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引言
1 正文
海洋浮游植物贡献了地球上约一半的初级生产力,驱动着海洋生物泵将碳从海洋上层向深层输出.氮是浮游植物生长所必需的元素,而海洋固氮蓝藻束毛藻是海洋生态系统中“新氮”的重要来源之一,可贡献高达50%的全球海洋总固氮量[1],对海洋初级生产力以及碳、氮生物地球化学循环起着至关重要的影响.工业革命以来,过度排放的CO2进入海洋引起酸化.海洋酸化对束毛藻固氮作用的影响,以及由此导致的碳、氮生物地球化学效应和气候效应,是国际海洋全球变化研究的热点.围绕该重大科学问题,近年来国际上开展了一系列研究,但至今尚无明确定论,基于此,史大林教授课题组开展了系统性的实验室和现场研究工作.
在束毛藻生活的寡营养海区,痕量金属铁是其生长和固氮作用最重要的限制因子之一.史大林教授课题组采用痕量金属洁净操作技术,以天然寡营养海水为培养基,通过区分海洋酸化过程中海水的CO2上升和pH下降的双重效应,发现CO2升高对束毛藻固氮的促进作用弱于海水pH下降对其的抑制作用,导致海洋酸化的净效应为抑制束毛藻固氮,且该负效应随着海水中铁浓度的下降而增强.研究结果表明,束毛藻细胞内pH随海水pH的下降而下降,束毛藻通过上调固氮酶的表达以应对由此引起的固氮速率降低,同时加大能量生产以维持细胞内的pH稳态.由于固氮酶合成和能量生产过程对铁的高度需求,所以铁限制条件加剧了酸化的负效应.在实验室研究基础上,史大林教授课题组依托国家自然科学基金共享航次,在国际上首次对铁限制下的天然束毛藻群落开展了酸化研究,通过在南海寡营养海区的现场痕量金属洁净受控培养实验,发现海洋酸化在降低束毛藻固氮速率的同时上调了束毛藻的固氮酶基因转录(图1),表明海洋酸化导致束毛藻的固氮效率下降,这与实验室的机制研究结果相吻合.
该成果近期于《Science》杂志在线优先发表[2],不仅揭示了海洋酸化对束毛藻的影响及其作用机制,而且为之前国际上关于该科学问题的争议提供了科学解释,对于深入理解全球变化下碳、氮生物地球化学循环具有重要意义.在寡营养海区,除受痕量金属铁缺乏限制外,束毛藻的生长和固氮还受磷或磷-铁共同限制[3].围绕在磷或磷-铁共同限制条件下海洋酸化对束毛藻的影响,以及长期适应海洋酸化后束毛藻的生理响应问题,史大林教授课题组目前正在开展进一步的深入研究.
- [1] MAHAFFEY C,MICHAELS A F,CAPONE D G.The conundrum of marine N2 fixation[J].Am J Sci,2005,305(6/7/8):546-595.
- [2] HONG H,SHEN R,ZHANG F,et al.The complex effects of ocean acidification on the prominent N2-fixing cyanobacterium Trichodesmium[J].Science,2017,356:527-531.
- [3] SOHM J A,WEBB E A,CAPONE D G.Emerging patterns of marine nitrogen fixation[J].Nat Rev Microbiol,2011,9(7):499-508.