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固氮束毛藻的资源最优化分配细胞模型结构,海

发布时间:2020-02-15 00:37编辑:资讯浏览(163)

    在“全球变化及应对”重点专项的支持下,“海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应”项目团队在海洋优势固氮类群束毛藻对海洋酸化响应研究方面取得新进展。

    4月27日,Science杂志提前在线发表我校环境与生态学院史大林教授团队的研究论文“The complex effects of ocean acidification on the prominent N2-fixing cyanobacterium Trichodesmium”。该研究以海洋生态系统中重要的“新氮”贡献者——束毛藻为对象,通过系统性的实验室机理探究和海上现场实验,发现因大气CO2上升而引起的海洋酸化抑制束毛藻的固氮作用,且该负效应随着海水中铁浓度的下降而加剧。这一研究成果不仅揭示了海洋酸化对束毛藻的影响及其机制,而且为先前国际上就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、氮的海洋生物地球化学循环具有重要的意义。

      近日,我校海洋与地球学院高坤山教授课题组在“海洋酸化与阳光辐射对海洋初级生产力协同效应”方面取得突破性进展,Nature Climate Change以研究论文形式刊发了此研究成果。

    该专项中厦门大学史大林教授团队分析了束毛藻对海洋酸化响应的细胞生理及分子生物学实验数据,并在此基础上建立了一个束毛藻“资源最优化分配”细胞模型(图1)。该模型模拟束毛藻胞内铁和能量如何在无机碳吸收、光合作用、固氮作用、生命维持、对抗酸化协迫、铁储藏等各主要生理过程之间的最优化分配,以最大化其生长速率;并且模拟了海洋酸化对几个主要生理过程的调控,包括CO2浓缩机制耗能的减少、固氮酶效率的下降、抗酸化胁迫耗能的上升、以及铁储藏的减少。模型结果显示,海洋酸化对束毛藻的影响主要在于固氮酶效率的下降和抗酸化胁迫能耗上升,二者均会对束毛藻的生长和固氮产生负效应,而其中起主导作用的为固氮酶效率的下降。研究进一步将细胞模型拓展到全球海洋,以地球系统模型模拟的RCP 8.5场景下本世纪海洋pH、CO2浓度和溶解铁为输入变量,估算得到全球海洋束毛藻的固氮潜力将在本世纪内平均下降27%,其中尤以铁匮乏的东南和东北太平洋的下降比例最大(图2)。

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      海洋以每小时一百多万吨的速率从大气中吸收人类排放的CO2,这对缓解全球变暖起着重要的作用;然而,随着大气中CO2浓度的持续增高,海洋表层海水的pH下降,导致海洋酸化。自工业革命以来,海洋表层平均酸度已经升高了30%,未来50-100年间海洋酸化会使得海洋表层酸度增加100-150%。这种日益恶化的海洋酸化会影响海洋生物的代谢乃至海洋生产力,进而影响海洋生态系统的产出与服务。 为此,驱动海洋吸收CO2的光合固碳生物,如何响应海洋酸化的问题,倍受科学界关注;迄今,已有大量研究报道,但众多研究结果说法不一,对立性强。

    该研究指出海洋酸化通过影响固氮,可能会显著降低海洋碳汇潜能,相关成果发表在《Nature Communications》杂志上。图片 2

    海水CO2升高对束毛藻生长和固氮的促进作用弱于海水pH下降对其的抑制作用

      高坤山教授等集成过去3年南海航次与实验室研究结果撰写成的该论文显示,海洋酸化对浮游植物光合固碳的影响,取决于阳光辐射的高低,也取决于浮游植物分布的深度。浅深度或高光下,CO2升高引起光合固碳或生长速率下降,而深处或低光下,导致生长速率或光合效率升高。该现象的生理学机制是,CO2浓度升高下调了细胞主动吸收无机碳的机制,因此而节省的能量,在低光下促进了浮游植物的生长,而在高光下,与酸性增加协同作用,恶化了光胁迫与光呼吸。该发现解释了迄今众多研究结果不统一的关键原因。

    图1. 固氮束毛藻的资源最优化分配细胞模型结构图片 3

    海洋初级生产者浮游植物在海洋和全球碳循环中扮演着举足轻重的角色,调节着全球气候。氮是浮游植物生长所必需的元素,其缺乏限制了全球面积一半以上海区的初级生产力。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,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,近三分之一人类活动排放的CO2进入海洋,导致其正以迄今3亿年以来最快的速度酸化。海洋酸化将怎样影响束毛藻的固氮作用,其碳、氮生物地球化学效应和气候效应如何,是国际海洋全球变化研究的热点和焦点。围绕该重大科学问题,近年来国际上开展了一系列的研究,但报道的研究发现却截然相反,且原因不明。有的研究表明海水酸化显著促进了束毛藻生长和固氮,而有的研究则报道酸化起抑制作用。针对这一备受关注却悬而未决的科学问题,史大林教授带领的研究团队开展了系统性的实验室和现场研究工作。

      高坤山教授课题组长期致力于藻类的环境生理学与光生物学研究,聚焦于CO2及太阳UV辐射变化的生理生态学效应,迄今已在Global Change Biology, Limnology and Oceanography, Plant Physiology, Environmental Microbiology, Applied Environmental Microbiology, Marine Biology, Marine Pollution Bulletin, Biogeoscience, Planta, Journal of Phycology等主流专业期刊上发表论文160余篇。在藻类响应海洋酸化和太阳UV辐射等方面的原创性成果被Science、Nature China、Nature Geoscience及UNEP环境进展年报等多次正面介绍或引用。

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