重大突破！揭秘海葵鱼利用唾液酸代谢躲避海葵蜇刺的独特共生机制

为解开海葵鱼如何躲避巨型海葵蜇刺的谜题，冲绳科学技术大学院大学的研究人员开展相关研究，发现海葵鱼通过调节黏液中唾液酸水平避免被蜇。该成果对理解共生机制意义重大，推荐科研读者阅读。

　　

冲绳科学技术大学院大学（Okinawa Institute of Science and Technology）的研究人员 Natacha Roux 等人在《BMC Biology》期刊上发表了题为 “Anemonefish use sialic acid metabolism as Trojan horse to avoid giant sea anemone stinging” 的论文。这项研究在海洋生物共生关系领域意义重大，它为揭秘小丑鱼（即海葵鱼，Anemonefish）与巨型海葵之间独特的共生机制提供了关键线索，有助于人们更深入理解海洋生态系统中物种间的相互作用。

研究背景

共生，作为不同物种间亲密的长期关联，存在互利共生、偏利共生和寄生等多种形式。小丑鱼与巨型海葵的共生关系堪称互利共生的典型代表。海葵凭借致命的触手为小丑鱼提供庇护，小丑鱼则通过攻击性行为击退海葵的捕食者。然而，小丑鱼能在海葵带刺的触手中安然无恙地生活，这一现象背后的机制却长期困扰着科学界。

此前，为了解开小丑鱼抵御海葵蜇刺的谜团，科学界提出了三种主要假说。其一，小丑鱼拥有比其他鱼类更厚的黏液层，这层黏液就像盾牌一样保护着它们；其二，小丑鱼在分子层面模拟海葵黏液的成分；其三，小丑鱼的黏液中缺乏触发海葵刺细胞（cnidocytes，内含释放神经毒素的刺丝囊 nematocysts）释放的物质。虽然有一些证据分别支持这些假说，但都不够充分，无法确凿地解释小丑鱼的独特生存能力。

5-N - 乙酰神经氨酸（Neu5Ac）属于唾液酸（sialic acids）的一种，唾液酸是一类酸性单糖，在众多生物过程中发挥着重要作用，比如介导配体 - 受体以及细胞间的相互作用。有研究发现，Neu5Ac 能刺激海葵触手中环磷酸腺苷（cAMP）的产生并激活钙通道，这暗示它可能在刺丝囊释放的化学敏化过程中扮演关键角色。而且，此前研究观察到小丑鱼黏液中缺乏 Neu5Ac，这使得研究人员推测，唾液酸在小丑鱼的保护机制中或许有着重要意义，并据此提出了四个预测。

研究方法

1. 样本采集：研究人员在法国班尤尔斯 - 叙尔 - 梅尔海洋站（Banyuls-sur-Mer Marine station）和冲绳科学技术大学院大学的养殖环境中，采集了 5 种小丑鱼（A. biaculeatus、A. clarkii、A. frenatus、A. ocellaris、A. percula）、1 种幼年时与海葵共生的雀鲷（Dascyllus trimaculatus）和 1 种非共生雀鲷（Acanthochromis polyacanthus）的黏液样本；同时，在法属波利尼西亚和冲绳的野外，采集了 7 种小丑鱼（A. chrysopterus、A. clarkii、A. frenatus、A. ocellaris、A. perideraion、A. polymnus、A. sandaracinos）、1 种共生雀鲷（D. trimaculatus 幼鱼及成鱼）和 3 种非共生雀鲷（Chrysiptera cyanea、Pomacentrus moluccensis、Chromis viridis）的黏液样本 。此外，还采集了小丑鱼 A. ocellaris 及 2 种非共生雀鲷 C. cyanea 和 C. viridis 的多个器官样本，包括黏液、皮肤、肌肉、肝脏、消化道和大脑。为研究小丑鱼幼体对海葵蜇刺的抗性变化，采集了不同发育阶段的 A. ocellaris 幼体；同时，采集了 4 种巨型海葵（Heteractis magnifica、Stichodactyla gigantea、Heteractis crispa、Entacmaea quadricolor）的黏液样本。
2. 实验分析：所有样本经冻干处理后，在 CHAPS 提取缓冲液中孵育，离心收集上清液，测定蛋白质浓度。随后，使与糖结合物相连的唾液酸在特定条件下释放出来，再将其与 1,2 - 二氨基 - 4,5 - 亚甲基二氧基苯二盐酸盐（DMB）进行偶联，最后通过液相色谱荧光检测器（LC - FLD）对结合 DMB 的唾液酸（DMB - Sia）进行分析。为探究小丑鱼幼体何时开始对海葵蜇刺产生抗性，将不同发育阶段的 A. ocellaris 幼体与巨型海葵 S. gigantea 的触手接触，记录其存活率。同时，对特定发育阶段的幼体进行唾液酸成分和含量测定。此外，研究人员还从已发表的转录组数据集中检索参与唾液酸代谢途径的 33 个基因在 A. ocellaris 幼体各发育阶段的表达水平。
3. 统计分析：运用 RStudio 软件对唾液酸水平数据进行分析。在多组数据比较时，根据数据特点选择单向方差分析（one - way ANOVA）并进行 Tukey HSD 事后检验，或采用非参数 Kruskal - Wallis 检验及两两 Wilcoxon 秩和检验；两组数据比较时，则选择参数检验（如 Student 检验）或非参数 Wilcoxon Mann - Whitney 检验 。

