分析、跨纬度适应性研究及珊瑚礁资源保护修复提供科学参考。

环境DNA(eDNA)宏条形码技术作为一种新兴工具,已被广泛应用于海洋生物多样性调查与研究。但受引物特异性不足、珊瑚分子参考数据库准确性有限等因素制约,该技术在珊瑚多样性监测中的应用效果仍有待系统评估。本研究采用CoralITS2、CoralITS2_acro与12S三对引物,对珊瑚属组成明确的养殖珊瑚体系开展eDNA宏条形码检测,探究不同引物单独使用或组合联用对造礁珊瑚属级分类多样性的检出差异与应用效果。结果显示,CoralITS2与12S引物均可检出19个隶属于石珊瑚目的珊瑚属,而CoralITS2_acro引物仅检出11个属,不同引物的物种检测结果存在明显互补性。多引物联用扩增共计检出27个石珊瑚目下的珊瑚属,覆盖体系内实际珊瑚属总数的87.5%。相较于单一引物检测,多引物联用能够有效缩小生物检测盲区、显著提升造礁石珊瑚属级类群的检出率。多引物联用策略可有效优化造礁石珊瑚群落的eDNA监测方案,是提升珊瑚群落调查完整性与准确性的有效手段。本研究同时发现,eDNA测序注释结果中出现6个研究体系内未实际分布的珊瑚属,表明该技术存在一定的假阳性风险。后续可通过完善本地造礁珊瑚参考序列数据库、构建标准化的多引物联合扩增分析流程,进一步提升eDNA宏条形码技术在珊瑚多样性监测中的精准性和可靠性。

珊瑚骨骼稳定碳同位素(δ¹³C_s)是记录过去环境变化的重要指标,已广泛应用于不同时间尺度的气候环境重建。然而,δ¹³C_s的主控因素目前仍存争议,特别是珊瑚营养模式与光合、呼吸作用强度的季节差异对δ¹³C_s的调控机制尚不明确。本研究以2023年10月(秋季)和2024年4月(春季)采自广西涠洲岛的澄黄滨珊瑚(Porites lutea)为研究对象,综合运用同位素地球化学指标并结合生理参数与环境参数开展分析。结果显示,与春季相比,秋季虫黄藻密度、叶绿素a含量、虫黄藻同位素(δ¹³C_z)、总光合速率/总呼吸速率比值(P/R)、宿主有机质碳同位素(δ¹³C_h)以及宿主有机质碳同位素与虫黄藻碳同位素的差值(Δ¹³C_h-z)均相对较低,表明秋季共生虫黄藻密度降低、光合作用减弱,珊瑚异养贡献占比上升;而春季随着虫黄藻密度回升,光合作用增强,异养贡献占比相应降低。珊瑚骨骼δ¹³C_s值与虫黄藻密度、δ¹³C_z均呈正相关关系,且其季节性差异与Δ¹³C_h-z值及P/R的变化一致,表明珊瑚自养/异养比例及P/R比值是驱动δ¹³C_s季节差异的关键因素。因此,在基于δ¹³C_s的古环境重建研究中,应考虑珊瑚共生体自身光合作用/呼吸作用变化对δ¹³C_s的影响。

冷水竹节珊瑚钙质(方解石质)骨骼的稳定碳-氧同位素可作为古海水温度计,然而其同位素分馏机制尚不明确,制约了该指标的古环境重建精度和应用范围。本研究通过测定南海竹节珊瑚骨骼的碳-氧同位素组成,发现其拟合线斜率与已报道的太平洋竹节珊瑚一致。基于前人针对文石质冷水石珊瑚建立的钙化动力学模型,对方解石质竹节珊瑚的钙化过程进行模拟,结果表明:在钙化过程中,方解石质竹节珊瑚的碳酸酐酶(CA)活性显著低于文石质冷水石珊瑚,且其活性在珊瑚的生命历程中波动较大。根据同位素分馏通量平衡模型分析发现,竹节珊瑚骨骼的碳-氧同位素组成主要受控于溶解态CO₂〔CO₂(aq)〕羟基化和水合反应引起的动力学分馏,而跨细胞膜CO₂(aq)通量导致的平衡同位素分馏对碳同位素分馏的贡献不超过50%。该认识有助于校正同位素生命效应对竹节珊瑚古海水温度重建结果的影响。

珊瑚礁作为海龟的重要栖息地,为其提供关键的庇护所与觅食场。在人类活动与自然压力的叠加影响下,全球珊瑚礁生态系统正面临严重退化。本研究在广东惠东海龟国家级自然保护区及周边海域布设33个站位开展造礁石珊瑚群落调查。调查共记录造礁石珊瑚8科14属32种(包括4个未定种),平均覆盖率15.94%,以澄黄滨珊瑚、多孔同星珊瑚等团块状的压力耐受型物种为主。小星山-圣告岛海域为造礁石珊瑚核心分布区,平均覆盖率为22.53%,共记录物种27种;而平海湾、红海湾海域的造礁石珊瑚受沿岸排污、水产养殖及旅游活动等多重人为干扰,群落结构简单。建议加强对小星山和圣告岛珊瑚群落的保护,严格管控周边养殖与旅游活动,通过基于生态功能分区的差异化保护策略,实现海龟栖息地与珊瑚礁生态系统的协同保护与可持续管理。

