石珊瑚再生动态的单细胞转录组深度解析：揭示快速生长与生物矿化的分子机制

　　为解决珊瑚礁生态系统因气候变暖导致的频繁白化问题，研究人员通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)、批量RNA测序(bulk RNA-seq)和高分辨率显微CT技术，系统研究了石珊瑚Acropora muricata在损伤后2-4周关键再生阶段的细胞分化与基因表达特征。研究发现表皮细胞分化为钙化细胞(calicoblast)的动态过程，并鉴定出Itm2b、Ca2+转运蛋白等关键分子标记，揭示了珊瑚通过短暂加速生物矿化实现损伤修复的机制。该研究为珊瑚移植保护策略提供了分子层面的理论支撑。

　　

珊瑚礁作为海洋中的"热带雨林"，正面临前所未有的生存危机。全球气候变暖导致的海水温度升高，使得珊瑚白化事件间隔从1980年代的25-30年缩短至如今的6年。更令人担忧的是，2009至2018年间全球珊瑚覆盖率下降了14%，相当于整个澳大利亚珊瑚礁的总量。在这种严峻形势下，珊瑚移植成为拯救珊瑚礁的重要手段，但移植珊瑚片段生长缓慢、难以快速形成抵御环境压力的体型，成为制约保护成效的关键瓶颈。

东南大学的研究团队在《Communications Biology》发表了一项突破性研究，他们发现石珊瑚Acropora muricata在损伤后的2-4周会出现一个生长爆发期。通过整合单细胞转录组测序、批量RNA测序和显微CT三维重建等技术，研究人员首次在单细胞分辨率下揭示了珊瑚再生的分子机制，发现表皮细胞向钙化细胞(calicoblast)的分化是驱动珊瑚快速再生的核心过程。

研究采用了多组学联用策略：从中国西沙群岛采集的Acropora muricata样本，在实验室模拟损伤后，分别在第0-39天进行时间梯度取样。通过10x Genomics平台完成9053个细胞的单细胞转录组测序，使用Seurat软件进行细胞聚类分析，并采用CellChat分析细胞间通讯网络。同时结合STEM软件进行时间序列基因表达模式分析，以及PacBio全长转录组测序验证。

形态学和高分辨率显微CT三维重建显示，珊瑚在损伤后15-27天出现最显著的再生现象。第21天的显微CT显示损伤部位出现明显的钙化物质沉积，到第28天时已基本恢复辐射对称结构。单细胞转录组分析鉴定出11种功能特异的细胞簇，包括胃层细胞、神经元、钙化细胞、共生细胞(含虫黄藻的细胞)、表皮细胞等。

差异基因表达分析发现，损伤处理组有536个显著差异表达基因(DEGs)。其中细胞外空间通路(GO:0005615)相关基因如Itm2b在7种细胞类型中显著上调。氧化还原酶基因如AOS-LOX、过氧化物酶(PXDN)等在表皮细胞中特异性上调，表明氧化应激反应在再生过程中起关键作用。而核糖体蛋白和延伸因子等相关基因在胃层细胞中显著下调，提示珊瑚可能通过暂时抑制蛋白质合成来优先满足再生能量需求。

细胞间通讯网络分析揭示，在再生过程中，钙化细胞与其他细胞类型的信号交流发生显著改变。层粘连蛋白(LAMC1)和血小板反应蛋白(THBS)信号通路活性降低，而胶原蛋白(COL1A2)信号从胃层细胞向钙化细胞的传递减弱。这些变化可能影响细胞外基质(ECM)重塑，进而调控再生过程。

伪时序分析显示，在正常发育过程中，表皮细胞会分化为两种钙化细胞亚型；而在再生过程中，更多表皮细胞倾向于分化为单一亚型的钙化细胞。早期钙化细胞高表达碳酸酐酶2(Ca²)、galaxin等生物矿化相关基因，而成熟钙化细胞则高表达基质金属蛋白酶(MMP24、MMP25)和组织金属蛋白酶抑制剂(TIMP1)等ECM重塑相关基因。

值得注意的是，单细胞水平发现的差异表达基因在批量RNA-seq数据中并未呈现一致的变化模式。例如，在损伤后第21天，单细胞数据中上调的生物矿化相关基因在批量数据中反而呈现下调趋势。这种差异反映了珊瑚再生过程中显著的细胞异质性，凸显了单细胞技术在解析复杂生物学过程中的独特优势。

该研究首次在单细胞层面绘制了石珊瑚再生的分子图谱，揭示了表皮细胞向钙化细胞分化的动态过程及其调控网络。研究发现珊瑚通过短暂激活生物矿化程序来实现快速再生，这为解释珊瑚微片段移植后出现的"生长爆发"现象提供了分子依据。特别是鉴定出的Itm2b、Ca²转运蛋白等关键分子标记，以及AOS-LOX等氧化应激通路，为开发珊瑚保护策略提供了潜在靶点。

这项研究的发现超越了基础认知层面，对珊瑚礁生态系统的保护和恢复具有重要指导意义。未来研究可进一步聚焦于关键基因的功能验证，并探索不同珊瑚物种再生机制的保守性与特异性。通过整合蛋白质组学和代谢组学等多组学数据，将有助于更全面地理解珊瑚应对环境压力的分子适应策略，为珊瑚礁保护提供更精准的干预手段。