6月1日，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所葉乃好團隊在氣候變化領(lǐng)域的國際頂級期刊Nature Climate Change發(fā)表了題為“Decreased motility of flagellated microalgae long-term acclimated to CO2-induced acidified waters”的研究論文（article）。該研究首次從鞭毛運動和再生能力角度，解析了水體酸化對微藻運動能力的負(fù)面影響及機制，闡述了運動能力改變對微藻群體演變的潛在影響，為系統(tǒng)研究氣候變化條件下水域生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性格局變遷提供了新的研究思路和重要的理論依據(jù)。
評估和預(yù)測氣候變化對水生生物群體及其生態(tài)系統(tǒng)的影響是極具挑戰(zhàn)性的國際前沿科學(xué)問題。浮游植物是地球水體中最主要的初級生產(chǎn)者，通過光合作用將無機碳（CO2）轉(zhuǎn)化為有機碳，其豐度、多樣性及群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定事關(guān)全球碳循環(huán)乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否。探討浮游植物群體演變及其與氣候環(huán)境變化的關(guān)系，是我們了解過去、分析現(xiàn)在和預(yù)判未來氣候變化對自然水域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能影響的主要途徑，也是認(rèn)知水域養(yǎng)殖系統(tǒng)可持續(xù)產(chǎn)出和支撐生態(tài)系統(tǒng)水平管理的重要理論基礎(chǔ)。鞭毛是具有鞭毛微藻運動的主要動力來源，其通過垂直、水平和瞬時運動獲取光能、吸收營養(yǎng)、逃避敵害，因而鞭毛的運動能力對微藻的生存和繁衍起著至關(guān)重要的作用。迄今為止，CO2濃度升高引起的水體酸化對海洋、咸水和淡水鞭毛藻類運動能力的影響與機制尚不清楚。
圖1長期海水酸化對Microglena sp.運動速率的影響
研究團隊建立了不同CO2梯度（280、400、700、1000、1500、2000ppm）的室內(nèi)微藻長期純化培養(yǎng)體系及野外中試實驗平臺，設(shè)計并制作了微藻運動監(jiān)測計數(shù)裝置，通過對極地冰藻（Microglena sp.）、廣鹽性鹽藻（Dunaliella salina）和淡水萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）長達(dá)6年的室內(nèi)傳代培養(yǎng)及野外中尺度實驗發(fā)現(xiàn)，水體酸化條件下三種微藻的運動速率和再生能力顯著降低。長期酸化條件下，Microglena sp.與鞭毛運動能力調(diào)控正相關(guān)的輪輻蛋白、鈣離子通道蛋白和動力蛋白基因表達(dá)下調(diào)；磷酸化調(diào)節(jié)途徑中負(fù)相關(guān)的蛋白磷酸酶2A和蛋白磷酸酶1基因表達(dá)上調(diào)，正相關(guān)的酪蛋白激酶1與蛋白激酶A基因表達(dá)下調(diào)。在鈣信號調(diào)節(jié)和磷酸化調(diào)節(jié)兩條途徑的交互作用下，Microglena sp.的運動能力顯著降低。
圖2長期海水酸化條件下Microglena sp.鞭毛運動的應(yīng)答與調(diào)控機制
研究結(jié)果表明，氣候變化導(dǎo)致極地海冰的覆蓋面積和平均厚度逐年降低，海冰對光照的調(diào)控能力日趨減弱，生活在冰下的微藻為尋找合適的光強水層，需要更長距離的垂直運動來應(yīng)對日夜間光照強度變化，而鞭毛運動能力損傷則加劇了對微藻生存的威脅。由此可見，酸化對極地鞭毛微藻的負(fù)面影響更為嚴(yán)峻。由于真核生物鞭毛合成和運動的分子調(diào)控機制高度保守，水體酸化對其他鞭毛生物群體的影響及其生態(tài)效應(yīng)值得下一步深入探討。
圖3海水酸化與海冰消融對Microglena sp.運動能力的影響
黃海水產(chǎn)研究所王依濤為該論文第一作者，葉乃好研究員為通訊作者。廈門大學(xué)的高光副教授，澳大利亞莫納什大學(xué)的John Beardall教授，日本筑波大學(xué)的Kazuo Inaba教授，英國普利茅斯大學(xué)的Jason M Hall-Spencer教授和澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)的Andrew McMinn教授等學(xué)者參與了該項工作。研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室、萬人計劃和山東省泰山學(xué)者特聘專家等項目的資助。
Nature Climate Change是國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature的子刊，2018年影響因子為21.72。全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41558-020-0776-2；DOI: 10.1038/s41558-020-0776-2。