草皮海藻对珊瑚生长的不利影响日益严重,然而草皮海藻竞争作用影响珊瑚健康的微生物机制尚不明确。本研究基于高通量测序,分析了涠洲岛珊瑚礁区草皮海藻接触对澄黄滨珊瑚(Porites lutea)细菌群落多样性、组成与基因功能的影响。结果显示,草皮海藻细菌群落α多样性显著高于健康珊瑚,与草皮海藻接触会显著增加珊瑚细菌群落α多样性,并促使珊瑚细菌群落组成趋同于草皮海藻。差异性分析显示,相较于健康珊瑚,接触草皮海藻的珊瑚组织中假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas)、内共生单胞菌属(Endozoicomonas)、鲁杰氏菌属(Ruegeria)及罗尔斯通氏菌属(Ralstonia)等优势共生有益菌相对丰度显著下降,而伍斯氏菌属(Woeseia)等潜在致病菌及部分致病性未知细菌的相对丰度则显著上升。此外,基于 PICRUSt2 预测的 KEGG 二级功能水平分析显示,草皮海藻接触分别造成珊瑚细菌能量代谢功能基因相对丰度显著上升、脂质代谢功能基因相对丰度显著下降。综上所述,草皮海藻接触促使珊瑚细菌群落多样性趋同于草皮海藻,减少珊瑚共生有益菌丰度、增加机会性病原体丰度,并加剧珊瑚细菌能量代谢、减少能量代谢底物来源,这些改变共同构成了草皮海藻影响珊瑚健康的潜在微生物机制。

褐带背鳃海蛞蝓(Phestilla fuscostriata)是专性捕食十字牡丹珊瑚的裸鳃类软体动物。本研究通过显微观察和生理生化分析,对褐带背鳃海蛞蝓的早期发育特性及其有效防治方法进行了研究。结果表明,在水温26 ℃条件下,褐带背鳃海蛞蝓胚胎从受精卵开始,依次经历卵裂期、囊胚期、原肠期、膜内担轮幼虫期和膜内面盘幼虫期,受精后168 h完成孵化。随后的防治试验发现,大蒜素的杀灭效果好,甘草提取物的去除效果好,且二者对十字牡丹珊瑚均安全、无毒副作用,推荐作为防治褐带背鳃海蛞蝓的有效药物。本研究结果可为褐带背鳃海蛞蝓的繁殖生物学研究提供基础资料,并对开发绿色高效的食珊瑚海蛞蝓防治策略具有重要的借鉴意义。

长棘海星(Acanthaster solaris)摄食珊瑚,其种群暴发会直接降低活珊瑚覆盖度,严重影响珊瑚礁生态系统的稳定性。海洋生物的重金属富集是人为干扰海洋生态的重要标志,但目前关于长棘海星重金属富集组织特征及空间差异的研究尚不多见。本文开展了南海西沙群岛与南沙群岛珊瑚礁区长棘海星不同组织重金属特征的对比研究,发现:相较于南沙群岛,西沙群岛样品重金属含量整体更高,钒(V)和镉(Cd)的区域差异最显著(p<0.05),西沙群岛V、Cd含量分别为南沙群岛的1.73~4.79倍、1.33~3.64倍;西沙群岛珊瑚礁区采集的长棘海星重量、辐径和腕长显著高于南沙群岛(p<0.001);长棘海星重金属富集特征具有组织相似性,聚类分析可将其划分为两个类别:骨骼、体壁、棘刺为一类,胃、幽门盲囊和生殖腺为另一类;各组织V、Mo含量与个体重量、辐径呈显著负相关(p<0.01),骨骼中Pb与重量呈显著正相关(p<0.05)。南海长棘海星重金属富集的区域特征与水体重金属“近岸高、远海低”的空间分布格局相符,能够反映海域环境背景及人为干扰的差异,为认识南海珊瑚礁区长棘海星的环境指示意义提供参考。

珊瑚礁潟湖沉积物是重建过去风暴活动的理想载体。本文选取南海黄岩岛潟湖钻孔岩心HYDS1(长255 cm)开展研究。基于7个层位有孔虫AMS¹⁴C测年数据建立沉积年代框架,并通过510个沉积物样品获得高分辨率连续粒度序列;以粒径≥2 mm粗粒组分含量峰值、珊瑚枝与贝壳砾石为强风暴识别指标,重建黄岩岛潟湖的古风暴活动序列。结果表明:HYDS1岩心底部年代为966 CE(以1950 CE为基准),岩心保存了近千年来的沉积记录;依据≥2 mm粗粒组分含量垂向变化特征,共识别出12次强风暴事件,其中包含5次超强风暴,分别发生于1189—1199 CE、1538—1547 CE、1760—1769 CE、1851—1859 CE以及1988—1996 CE;1511—2015 CE为风暴高活跃时段,且近千年来区域风暴活动整体呈增强趋势。

深层珊瑚礁灰岩作为岛礁工程的主要承载介质,其内部发育的多尺度孔隙是引发岩体强度衰减和损伤区破坏特征难以预测的关键因素。本文基于高精度CT扫描和数字图像分析技术,对格架型、砾块型、砾屑型与砂屑型四类典型的深层珊瑚礁灰岩进行三维结构重构与参数化分析。结果表明,孔隙体积、表面积、形状因子与长轴等参数均呈右偏分布,指示小尺寸孔隙分布频率高,而介观-宏观孔隙分布频率低但力学影响显著。孔隙的3条主轴长度间表现为高度正相关,表明侵蚀和溶蚀等成岩过程对孔隙的塑造具有等比例缩放的特性。基于孔隙扰动应力场的叠加准则,构建了一种同时考虑应力衰减与孔隙尺度效应的复杂网络模型,并以加权度与中介中心度识别对力学性能起控制作用的关键孔隙,研究成果可为深层珊瑚礁灰岩力学劣化机理研究提供新的见解。