研究结果

1. 预测 1：小丑鱼黏液中唾液酸组成与雀鲷不同：对养殖和野生鱼类黏液样本的分析表明，共生鱼类（小丑鱼和幼年 D. trimaculatus）黏液中的唾液酸（尤其是 Neu5Ac）含量显著低于非共生雀鲷。例如，实验室养殖的小丑鱼和幼年 D. trimaculatus 黏液中的 Neu5Ac 含量低于 A. polyacanthus，且在小丑鱼和幼年 D. trimaculatus 黏液中未检测到脱氨唾液酸 Kdn，而在 A. polyacanthus 中可检测到。野生样本分析结果也证实了这一结论，并且发现未与海葵共生的实验室养殖鱼黏液中的唾液酸含量高于野生与海葵共生的鱼，但进一步研究表明海葵对 A. ocellaris 黏液中 Neu5Ac 的调节并无影响，这种差异可能由其他环境因素导致。
2. 预测 2：小丑鱼仅在黏液中降低唾液酸含量：对比 A. ocellaris 与非共生雀鲷不同器官中的唾液酸水平，发现 A. ocellaris 所有器官中的 Neu5Ac 水平均远高于其黏液中的水平，这表明唾液酸含量的降低仅特异性地出现在小丑鱼的黏液中，而在其他器官，包括皮肤中并不存在。而且，与非共生雀鲷的器官相比，A. ocellaris 某些器官中的 Neu5Ac 水平并非都更低。
3. 预测 3：变态发育过程中获得对蜇刺的抗性且与唾液酸含量相关：通过将不同发育阶段的 A. ocellaris 幼体与海葵触手接触实验发现，早期幼体（1 - 2 阶段）对海葵蜇刺极为敏感，存活率极低；从第 3 - 4 阶段开始存活率上升，到第 6 - 7 阶段达到 100%。第 4 阶段是变态发育的起始阶段，标志着幼体从海洋扩散阶段向珊瑚礁阶段过渡。同时，对 2、4、6 阶段幼体的唾液酸含量测定显示，仅检测到 Neu5Ac，且第 6 阶段的 Neu5Ac 含量显著低于 2、4 阶段。对参与 Neu5Ac 代谢的 33 个基因在幼体发育过程中的表达分析发现，在变态发育阶段，参与唾液酸去除的 3 个神经氨酸酶基因（neu1、neu3、neu3.1）表达增加，这表明唾液酸的去除是一个在变态发育过程中建立的主动过程，有助于幼体安全进入海葵。
4. 预测 4：海葵黏液中唾液酸水平低：对 4 种巨型海葵黏液样本的分析显示，未检测到显著量的 Neu5Ac、Neu5Gc、Kdn 或其他类型的唾液酸，仅检测到一些可能是唾液酸的信号，但强度低于检测阈值。这表明海葵黏液中缺乏唾液酸，可能与海葵避免自身蜇刺的保护机制相关，而小丑鱼可能利用了这一机制来避免被蜇。

研究结论与讨论

研究结果有力地支持了小丑鱼通过主动降低黏液中唾液酸水平，尤其是 Neu5Ac 水平，来避免触发海葵刺丝囊释放，从而在海葵触手中安全生活的假说。这一发现揭示了小丑鱼与海葵共生关系中关键的保护机制，具有重要的科学意义。

研究表明，小丑鱼在幼体发育过程中逐渐获得对海葵蜇刺的抗性，这一过程与 Neu5Ac 水平的下降呈负相关。刚孵化的 A. ocellaris 幼体对海葵蜇刺高度敏感，随着发育，存活率逐渐上升，而 Neu5Ac 水平逐渐降低。同时，研究还证实了小丑鱼黏液中唾液酸水平的降低是组织特异性的，仅在黏液中出现，其他器官不受影响，这体现了生物体内唾液酸表达的精细调控。

此外，海葵黏液中也缺乏唾液酸，这暗示海葵可能利用这一特性避免自身蜇刺，而小丑鱼则像 “特洛伊木马” 一样，利用了海葵的这一机制进入海葵触手。不过，小丑鱼降低黏液中唾液酸含量的具体机制仍不明确，可能涉及多种因素。一方面，在小丑鱼进化辐射的基础上，一些正向选择的基因可能发挥作用，如 versican 核心蛋白（vcan）和 O - GlcNAc 转移酶（ogt）。vcan 基因在小丑鱼皮肤中的表达可能通过结合 N - 乙酰化糖，使其避开海葵的化学感受器，从而防止刺丝囊释放；ogt 基因则可能参与切割细胞表面分子上的 N - 乙酰化糖，但目前其在皮肤变态发育过程中的表达调控机制尚不清楚。另一方面，参与唾液酸生化过程的基因，如唾液酸转移酶和神经氨酸酶的组织特异性调控，以及与海葵接触后微生物群的变化，都可能对小丑鱼黏液中唾液酸含量产生影响，这些都为后续研究提供了方向。

值得注意的是，幼年和成年的 Dascyllus trimaculatus 黏液中也含有低水平的唾液酸，尽管它与小丑鱼亲缘关系较远，但这一现象表明在避免海葵刺丝囊释放方面，它们可能存在趋同进化。此外，还有许多其他鱼类和无脊椎动物与海葵存在关联，它们是否也利用类似机制避免被蜇，有待进一步研究。这一研究为探索不同物种间的共生关系提供了新的视角，未来对这些物种的深入研究，有望揭示海洋生态系统中更多关于共生和趋同进化的奥秘。