热带海洋通常营养不良，但它们拥有由共生刺胞动物(包括珊瑚和海葵)建造的巨大的生物多样性珊瑚礁生态系统。这种明显的矛盾被称为达尔文悖论，自从查尔斯达尔文于1842年首次描述它以来，一直困扰着科学家。
现在，由KAUST研究人员领导的一项发表在《科学进展》杂志上的国际研究表明，海葵Aiptasia如何分配它从共生体中获得的糖分，以在其全身有效地回收氮废物，使其能够在营养贫乏的环境中茁壮成长。
“许多以前的研究都集中在海洋环境上，以发现有限的营养物质来自哪里——尤其是非常稀缺的氮，”在曼努埃尔·阿兰达的监督下从事该项目的研究科学家崔国新说。
“一些基于珊瑚的研究假设珊瑚藻共生产生了这些生态热点。然而，使刺胞动物能够建立这些庞大生态系统的潜在分子机制仍然难以捉摸，”崔说。
崔对检查组织水平的共生关系特别感兴趣。刺胞动物具有简单的组织结构，由两个主要细胞层组成：胃真皮和表皮。只有内层，胃皮，与藻类形成细胞内关系。
首先，该团队采用激光显微切割技术分离Aiptasia的两个组织层并研究组织特异性基因表达。使用新兴的单细胞RNA测序技术，他们研究了与精细细胞尺度的共生相关的RNA转录谱。这是此类技术首次被用于研究海葵的共生关系。
该方法使研究人员能够识别参与氮同化的关键转运蛋白，然后使用抗体染色来追踪这些营养转运蛋白在海葵中的定位。
“我们发现海葵改变了营养转运蛋白的表达和定位，以将它从共生体接收到的葡萄糖分配到所有组织中，”阿兰达说。“它利用大部分体重来回收产生的氮废物，同时处理环境中可用的任何铵。”
崔指出，这种共生关系将整个生物体变成了一个氮同化器。“这挑战了人们普遍认为藻类是氮同化的唯一参与者;海葵在回收这种稀缺养分方面也起着重要作用。它们形成了一个不可分割的元生物。”
该团队希望这项研究为创造更好的选择性育种方法提供基础，并可能为保护珊瑚礁生态系统的努力提供信息。他们正在扩大他们的研究，以检查不同刺胞动物类群和生态环境之间的共生关系。