近日，廈門大學海洋與地球學院、近海海洋環境科學國家重點實驗室海洋分子生態與基因組學研究團隊在Science of the Total Environment和Frontiers in Marine Science期刊上分別發表題為“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”的論文，闡述了磷營養鹽缺乏能夠促進顆石藻的碳儲藏和碳輸出效率，且能誘導其利用C-P有機膦支持種群生長，同時引起細胞碳氮磷配比的變化，并初步揭示了顆石藻利用C-P有機膦的分子機制。相關成果為研究浮游植物對富營養化和海洋暖化的響應調控及對海洋生物碳泵的影響提供了新視角。
研究背景
浮游植物貢獻了全球約一半的初級生產力，但其生長常受限于氮、磷營養鹽的濃度。氮限制可通過海洋微生物的固氮作用得到部分緩解，而磷限制的狀態只會愈發嚴峻。C-P有機膦占海洋總磷庫的18-25%，是浮游植物的潛在磷源，近年來受到科學家們越來越多的關注。研究磷限制和C-P有機膦如何影響浮游植物的生理狀態及其在海洋生物碳泵中的貢獻有助于揭示浮游植物在未來海洋環境中的生存及對氣候變化的反饋機制。
研究結果
顆石藻（Emiliania huxleyi）由于外被是碳酸鈣殼板，同時參與光合作用和鈣化過程，是海洋生物碳泵的重要貢獻者，并常常成為磷營養鹽限制海域的優勢種，甚至形成藻華，因此也成為研究浮游植物響應氣候變化的模式種。本研究發現，在細胞轉錄水平和小RNA的調控作用下：
1. 磷限制可導致顆石藻鈣化率、單位細胞碳含量和沉降速率增加，說明其碳儲藏和碳輸出能力增強（圖1）；
2. 當C-P有機膦——草甘膦作為唯一磷源時，顆石藻生長率增加，細胞內碳氮代謝過程增強，對氮磷吸收轉運過程相關基因上調表達，單位細胞碳氮含量、C/P和N/P、細胞沉降率均升高，表明顆石藻利用草甘膦時單位細胞的碳輸出能力增強（圖2）；
3. 顆石藻直接吸收草甘膦并在細胞內水解利用，且此過程涉及跨膜轉運系統相關基因的上調表達。
圖1 磷限制增強顆石藻的生物泵效率及分子調控機制示意圖
圖2 顆石藻在不同磷環境中的代謝途徑和特定基因的表達動態及其對細胞內碳、氮、磷含量影響的預測
研究表明，顆石藻細胞內碳含量的增加可能涉及C4光合作用對CO2的固定和碳酸酐酶對CO2的轉化。而在未來磷營養鹽缺乏更加嚴峻的海洋環境中，顆石藻單位細胞碳儲藏和碳輸出效率的增強可能緩解甚至中和其光合作用減弱對海洋生物碳泵產生的負面效應，并對溫室效應產生負反饋作用。
研究團隊及資助
廈門大學海洋與地球學院海洋分子生態與基因組學研究團隊以分子生物技術和現代組學分析方法為手段，致力于浮游植物營養生態、有害藻華形成機制、共生生物學等的研究。近海海洋環境科學國家重點實驗室副研究員王聰博士為論文第一作者，林森杰教授為通訊作者。該研究受到國家自然科學基金項目（41776116、42006132）和國家重點研發計劃項目（2016YFA0601202）的聯合資助。
論文來源：
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
