硅藻惊喜可能改写全球碳循环
对于生活在海洋中的硅藻，新研究表明光合作用并不是积累碳的唯一策略。相反，这些单细胞浮游生物也通过直接以广阔海洋中的有机碳为食来积累生物量。这些新发现可能会使研究人员降低对硅藻通过光合作用从空气中吸收的二氧化碳量的估计，进而可能改变我们对全球碳循环的理解，这在气候变化的情况下尤其重要。
这项研究由加州大学圣地亚哥分校的生物工程师、生物信息学专家和其他基因组学研究人员领导。研究结果于 2024 年 7 月 17 日发表在《科学进展》上。论文题为“普遍存在的海洋硅藻的混合营养生长”。
研究小组发现，遍布世界各地海洋的硅藻Cylindrotheca closterium会同时进行光合作用和直接从浮游生物等有机源中吸收碳。
研究人员分析了来自世界各地海洋的超过 70% 的水样，发现新月圆柱藻同时进行光合作用和直接消耗有机碳的迹象。
研究团队还表明，这种硅藻除了进行光合作用外，还能够在消耗有机碳的情况下生长得更快。
此外，新研究暗示了一个诱人的可能性，即特定种类的细菌正在直接向全球海洋中的大部分硅藻提供有机碳。
这项研究基于基因组规模的代谢建模方法，该团队曾利用该方法揭示硅藻 Cylindrotheca closterium 的代谢过程。研究人员利用从 TARA 海洋探险中获得的全球基因表达数据来约束他们的基因组规模代谢模型。研究人员认为，这是基因组规模模型首次在全球范围内使用。
该团队的新代谢模型数据支持最近的实验室实验，表明一些硅藻可能依靠光合作用以外的策略来吸收生存、繁衍和形成生物量所需的碳。
加州大学圣地亚哥分校领导的研究小组正在扩大项目范围，以确定这种非光合作用在其他硅藻物种中的普及程度。
海洋细菌正在以硅藻为食吗？
当研究小组观察海水样本中测量的物理和化学参数（包括温度、pH 值、盐度、光照、氮和碳的可用性）时，他们没有发现这些参数与硅藻偏离仅进行光合作用的策略的趋势之间存在任何关联。
然而，研究小组在探索海水样本中与硅藻 Cylindrotheca closterium 共存的特定细菌种群时发现了一个清晰的信号。这一发现暗示细菌-硅藻相互作用推动了光合作用和有机碳直接消耗的同时混合——这种现象被称为“混合营养”。
研究团队认为，特定的细菌可能直接为硅藻提供食物，帮助这些硅藻成为地球上最成功、最重要的微生物之一，在氧气生产和碳封存方面发挥着作用，并成为支持几乎所有海洋生命的食物网的基础。
“硅藻是海洋食物链的主要贡献者，也是全球碳循环的关键驱动因素。此前，我们在估算所有碳循环模型时，都假设硅藻的唯一作用是二氧化碳固定，”加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院微生物组创新中心研究员、儿科和生物工程系教授 Karsten Zengler 教授说道。
“我们的研究结果表明事实并非如此，硅藻同时也会吃有机碳。换句话说，我们已经证明硅藻并不完全依赖二氧化碳固定来生长和生产生物量。我们相信这些结果将对我们理解全球碳循环产生重大影响。”
“虽然在实验室中，人们观察到硅藻偏离光合作用，但迄今为止，我们无法测试这些硅藻在海洋中进行什么样的代谢。这是因为这个过程涉及许多基因，仅从基因表达数据很难描述哪个过程是活跃的。我们的方法解决了这个难题。”
研究小组希望这项工作能够激发人们对更深入地了解全球碳循环的兴趣，同时考虑到对海洋硅藻如何获取碳的更广泛的新理解。
以硅藻为食的细菌从这种关系中能得到什么则是另一个有待进一步研究的问题。
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