青島能源所揭示基于微生物固氮的“菌群重建-促藻固碳”機制和增加碳匯新途徑

  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生物。寡營養大洋中總固碳量的80%以上是由超微型浮游植物所貢獻,它們在調節氣候變化方面發揮重要作用。尤其聚球藻在海洋中具有明顯的生存競爭優勢,使其無論是在營養豐富的近海、貧營養的大洋、還是寒冷的極地海洋中都廣泛分布,并成為浮游植物優勢類群之一。聚球藻不僅是海洋固碳和“生物泵”儲碳的重要貢獻力量,近期實驗室發現聚球藻還能通過類似于“微型生物碳泵”的機制直接生產惰性溶解有機碳(RDOC),驅動碳以溶解態的形式在海水中被長期封存,形成長久碳匯(Zhang et al., 2021)。鑒于聚球藻的重要生態地位和作用,揭示其在海洋中的生存競爭優勢是透視海洋碳匯功能的一個重要窗口。

  實際上聚球藻在海洋中從來不是孤立存在,始終和微生物群落密不可分,彼此間有著錯綜復雜的互作關系。除了光照和營養鹽條件是影響聚球藻生理生長的關鍵因素外,某些環境下微生物群落亦可直接主宰聚球藻的生死。前期人們已觀察到聚球藻和微生物間的各種相互作用(如互利共生、敵對拮抗或競爭抑制等),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系或者僅研究了某個有限時間階段內聚球藻和微生物的互作關系等,而在自然海洋環境中聚球藻和微生物的相互作用無時無刻不在發生,并可能不斷發生變化。因此揭示聚球藻和微生物之間在群落水平和在長時間尺度內的動態關系變化及其作用機制有助于更深入了解聚球藻在海洋中占據生存競爭優勢的原因所在。

  青島能源所海洋碳匯與能源微生物研究組張增虎等發現在長達3年無任何外加營養補給的情況下,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胞豐度,令人驚奇的是該聚球藻自身無固氮能力,但其培養液中始終保持著非常高的氮營養水平,暗示著聚球藻可能與共存的微生物群落建立了一個可實現營養自給自足的可持續微生態系統。為了驗證這一現象的可重復性和背后機制,他們通過人工構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期共存(近3年)下的互作關系變化以及背后潛在的營養循環機制,揭示藻菌關系歷經彼此敵對、共存、再到最終的互利共生關系的動態變化過程。同時發現在藻菌敵對階段,抑藻菌(46%)占據優勢,但菌群中同樣存在著26%的促藻菌。隨著聚球藻與異養菌群共存時間的延長,不同細菌間的復雜互作(如群體感應、相互促進或敵對等)共同推動了細菌群落結構的動態演替,并伴隨著促藻菌與抑藻菌比率的變化,最終實現聚球藻與細菌群落的互利共生,建立了可自給自足的內部營養循環(尤其是氮循環),使得它們在沒有任何外部營養供應的情況下得以長期生存。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養可能主要來自于異養微生物的固氮作用。該研究揭示了聚球藻和異養細菌在長期共存下趨于互利共生的特性,暗示異養微生物可能是聚球藻在全球海洋(尤其是寡營養海區)中具有生存競爭優勢的重要支撐,為理解聚球藻在全球海洋中的廣泛分布和競爭優勢提供了新的線索,也為基于微生物菌群重建來提高微藻固碳提供了新的思路,是提升水生態系統碳匯能力的一種非常有潛力的創新途徑。相關研究成果近日發表于微生物頂級期刊《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,并與廈門大學焦念志院士、張瑤教授以及海南大學高樹基教授合作完成,獲得了國家基金委-山東省聯合基金重點項目、中科院海洋大科學中心“科學號”高端用戶、國家重點研發專項課題、青島能源所自主創新基金、以及青島能源所-大連化物所融合基金等的資助。(文/圖 張增虎)

  圖 聚球藻與異養菌群長期共存下互作關系的動態變化、菌群結構演替與功能代謝特征

  相關發表文章目錄:

  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.

  


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