Direct observation and quantitative characterization of chemotactic behaviors in Caribbean coral larvae exposed to organic and inorganic settlement cues：为珊瑚礁修复带来新曙光

《Scientific Reports》：Direct observation and quantitative characterization of chemotactic behaviors in Caribbean coral larvae exposed to organic and inorganic settlement cues

为解决珊瑚礁修复中对化学诱导因素了解不足的问题，研究人员开展加勒比珊瑚幼虫趋化行为研究，发现幼虫对不同化学物质有不同反应，有助于优化修复策略。

　　在神秘的海洋世界里，珊瑚礁犹如一座 “海底城市”，为无数海洋生物提供了栖息之所，是海洋生态系统的重要基石。然而，如今这座 “城市” 却面临着前所未有的危机。气候变暖、海洋污染等因素，让珊瑚礁陷入了困境，珊瑚白化、栖息地退化等问题频发，严重威胁着珊瑚礁生态系统的稳定。而珊瑚幼虫在珊瑚礁的恢复和发展中扮演着关键角色，它们从水中寻觅合适的栖息地并定居下来，是珊瑚礁繁衍的重要环节。但目前，人们对影响珊瑚幼虫定居的化学信号了解有限，海洋环境复杂多变，化学梯度不断波动，这些都增加了研究的难度。为了深入了解珊瑚幼虫的定居机制，从而为珊瑚礁修复提供有力支持，来自美国伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校、荷兰阿姆斯特丹大学、美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校等多个研究机构的研究人员开展了相关研究，该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，从加勒比地区的珊瑚（Colpophyllia natans 和 Orbicella faveolata）采集配子并培育幼虫。接着，制作了由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的微流体通道用于实验。在实验过程中，将珊瑚幼虫和不同的化学物质（CaCl₂、MgCl₂、SrCl₂以及 Crustose Coralline Algae Exudates，即 CCA exudates）放入微流体通道，通过摄像设备记录幼虫在 30 分钟内的运动轨迹。最后，利用 MATLAB 中的粒子跟踪算法对图像进行分析，计算幼虫的质心、位置、速度等参数，以此来研究幼虫的趋化行为。

研究结果如下：

1. 化学信号对幼虫迁移指数（MI）的影响：珊瑚幼虫对不同化学物质表现出吸引（MI>0.5）、排斥（MI<0.5）或中性（MI~0.5）的行为反应，且这些反应具有时间依赖性。例如，Ca²⁺在 50× 浓度时，能吸引 C. natans 和 O. faveolata 幼虫，使其 MI 值升高；Mg²⁺在 10× 浓度时，则会引起幼虫排斥，MI 值降低；而 CCA exudates 对两种珊瑚幼虫均有强烈的吸引作用，且能使幼虫持续聚集在注射点附近。
2. 化学信号对幼虫游泳速度的影响：不同化学信号会改变 C. natans 幼虫的游泳速度。10×Mg²⁺处理下，通道中心的幼虫比对照组游得快，两端的则较慢；50×Ca²⁺处理时，幼虫在高浓度区域游泳速度降低，随着 Ca²⁺扩散，浓度降低后速度又有所回升；CCA exudates 处理后，幼虫整体游泳速度减慢，且在整个观察期内保持较低速度。
3. 化学信号对幼虫轨迹直线度的影响：C. natans 幼虫在接触 50×Ca²⁺和 CCA exudates 时，游泳轨迹的直线度会发生变化。通过计算轨迹的曲折度（Tortuosity）发现，50×Ca²⁺处理下，幼虫在化学注射端附近转弯增多；CCA exudates 处理时，幼虫在整个通道内都呈现出更多的转弯行为，且速度较慢。
4. 化学信号对幼虫形状的影响：C. natans 幼虫在接触化学信号时会发生形状变化。暴露于 50×Ca²⁺时，幼虫长度会迅速缩短，之后随着时间逐渐恢复；而接触 CCA exudates 时，幼虫会伸长，且在 30 分钟的实验过程中保持较长较细的形状。

研究结论和讨论部分表明，不同种类的珊瑚幼虫对 Ca²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺和 CCA exudates 等化学信号的反应存在差异，这些差异体现在吸引或排斥行为、游泳速度和轨迹的改变以及形态变化等方面。CCA 作为已知的珊瑚幼虫定居促进剂，在本研究中对两种珊瑚幼虫都表现出强烈的吸引作用。而无机离子的作用则较为复杂，不同离子在不同浓度下对幼虫产生不同影响。例如，Ca²⁺的吸引作用具有浓度依赖性，高浓度时吸引作用更强；Sr²⁺低浓度吸引、高浓度排斥；Mg²⁺通常引起排斥反应。这些研究结果为珊瑚礁修复提供了重要的理论依据。通过了解珊瑚幼虫对不同化学信号的响应机制，研究人员可以设计出更有效的人工基质，释放特定的离子或模拟自然信号，吸引珊瑚幼虫定居，提高珊瑚礁的修复效率。同时，这也有助于深入理解海洋生物与化学环境之间的相互作用，为海洋生态系统的保护和管理提供新的思路和方法。