青岛能源所揭示基于微生物固氮的“菌群重建-促藻固碳”机制和增加碳汇新途径

  以聚球藻和原绿球藻为主的超微型浮游植物是海洋中丰度最高、生物量最大的光合自养生物。寡营养大洋中总固碳量的80%以上是由超微型浮游植物所贡献,它们在调节气候变化方面发挥重要作用。尤其聚球藻在海洋中具有明显的生存竞争优势,使其无论是在营养丰富的近海、贫营养的大洋、还是寒冷的极地海洋中都广泛分布,并成为浮游植物优势类群之一。聚球藻不仅是海洋固碳和“生物泵”储碳的重要贡献力量,近期实验室发现聚球藻还能通过类似于“微型生物碳泵”的机制直接生产惰性溶解有机碳(RDOC),驱动碳以溶解态的形式在海水中被长期封存,形成长久碳汇(Zhang et al., 2021)。鉴于聚球藻的重要生态地位和作用,揭示其在海洋中的生存竞争优势是透视海洋碳汇功能的一个重要窗口。

  实际上聚球藻在海洋中从来不是孤立存在,始终和微生物群落密不可分,彼此间有着错综复杂的互作关系。除了光照和营养盐条件是影响聚球藻生理生长的关键因素外,某些环境下微生物群落亦可直接主宰聚球藻的生死。前期人们已观察到聚球藻和微生物间的各种相互作用(如互利共生、敌对拮抗或竞争抑制等),然而以往研究中大多是局限于聚球藻与某些特定种属微生物间的互作关系或者仅研究了某个有限时间阶段内聚球藻和微生物的互作关系等,而在自然海洋环境中聚球藻和微生物的相互作用无时无刻不在发生,并可能不断发生变化。因此揭示聚球藻和微生物之间在群落水平和在长时间尺度内的动态关系变化及其作用机制有助于更深入了解聚球藻在海洋中占据生存竞争优势的原因所在。

  青岛能源所海洋碳汇与能源微生物研究组张增虎等发现在长达3年无任何外加营养补给的情况下,一株海洋聚球藻能始终保持旺盛的光合固碳活性和非常高的细胞丰度,令人惊奇的是该聚球藻自身无固氮能力,但其培养液中始终保持着非常高的氮营养水平,暗示着聚球藻可能与共存的微生物群落建立了一个可实现营养自给自足的可持续微生态系统。为了验证这一现象的可重复性和背后机制,他们通过人工构建聚球藻与自然海水微生物群落的共存体系,研究了聚球藻与共生菌群在长期共存(近3年)下的互作关系变化以及背后潜在的营养循环机制,揭示藻菌关系历经彼此敌对、共存、再到最终的互利共生关系的动态变化过程。同时发现在藻菌敌对阶段,抑藻菌(46%)占据优势,但菌群中同样存在着26%的促藻菌。随着聚球藻与异养菌群共存时间的延长,不同细菌间的复杂互作(如群体感应、相互促进或敌对等)共同推动了细菌群落结构的动态演替,并伴随着促藻菌与抑藻菌比率的变化,最终实现聚球藻与细菌群落的互利共生,建立了可自给自足的内部营养循环(尤其是氮循环),使得它们在没有任何外部营养供应的情况下得以长期生存。宏基因组分析和具功能活性的固氮菌的成功分离表明共生体系中丰富的氮营养可能主要来自于异养微生物的固氮作用。该研究揭示了聚球藻和异养细菌在长期共存下趋于互利共生的特性,暗示异养微生物可能是聚球藻在全球海洋(尤其是寡营养海区)中具有生存竞争优势的重要支撑,为理解聚球藻在全球海洋中的广泛分布和竞争优势提供了新的线索,也为基于微生物菌群重建来提高微藻固碳提供了新的思路,是提升水生态系统碳汇能力的一种非常有潜力的创新途径。相关研究成果近日发表于微生物顶级期刊《Mbio》(Zhang et al., 2021a)。

  该工作由青岛能源所海洋碳汇与能源微生物研究组张永雨研究员主持,并与厦门大学焦念志院士、张瑶教授以及海南大学高树基教授合作完成,获得了国家基金委-山东省联合基金重点项目、中科院海洋大科学中心“科学号”高端用户、国家重点研发专项课题、青岛能源所自主创新基金、以及青岛能源所-大连化物所融合基金等的资助。(文/图 张增虎)

  图 聚球藻与异养菌群长期共存下互作关系的动态变化、菌群结构演替与功能代谢特征

  相关发表文章目录:

  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.

  原文链接: 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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