海洋所提出海洋浮游植物應對磷限制的“膜脂重塑”適應新策略
近日,中國科學院海洋研究所海洋生源物質(zhì)循環(huán)與碳匯過程研究團隊在期刊Marine Environmental Research發(fā)表論文,闡明了海洋浮游植物通過“膜脂重塑”策略以適應磷限制的生理生態(tài)機制,并首次定量評估了該過程對維持海洋初級生產(chǎn)力的潛在貢獻。
磷是浮游植物生長不可或缺的營養(yǎng)要素。在寡營養(yǎng)海域,磷的匱乏常常限制浮游植物生長,進而影響海洋初級生產(chǎn)力。雖然傳統(tǒng)觀點認為磷限制會導致生產(chǎn)力下降,但實際觀測發(fā)現(xiàn),即使在貧磷海域,其初級生產(chǎn)力仍能維持一定水平,為什么出現(xiàn)了磷限制水體仍能保持較高的初級生產(chǎn)水平呢?揭示這一現(xiàn)象背后的生理適應機制,已成為揭示海洋生源物質(zhì)循環(huán)亟待解決的科學命題。
研究團隊通過解析室內(nèi)培養(yǎng)和自然水體生態(tài)系統(tǒng)中藍藻與真核浮游植物的脂質(zhì)組成變化,提出海洋浮游植物應對磷限制的“膜脂重塑”適應新策略。研究發(fā)現(xiàn),在磷限制條件下,浮游植物通過用硫脂(磺基喹諾糖基二?;视?,SQDG)和甜菜堿脂(BLs)等非磷脂替代原有磷脂,實現(xiàn)細胞膜結構的重組與功能維持。具體而言,浮游植物體內(nèi)的磷脂(如磷脂酰甘油PG)含量顯著下降,而SQDG在藍藻和真核浮游植物中均增加,SQDG:PG比率顯著升高,且該比率與水體溶解磷濃度呈顯著負相關,表明硫脂合成增強以補償磷脂的消耗。此外,真核浮游植物還表現(xiàn)出特有的適應機制:BLs含量上升,且BL與磷脂酰膽堿(PC)的比率明顯升高,表明BL替代PC是膜脂重塑的又一途徑,而這一機制在藍藻中未被發(fā)現(xiàn)。這一脂質(zhì)重塑過程尤其關鍵地發(fā)生在類囊體膜上。由于SQDG在結構與電荷特性上與PG相似,其替代能有效維持類囊體膜的完整性,從而保障光合作用效率,使浮游植物在缺磷環(huán)境下也能持續(xù)進行碳固定。初步估算表明,硫脂替代可緩解約77%~98%由磷限制引發(fā)的生產(chǎn)力損失。綜上所述,浮游植物通過磷脂降解與非磷脂合成的協(xié)同作用,在磷限制環(huán)境中維持了細胞膜功能與光合作用能力。這一機制對重新評估磷酸鹽濃度與初級生產(chǎn)力之間的關系提供了新的理論依據(jù),對探明全球海洋生源物質(zhì)循環(huán)具有重要科學價值。

圖1 P-限制(-P)與P-充足(+P)培養(yǎng)條件下藍藻的SQDG:PG比值

圖2?磷限制下硫脂替代磷脂的機制
該研究在詮釋浮游植物在磷限制環(huán)境下分子適應策略的基礎上,提出了浮游植物通過“膜脂重塑”來調(diào)控初級生產(chǎn)的新思路,構建了“磷限制—脂質(zhì)重塑—初級生產(chǎn)力”耦合關系的新框架,為全球變化背景下海洋初級生產(chǎn)力評估和碳匯預測提供了新的科學依據(jù)。
中國科學院海洋研究所碩士研究生劉雪為論文第一作者,段麗琴研究員為論文通訊作者,宋金明研究員為論文共同作者。研究得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金等項目的共同資助。
論文信息:
Liu,X.,Duan,L.*,Song,J. (2025). Phosphorus limitation induces membrane lipid remodeling in aquatic phytoplankton. Marine Environmental Research,212: 107526. https://10.1016/j.marenvres.2025.107526
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