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        我院史大林教授團隊與合作者揭示海洋酸化對優勢固氮束毛藻抑制效應的主導機制

        2019年04月 3日 陳韜瀾 869

              4月3日,我院史大林團隊和海洋與地球學院羅亞威團隊合作,在海洋酸化對優勢固氮藍藻束毛藻影響的研究上取得重要進展,相關成果以Reduced nitrogenase efficiency dominates response of the globally important nitrogen fixer Trichodesmium to ocean acidification為題發表于Nature Communications(https://doi.org/10.1038/s41467-019-09554-7)。

               工業革命以來,海洋吸收了約三分之一人為排放的CO2,以迄今3億年來最快的速度酸化(CO2升高、pH下降),這勢必影響海洋生態系統的關鍵過程和功能。全球面積一半以上海洋的初級生產力受氮營養鹽缺乏的限制,而優勢固氮藍藻束毛藻是寡營養海區中氮的重要來源,可貢獻高達50%的海洋總固氮量。因此,束毛藻對海洋酸化的響應將可能顯著影響海洋的初級生產力和氣候調節功能。然而,國際上就酸化對束毛藻的影響存在截然相反的研究發現,且原因不明,這將影響對未來海洋碳、氮生物地球化學循環的準確認識和預測。

               針對這一備受關注卻懸而未決的科學問題,我院史大林教授在前期的研究中,首次發現了酸化抑制束毛藻的固氮作用,并且鐵限制條件將加劇該負效應(Shi et al. 2012 PNAS)。在進一步的研究中,史大林課題組與合作者發現,先前報道的酸化對束毛藻固氮的促進作用,很可能是因人工海水培養基受金屬和氨的污染所導致的假象(Shi et al. 2017 Science)。創新性地從區分海洋酸化過程中CO2上升和pH下降的雙重效應入手,研究團隊揭示了海水CO2升高的正效應小于pH下降的負效應,故酸化的凈效應為抑制束毛藻的固氮作用;這是因為酸化引起束毛藻胞質 pH下降,從而降低固氮酶效率、干擾胞內pH穩態、影響細胞產能;在室內工作的基礎上,進一步對南海寡營養海區天然束毛藻群落開展的原位實驗印證了上述研究發現(Hong et al. 2017 Science)。 

              近期,史大林研究團隊與海洋與地球學院副教授羅亞威博士緊密合作,在上述研究工作的基礎上,進一步系統地測定了固氮和光合系統蛋白的表達量及其含鐵量,建立了一個束毛藻的“資源最優化分配”細胞模型(圖1)。該模型模擬束毛藻胞內鐵和能量如何在無機碳吸收、光合作用、固氮作用、生命維持、對抗酸化協迫、鐵儲藏等各主要生理過程之間的最優化分配,以最大化其生長速率;并且模擬了海洋酸化對幾個主要生理過程的調控,包括CO2濃縮機制(CCM)耗能的減少、固氮酶效率的下降、抗酸化脅迫耗能的上升、以及鐵儲藏的減少。以胞內鐵水平以及海水pH和CO2濃度為輸入變量,該模型即可求解胞內鐵和能量的最優化分配以及對應的最大化生長和固氮速率。


        圖1. 固氮束毛藻的資源最優化分配細胞模型結構。

               研究發現,CCM耗能占細胞總耗能的比例非常小,因此CO2濃度上升導致的CCM下調所節約的能量對束毛藻生長及固氮的促進效應非常有限,這驗證了之前的實驗結果。此外,海洋酸化對束毛藻的影響主要在于固氮酶效率的下降和抗酸化脅迫能耗上升,二者均會對束毛藻的生長和固氮產生負效應,而其中起主導作用的為固氮酶效率的下降。研究進一步將細胞模型拓展到全球海洋,以地球系統模型模擬的RCP 8.5場景下本世紀海洋pH、CO2濃度和溶解鐵為輸入變量,估算得到的結果顯示全球海洋束毛藻的固氮潛力將在本世紀內平均下降27%,其中尤以鐵匱乏的東南和東北太平洋的下降比例最大(圖2)。

         圖2. 模型估算的本世紀內束毛藻固氮潛力的變化。

               本研究在細胞生理及分子生物學研究的基礎上建立了“資源最優化分配”模型,實現了實驗數據和數值模型的緊密結合:實驗數據是構筑模型的堅實基礎,并提高了模型的預測水平;通過模型模擬,加深了對實驗發現的認知,并對實驗結論進行了時空拓展。研究得到了國家重點研發計劃(2016YFA0601404 和2016YFA0601203)以及國家自然科學基金系列項目(41476093, 41721005, 41890802, 31861143022 和41376116)的資助。羅亞威博士和史大林博士為論文的共同第一作者和共同通訊作者,史大林課題組的洪海征教授、研究助理沈容和博士生張福婷為論文共同作者。論文的共同作者還包括美國佛羅里達州立大學助理教授Sven Kranz博士和喬治亞大學副教授Brian Hopkinson博士。

               羅亞威博士2010年獲美國布朗大學博士學位,之后在美國伍茲霍爾海洋研究所從事博士后研究,2013年回國加盟廈門大學近海海洋環境國家重點實驗室和海洋與地球學院。他的主要研究領域為通過數據分析和數值模型研究全球海洋生物地球化學循環、微生物生態以及其與氣候變化的關系。其研究主要專注于海洋異養微生物-溶解有機物動態過程、海洋固氮、海洋病毒生態以及相關的碳和氮循環。

               史大林博士于2011年獲美國普林斯頓大學博士學位,同年回國加盟廈門大學近海海洋國家重點實驗室和環境與生態學院。史大林博士自回國工作以來在“優秀青年科學基金”等項目資助下,以碳、氮及痕量金屬的海洋生物地球化學過程為研究重點,將其與浮游植物對全球變化的生理生態響應相結合,在海洋酸化對初級生產力的影響及其生物地球化學效應這一海洋全球變化研究的前沿焦點領域,開展了一系列創新性的工作,近年來已在Science、PNAS、Limnology and Oceanography等國際期刊上發表多篇論文。

         


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