厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室、海洋与地球学院高光教授团队在海洋酸化对硅藻碳固定与生源硅生产影响与机制方面取得新进展。相关成果以“Abrupt pH changes overestimate the responses of Chaetoceros muelleri to ocean acidification”为题，发表于期刊Nature Communications。
该研究通过长期进化实验（超过1100代），结合生理学、转录组学、基因组学和模型预测，系统评估了骤变式 酸化 和渐进式酸化对硅藻牟氏角毛藻碳 固定与生源 硅生产的影响、机制及生态效应。研究发现：骤变式酸化在短期内会促进角毛藻 生长与 碳固定，抑制生源硅生产，但 随着适应时间延长，这些响应逐渐减弱 ；渐进式酸化则在整个培养周期内未对 生长、 碳固定与生源硅生产产生显著影响；骤变式酸化造成强烈环境胁迫，细胞通过基因变异和大规模基因表达重构来应对，渐进式酸化未形成强选择压力，没有驱动大规模适应性突变积累和转录水平重编程。通用地球系统模式估算显示，骤变式酸化对全球海洋角毛藻属碳固定的 促进 效应（22.1%）显著高于渐进式酸化（6.4%）。该研究揭示了酸化速率以及 生物 适应时间对海洋酸化生态效应研究的重要性 （图1） 。
图1. 骤变式（左）和渐进式（右）酸化模式下牟氏角毛藻的响应与生态效应
研究背景
自1980年以来，全球海洋吸收人类排放CO2的20%～30%，导致海洋酸化。已有研究显示，海洋酸化会改变浮游植物固碳、硅化、钙化等生理过程，扰动海洋生物多样性、食物网与生物地球化学循环。
硅藻是海洋浮游植物核心类群，贡献全球海洋40%初级生产力，其硅质外壳协助碳从表层向深海输出，在海洋碳、硅循环中扮演关键角色。
现有绝大多数硅藻海洋酸化实验直接将细胞骤然转移至高CO2条件，且暴露时间普遍少于30天；真实海洋酸化是一个缓慢渐变的过程。未经逐步驯化的骤变式处理与真实海洋酸化过程存在较大差异，很可能得到有偏的生理响应与生态预测。这一科学问题与假说目前尚缺少长期多代对比实验证据。
该研究以牟氏角毛藻——海洋硅藻中丰度最高的角毛藻属的代表种——为研究对象，设置对照组（pCO2 440 μatm）、骤变式（pCO2浓度从440 μatm直接增至1000 μatm）酸化与渐进式（以每70代增加40 μatm的速率逐步提升至1000 μatm）酸化三种条件，开展长期培养实验（727天），检验以上科学假说。
研究结果
1.生理表现
骤变式酸化显著提高牟氏角毛藻的比生长速率与固碳速率，实验早期（第34天）生长速率最高提升9.4%，固碳速率提升8.8%。渐进式酸化对生长几乎无显著促进，整体表型变化幅度远低于骤变组（图2）。
骤变式酸化短期显著降低细胞硅含量与生源硅生产速率，随着时间延长，抑制效应逐渐减弱。渐进式酸化在整个培养过程中未对细胞硅含量与生源硅生产速率产生显著影响（图2）。
图2. 不同酸化模式对牟氏角毛藻比生长速率 (a–d)、碳固定速率 (e–h)、生源硅含量 (i–l) 和生源硅生产 (m–p) 的影响。AbruA/AmbC_ST表示第34天短期骤变式酸化处理与对照组的比值，GradA/AmbC、AbruA/AmbC和AbruA/GradA均表示第727天不同处理组之间长期适应结果的比值
2.基因变异
骤变式酸化组硅藻单核苷酸多态性（SNP）累积速度更快、突变数量更高，非同义核苷酸替换与同义核苷酸替换的比率（pN/pS）更高，提示出现更强的基因组分化信号；部分固碳、无机碳转运相关基因发生突变；渐进式酸化组 SNP 积累、pN/pS 水平更低，基因组层面的进化改变微弱（图3）。
