以聚球藻和原綠球藻為主的超微型浮游植物是海洋中豐度最高、生物量最大的光合自養(yǎng)生物。寡營(yíng)養(yǎng)大洋中總固碳量的80%以上是由超微型浮游植物所貢獻(xiàn)，它們?cè)谡{(diào)節(jié)氣候變化方面發(fā)揮重要作用。尤其聚球藻在海洋中具有明顯的生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使其無(wú)論是在營(yíng)養(yǎng)豐富的近海、貧營(yíng)養(yǎng)的大洋、還是寒冷的極地海洋中都廣泛分布，并成為浮游植物優(yōu)勢(shì)類(lèi)群之一。聚球藻不僅是海洋固碳和“生物泵”儲(chǔ)碳的重要貢獻(xiàn)力量，近期實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)聚球藻還能通過(guò)類(lèi)似于“微型生物碳泵”的機(jī)制直接生產(chǎn)惰性溶解有機(jī)碳（RDOC），驅(qū)動(dòng)碳以溶解態(tài)的形式在海水中被長(zhǎng)期封存，形成長(zhǎng)久碳匯（Zhang et al., 2021）。鑒于聚球藻的重要生態(tài)地位和作用，揭示其在海洋中的生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是透視海洋碳匯功能的一個(gè)重要窗口。
實(shí)際上聚球藻在海洋中從來(lái)不是孤立存在，始終和微生物群落密不可分，彼此間有著錯(cuò)綜復(fù)雜的互作關(guān)系。除了光照和營(yíng)養(yǎng)鹽條件是影響聚球藻生理生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素外，某些環(huán)境下微生物群落亦可直接主宰聚球藻的生死。前期人們已觀(guān)察到聚球藻和微生物間的各種相互作用（如互利共生、敵對(duì)拮抗或競(jìng)爭(zhēng)抑制等），然而以往研究中大多是局限于聚球藻與某些特定種屬微生物間的互作關(guān)系或者僅研究了某個(gè)有限時(shí)間階段內(nèi)聚球藻和微生物的互作關(guān)系等，而在自然海洋環(huán)境中聚球藻和微生物的相互作用無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生，并可能不斷發(fā)生變化。因此揭示聚球藻和微生物之間在群落水平和在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)的動(dòng)態(tài)關(guān)系變化及其作用機(jī)制有助于更深入了解聚球藻在海洋中占據(jù)生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的原因所在。
青島能源所海洋碳匯與能源微生物研究組張?jiān)龌⒌劝l(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)達(dá)3年無(wú)任何外加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)給的情況下，一株海洋聚球藻能始終保持旺盛的光合固碳活性和非常高的細(xì)胞豐度，令人驚奇的是該聚球藻自身無(wú)固氮能力，但其培養(yǎng)液中始終保持著非常高的氮營(yíng)養(yǎng)水平，暗示著聚球藻可能與共存的微生物群落建立了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)自給自足的可持續(xù)微生態(tài)系統(tǒng)。為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象的可重復(fù)性和背后機(jī)制，他們通過(guò)人工構(gòu)建聚球藻與自然海水微生物群落的共存體系，研究了聚球藻與共生菌群在長(zhǎng)期共存（近3年）下的互作關(guān)系變化以及背后潛在的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)機(jī)制，揭示藻菌關(guān)系歷經(jīng)彼此敵對(duì)、共存、再到最終的互利共生關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在藻菌敵對(duì)階段，抑藻菌（46%）占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但菌群中同樣存在著26%的促藻菌。隨著聚球藻與異養(yǎng)菌群共存時(shí)間的延長(zhǎng)，不同細(xì)菌間的復(fù)雜互作（如群體感應(yīng)、相互促進(jìn)或敵對(duì)等）共同推動(dòng)了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演替，并伴隨著促藻菌與抑藻菌比率的變化，最終實(shí)現(xiàn)聚球藻與細(xì)菌群落的互利共生，建立了可自給自足的內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)循環(huán)（尤其是氮循環(huán)），使得它們?cè)跊](méi)有任何外部營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的情況下得以長(zhǎng)期生存。宏基因組分析和具功能活性的固氮菌的成功分離表明共生體系中豐富的氮營(yíng)養(yǎng)可能主要來(lái)自于異養(yǎng)微生物的固氮作用。該研究揭示了聚球藻和異養(yǎng)細(xì)菌在長(zhǎng)期共存下趨于互利共生的特性，暗示異養(yǎng)微生物可能是聚球藻在全球海洋（尤其是寡營(yíng)養(yǎng)海區(qū)）中具有生存競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要支撐，為理解聚球藻在全球海洋中的廣泛分布和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)提供了新的線(xiàn)索，也為基于微生物菌群重建來(lái)提高微藻固碳提供了新的思路，是提升水生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的一種非常有潛力的創(chuàng)新途徑。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于微生物頂級(jí)期刊《Mbio》（Zhang et al., 2021a）。
該工作由青島能源所海洋碳匯與能源微生物研究組張永雨研究員主持，并與廈門(mén)大學(xué)焦念志院士、張瑤教授以及海南大學(xué)高樹(shù)基教授合作完成，獲得了國(guó)家基金委-山東省聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院海洋大科學(xué)中心“科學(xué)號(hào)”高端用戶(hù)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)課題、青島能源所自主創(chuàng)新基金、以及青島能源所-大連化物所融合基金等的資助。
圖 聚球藻與異養(yǎng)菌群長(zhǎng)期共存下互作關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化、菌群結(jié)構(gòu)演替與功能代謝特征
相關(guān)發(fā)表文章目錄：
1. Zhang ZH#, Shailesh Nair#, Tang LL, Zhao HS, Hu ZZ, Chen MM, Zhang Y, Kao SJ, Jiao NZ, Zhang YY*, Long-term survival of Synechococcus and heterotrophic bacteria without external nutrient supply after changes in their relationship from antagonism to mutualism. Mbio, 2021a. DOI:10.1128/mBio.01614-21.
原文鏈接： https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.01614-21
2. Zhang ZH#, Tang LL#, Liang YT, Li G, Li HM, Rivkin R, Jiao NZ, and Zhang YY*. The relationship between two Synechococcus strains and heterotrophic bacterial communities and its associated carbon flow. Journal of Applied Phycology, 2021b;33:953–966.
