近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室胡超群研究员带领的研究团队，在海参敌害防御机制研究方面取得了突破性进展，成功破解了海参“吐丝”之谜。该研究揭示了玉足海参居维氏器防御敌害的物质基础、感知过程与喷射机制，相关研究成果 “The Holothuria leucospilota genome elucidates sacrificial organ expulsion and bioadhesive trap enriched with amyloid-patterned proteins”于2023年4月10日发表在国际著名期刊《美国科学院院报》（PNAS）。
“吐丝”是许多热带海参遭到敌害威胁时，从肛门处喷出丝状小管并黏附缠绕捕食者的一种防御机制（图1）。海参喷出的小管被称为“居维氏器”，最早由法国古生物学家乔治·居维叶在1831年首次描述并以其名字命名。然而，190多年以来，居维氏器的成分及其黏性产生的机制一直是未解之迷。
图1 玉足海参对梭子蟹喷射居维氏器（“吐丝”）
胡超群研究团队以广泛分布于印度-西太平洋热带海域的一种居维氏器发达的玉足海参（Holothuria leucospilota）为研究对象，发现玉足海参的居维氏器在粘附和缠绕敌害时，其外层间皮层和中层结缔组织层分别提供粘性和韧性的作用。通过染色体级的高精度基因组测序，发现居维氏器外层的黏性蛋白具有长串联重复序列，与蜘蛛和家蚕的丝蛋白类似；该类蛋白的结构为交叉-β结构，与人类阿尔茨海默症、帕金森症等疾病的致病性淀粉样蛋白相似（图2）。
图2 海参居维氏器淀粉样模式蛋白的序列与结构特征
研究结果表明，玉足海参利用瞬时受体电位通道（TRPC）感受捕食者施加的机械压力，并通过释放乙酰胆碱信号刺激居维氏器排出（图3）。在进化过程中，玉足海参基因组的3号和12号染色体集中形成了多个新基因，这些新基因使得居维氏器能够接收乙酰胆碱信号，并生成淀粉样黏性蛋白。
图3：乙酰胆碱刺激玉足海参居维氏器喷射
该科学发现阐释了海参“吐丝”的御敌行为机制，在研发提高人工增养殖海参适应能力的技术方面具有重大潜在应用价值，也为新型仿生水下黏合材料的研发提供了新思路。
中国科学院南海海洋研究所陈廷副研究员和任春华研究员等为论文共同第一作者，陈廷副研究员和胡超群研究员为本文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项等项目的联合资助。
相关论文信息：
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2213512120。
附件下载：