图3. 长期适应酸化后牟氏角毛藻的基因突变特征。SNP速率 (a)，SNP 数量(b)，pN/pS (c)，对照组 (d)、渐进式酸化 (e) 和骤变式酸化 (f) 处理下各基因的SNP水平
3.基因表达
三种培养条件下，只有骤变式酸化组出现随时间显著分化的基因表达模式，并且部分差异表达持续到实验末期（727天，>1100代）。骤变式酸化上调了参与光捕获、电子传递和色素合成的基因，下调了无机碳浓缩、硅转运等相关基因（图4）。
渐进式酸化组与对照组的转录谱差异很小，仅少量基因出现微弱改变。渐进式酸化下固碳的微弱提升并不伴随 无机碳浓缩机制（ CCM ） 、光合、卡尔文循环通路的转录水平重编程，推测翻译后修饰（ 如 酶活性调节） 可能 介导 这一 生理响应 （图4） 。
图4. 长期酸化适应过程中牟氏角毛藻碳代谢 (a)、光合电子传递 (b) 和色素合成 (c) 的转录组学响应
4.全球预测
在共享社会经济途径5-8.5（SSP5-8.5）高排放情景下，利用通用地球系统模式第2版（CESM2）估算2091—2100年全球角毛藻固碳量，未叠加酸化效应的基准结果显示，角毛藻全球固碳量为 3.27 Pg C yr⁻¹。叠加实验效应后：骤变式酸化提升22.1%，渐进式酸化仅提升6.4%；这种酸化模式造成的预测偏差在北太平洋、北大西洋、东赤道太平洋以及南纬30°～60°海域和近岸海域尤为突出（图5）。两种酸化模式对角毛藻全球生源硅生产也会造成偏差（6.5%与1.3%）。
图5. 2091—2100年渐进式与骤变式酸化下全球角毛藻属固碳速率 (a, b)、生源硅生产(c, d) 及BSi/POC比值 (e, f) 变化的预测。左列为渐进式酸化，右列为骤变式酸化
研究意义及展望
在实验范式上，该研究证实海洋酸化实验普遍采用的CO2骤升处理，会人为放大牟氏角毛藻的生长与固碳响应，诱发自然界未必出现的基因组变异和持续性转录重编程，揭示了实验胁迫速率带来的系统性偏差，为海洋酸化多代进化实验提供范式参考。在模型应用层面，若直接套用骤变式酸化实验参数（尤其是短期暴露），地球系统模式会显著高估硅藻固碳与生物地球化学贡献，建议模型参数选取需审慎评估实验条件，也为气候变化生态评估提供关键实验依据。从进化生理角度看，该研究发现硅藻对不同速率环境胁迫存在两套适应策略，深化了浮游植物气候适应理论。
该研究仍存在局限：实验CO2抬升速率仍快于真实海洋，且仅基于单一硅藻物种。后续需拓展更多浮游植物种类，推进多因子协同实验，并优化地球系统模式参数化方案，将环境胁迫速率纳入其中，以提升海洋酸化生态效应预测的可靠性。
研究团队及资助
该论文第一作者为厦门大学海洋与地球学院2026届赵欣博士，通讯作者为厦门大学高光教授、黄海水产研究所叶乃好研究员和英国东英吉利大学Thomas Mock教授。合作者包括厦门大学王杉霖教授、高坤山教授、林昕副教授和黄海水产研究所徐东研究员等。该研究获得国家自然科学基金项目（42576209）、联合国“海洋十年”计划——“气候变化下的可持续水产养殖”项目（No. 119.9），以及“海洋十年”中国行动国际合作种子基金重点项目（GHZZ3702840002024020000020）的联合资助。
论文来源及链接
Zhao, X., Tan, H., Zhang, X., Xu, D., Hu, Z., Sun, J., ... & Gao, G. (2026). Abrupt pH changes overestimate the responses of Chaetoceros muelleri to ocean acidification. Nature Communications.
https://doi.org/10.1038/s41467-026-77753-0
供稿 | 高光教授团队
编辑 | 房月 苏颖
排版 | 陈蕾
审核 | 肖武鹏 曹知勉
