海洋所發(fā)現(xiàn)寡營養(yǎng)海域營養(yǎng)鹽濃度升高促進藍細菌-異養(yǎng)細菌相互作用
近日,國際期刊Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences (Nature Index) 刊發(fā)海洋所徐奎棟研究組關(guān)于營養(yǎng)鹽與藍細菌-異養(yǎng)細菌互作關(guān)系的最新研究成果,揭示了寡營養(yǎng)大洋區(qū)域營養(yǎng)鹽濃度對藍細菌-異養(yǎng)細菌相互作用關(guān)系的調(diào)控作用,從生物相互作用的角度強調(diào)了全球變化對細菌多樣性和功能的潛在負面影響。
由于全球變暖,全球海洋上層的熱分層現(xiàn)象有所加強,阻礙向透光層的垂直營養(yǎng)供應(yīng),從而直接影響海洋初級生產(chǎn)力及碳匯。海洋浮游光合生物貢獻了地球近50%的初級生產(chǎn)力。其中,藍細菌是海洋最主要的初級生產(chǎn)者之一,貢獻了海洋凈初級生產(chǎn)力的約25%。海洋藍細菌和異養(yǎng)細菌參與復(fù)雜的生態(tài)相互作用,可直接或間接影響海洋生物地球化學(xué)循環(huán)。要了解全球變化下細菌在海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用,就必須厘清藍細菌和異養(yǎng)細菌互作網(wǎng)絡(luò)與營養(yǎng)鹽供應(yīng)的關(guān)系。在共培養(yǎng)系統(tǒng)中,藍細菌與異養(yǎng)細菌之間可形成一種互利關(guān)系,使藍細菌能夠在沒有營養(yǎng)鹽額外供應(yīng)的寡營養(yǎng)環(huán)境中生存和生長。這種互利關(guān)系易受營養(yǎng)鹽濃度的影響,在高營養(yǎng)環(huán)境下互利關(guān)系受到破壞。然而,自然條件下,營養(yǎng)鹽如何驅(qū)動藍細菌和異養(yǎng)細菌的相互作用關(guān)系,仍不清楚。
徐奎棟研究組選擇寡營養(yǎng)大洋中海山作為研究區(qū)域,同時結(jié)合Tara Oceans全球海洋調(diào)查數(shù)據(jù),對不同營養(yǎng)鹽濃度下的藍細菌-異養(yǎng)細菌相互作用關(guān)系開展研究,分析了營養(yǎng)鹽濃度對藍細菌-異養(yǎng)細菌互利關(guān)系的影響,并探討了藍細菌-異養(yǎng)細菌響應(yīng)營養(yǎng)鹽濃度變化的機制。
結(jié)果表明,營養(yǎng)鹽垂直輸送增強的海山區(qū)葉綠素最大層(DCM)細菌互作關(guān)系的復(fù)雜程度遠高于營養(yǎng)鹽垂直輸送較弱的區(qū)域。營養(yǎng)鹽在調(diào)節(jié)細菌互作關(guān)系中發(fā)揮重要作用;受營養(yǎng)鹽影響的類群主要為原綠球藻和α變形菌SRA11類群。在全球尺度下,硝酸鹽濃度與藍細菌-異養(yǎng)細菌相互作用的比例呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖1)。研究表明,藍細菌-異養(yǎng)細菌合作關(guān)系可調(diào)節(jié)細菌的相對豐度,改善細菌群落的均勻性,進而提高群落的穩(wěn)定性。在一定閾值下,升高的營養(yǎng)鹽濃度增加了原綠球藻的豐度和多樣性,進而使得與藍細菌存在代謝關(guān)系的類群得以與之建立更多的互利關(guān)系(圖2)。
研究指出,全球氣候變化導(dǎo)致表層海水溫度逐漸升高,這一過程將加劇海水分層,阻礙深層海水向表層的營養(yǎng)輸送。在寡營養(yǎng)海洋中,營養(yǎng)鹽供應(yīng)的減弱可能會導(dǎo)致藍細菌的相對豐度和多樣性下降,藍細菌與異養(yǎng)細菌之間的相互作用減少,從而對海洋初級生產(chǎn)力和生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生潛在的負面影響。而在營養(yǎng)物質(zhì)豐富的沿岸地區(qū),與人類活動有關(guān)的營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)的急劇變化可能會進一步擾亂藍細菌與異養(yǎng)細菌之間的相互作用。
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圖 1 A 全球各海區(qū)硝酸鹽濃度與細菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò);B 營養(yǎng)鹽濃度與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系;C 營養(yǎng)鹽與藍細菌相互作用正相關(guān)比例回歸分析結(jié)果

圖 2 營養(yǎng)鹽濃度調(diào)控藍細菌-異養(yǎng)細菌相互作用關(guān)系機制
論文第一作者為博士研究生劉巍岳,通訊作者為趙峰研究員和徐奎棟研究員,研究得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、嶗山實驗室、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會聯(lián)合資助。
文章信息如下:
Liu W, Zhao F, Li X, Zheng S, Li L, Zhao R, Xu K. 2024. Enhanced nutrient supply promotes mutualistic interactions between cyanobacteria and bacteria in oligotrophic ocean. Proc. R. Soc. B 291: 20240788. https://doi.org/10.1098/rspb.2024.0788
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