近日， bat365在线平台官方网站、海洋生物地球化学全国重点实验室史大林教授及其团队，在铁、磷限制调控单细胞固氮蓝藻对海洋酸化的响应方面取得新进展，相关成果以“Iron and phosphorus limitations modulate the effects of carbon dioxide enrichment on a unicellular nitrogen-fixing cyanobacterium”为题发表于Limnology and Oceanography.

研究背景

生物固氮是海洋真光层重要的“新氮”来源之一，对支撑全球海洋，特别是寡营养海域的初级生产力具有重要意义。单细胞固氮蓝藻是开阔大洋生物固氮的重要贡献者，其生长和固氮往往受到铁、磷营养盐的限制。在全球变化背景下，铁和磷的限制如何调控海洋酸化（海洋吸收大气中的人为CO₂导致的海水pH下降）对单细胞固氮蓝藻的影响，仍是一个亟待解决的科学问题。史大林教授团队在前期研究中发现，铁、磷限制均会加剧海洋酸化对丝状固氮蓝藻束毛藻（Trichodesmium）的负效应。现有研究表明，单细胞固氮蓝藻鳄球藻（Crocosphaera）相较于束毛藻能更好地适应营养盐限制的环境。由此推测，鳄球藻可能采取不同于束毛藻的响应机制来应对海洋酸化。因此，厘清铁、磷营养盐限制对鳄球藻酸化效应的调控机理及其与束毛藻的差异，对理解和预测全球变化对海洋氮循环的影响及其生物地球化学效应具有重要意义。

研究结果

以单细胞固氮蓝藻鳄球藻Crocosphaera watsonii WH8501为研究对象，通过在不同营养盐水平（营养盐充分、铁限制和磷限制）和CO₂浓度（400 vs 750 μatm）条件下开展的受控培养实验，研究团队发现海洋酸化显著抑制了鳄球藻的生长和固氮速率，并且在铁限制条件下海洋酸化的负面影响更为显著（图1）。转录组分析表明，在铁限制条件下，酸化导致细胞转移了参与光合作用、呼吸作用和叶绿素合成等关键代谢途径的铁，用于增加固氮酶的合成以弥补固氮效率的下降。这一策略虽有助于维持固氮作用，但影响了细胞能量产生，进而加剧了酸化的抑制效应（图2）。此外，在相同铁限制程度下，酸化对鳄球藻固氮的负效应要显著低于束毛藻，表明鳄球藻可能通过其高效的铁循环利用策略降低了酸化的负面影响。

图1 鳄球藻在不同CO₂浓度和铁、磷营养盐浓度下的生长速率（a）、细胞体积（b）、固氮速率（c）和呼吸速率（d）

图2 不同CO₂浓度和铁营养盐浓度下的鳄球藻固氮作用相关基因（a）和光合作用相关基因（b）变化

在磷限制条件下，研究团队采用chemostat连续培养技术模拟海洋中稳态的磷限制环境，发现酸化对鳄球藻的生长和固氮无显著影响（图1），这与束毛藻的结果截然不同。相较于束毛藻，鳄球藻在磷限制下胞内的多聚磷酸盐（polyP）含量极低，表明polyP更可能作为储磷物质，而非用于维持细胞内pH稳态。因此，酸化下胞内polyP含量无明显变化（图3）。然而，酸化显著降低了鳄球藻的细胞体积（图1b），使得细胞比表面积增加从而有助于提高营养盐吸收能力，可在一定程度上缓解酸化的负效应。

图3磷充分（a）vs 磷限制（b）条件下，不同CO₂浓度对鳄球藻胞内主要含磷物质浓度的影响

综上，本研究揭示了鳄球藻在铁和磷限制条件下对海洋酸化的响应机制，表明在未来海洋中鳄球藻和束毛藻对海水酸化和限制性营养盐条件改变的响应差异，可能会引起固氮生物群落结构的改变。该研究的主要发现有助于提升对全球变化下海洋生产力和碳、氮生物地球化学循环变化的认知。

研究团队及资助

该论文第一作者为我校博士生陈泽，通讯作者为我校史大林教授和洪海征教授。论文的共同作者还包括我校硕士毕业生谢文倩和美国莱斯大学Sven Kranz博士。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、“111”计划以及科学探索奖等的联合资助。 

论文来源及链接

Chen, Z., Xie, W., Kranz, S., Hong, H. * and Shi D.* 2025, Iron and phosphorus limitations modulate the effects of carbon dioxide enrichment on a unicellular nitrogen-fixing cyanobacterium. Limnology and Oceanography. https://doi.org/10.1002/lno.12780

供稿：陈泽

编辑：朱佳 苏颖

审核：曹知勉 徐鹏