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磷限制和C-P有机膦的利用对颗石藻碳埋藏效率的影响及机制

2022/05/25点击次数:

近日,厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室、海洋与地球学院海洋分子生态与基因组学研究团队Science of the Total EnvironmentFrontiers in Marine Science期刊上分别发表题为“Physiological and metabolic effects of glyphosate as the sole P source on a cosmopolitan phytoplankter and biogeochemical implications”和“P-limitation promotes the biological pump efficiency of the cosmopolitan phytoplankton Emiliania huxleyi”的论文,阐述了磷营养盐缺乏能够促进颗石藻的碳储藏和碳输出效率,且能诱导其利用C-P有机膦支持种群生长,同时引起细胞碳氮磷配比的变化,并初步揭示了颗石藻利用C-P有机膦的分子机制。相关成果为研究浮游植物对富营养化和海洋暖化的响应调控及对海洋生物碳泵的影响提供了新视角。

浮游植物贡献了全球约一半的初级生产力,但其生长常受限于氮、磷营养盐的浓度。氮限制可通过海洋微生物的固氮作用得到部分缓解,而磷限制的状态只会愈发严峻。C-P有机膦占海洋总磷库的18-25%,是浮游植物的潜在磷源,近年来受到科学家们越来越多的关注。研究磷限制和C-P有机膦如何影响浮游植物的生理状态及其在海洋生物碳泵中的贡献有助于揭示浮游植物在未来海洋环境中的生存及对气候变化的反馈机制。

颗石藻(Emiliania huxleyi)由于外被碳酸钙壳板,同时参与光合作用和钙化过程,是海洋生物碳泵的重要贡献者,并常常成为磷营养盐限制海域的优势种,甚至形成藻华,因此也成为研究浮游植物响应气候变化的模式种。本研究发现,在细胞转录水平和小RNA的调控作用下:磷限制可导致颗石藻钙化率、单位细胞碳含量和沉降速率增加,说明其碳储藏和碳输出能力增强(图1);当C-P有机膦——草甘膦作为唯一磷源时,颗石藻生长率增加,细胞内碳氮代谢过程增强,对氮磷吸收转运过程相关基因上调表达,单位细胞碳氮含量、C/P和N/P、细胞沉降率均升高,表明颗石藻利用草甘膦时单位细胞的碳输出能力增强(图2);颗石藻直接吸收草甘膦并在细胞内水解利用,且此过程涉及跨膜转运系统相关基因的上调表达。研究表明,颗石藻细胞内碳含量的增加可能涉及C4光合作用对CO2的固定和碳酸酐酶对CO2的转化。而在未来磷营养盐缺乏更加严峻的海洋环境中,颗石藻单位细胞碳储藏和碳输出效率的增强可能缓解甚至中和其光合作用减弱对海洋生物碳泵产生的负面效应,并对温室效应产生负反馈作用。

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图1丨磷限制增强颗石藻的生物泵效率及分子调控机制示意图

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图2丨颗石藻在不同磷环境中的代谢途径和特定基因的表达动态及其对细胞内碳、氮、磷含量影响的预测



海洋分子生态与基因组学研究团队以分子生物技术和现代组学分析方法为手段,致力于浮游植物营养生态、有害藻华形成机制、共生生物学等的研究。实验室副研究员王聪博士为论文第一作者,林森杰教授为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金项目(41776116、42006132)和国家重点研发计划项目(2016YFA0601202)的资助。


论文来源

1. Cong Wang, Xueqiong Sun, Jingtian Wang, Jin-Ming Tang, Yifan Gu, Senjie Lin* (2022). Physiological and metabolic effects of glyphosate as the sole P source on a cosmopolitan phytoplankter and biogeochemical implications. Science of the Total Environment 832: 155094. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.155094

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155094


2. Cong Wang, Jingtian Wang, Senjie Lin* (2022). P-limitation promotes the biological pump efficiency of the cosmopolitan phytoplankton Emiliania huxleyi. Frontiers in Marine Science. Doi: 10.3389/fmars.2022.860222

https://doi.org/10.3389/fmars.2022.860222


供稿:王聪、林森杰