来自海洋硅藻的新发现可能改写对全球碳循环的认识

加州大学圣地亚哥分校的研究发现，海洋硅藻（如Cylindrotheca closterium）将光合作用与直接碳消耗相结合，改变了以往对其碳摄入方式的看法。这种受细菌相互作用影响的双重策略可能会极大地影响人们对全球碳循环的认识。

最新研究表明，海洋硅藻积累碳的方法不止一种。除了光合作用，这些单细胞浮游生物还通过直接消耗海洋中的有机碳来增加生物量。这一发现可能会促使科学家修改他们对硅藻通过光合作用从大气中吸收二氧化碳量的估计。因此，这可能会改变我们对全球碳循环的认识，这对气候变化尤为重要。

这项研究由加州大学圣迭戈分校的生物工程师、生物信息学专家和其他基因组学研究人员领导。新研究成果将于 2024 年 7 月 17 日发表在《科学进展》（Science Advances）上。

研究小组发现，存在于世界各地海洋中的硅藻Cylindrotheca closterium 经常同时进行光合作用和直接从浮游生物等有机物中摄取碳。在研究人员分析的来自世界各地海洋的 70% 以上的水样中，研究小组发现了硅藻同时进行光合作用和直接消耗有机碳的迹象。

研究小组还发现，这种硅藻在进行光合作用的同时还消耗有机碳，因此生长速度更快。此外，这项新研究还暗示了一种诱人的可能性，即特定种类的细菌正在直接向生活在全球海洋中的大量硅藻提供有机碳。

这项工作基于一种基因组尺度代谢建模方法，研究小组利用这种方法揭示了硅藻Cylindrotheca closterium 的新陈代谢。研究人员利用从 TARA 海洋考察队获得的全球基因表达数据对基因组尺度代谢模型进行了约束。研究人员认为，这是首次在全球范围内使用基因组尺度模型。

研究小组的新陈代谢建模数据支持了最近的实验室实验，这些实验表明，一些硅藻可能依靠光合作用以外的策略来摄取它们生存、繁衍和积累生物量所需的碳。

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，以确定这种非光合活动在其他硅藻物种中的广泛程度。

研究小组研究了海洋水样中测量到的物理和化学参数，包括温度、pH 值、盐度、光照、氮和碳的可用性，但没有发现这些参数与硅藻倾向于放弃光合作用策略之间有任何关联。

然而，在研究海洋水样中与硅藻Cylindrotheca closterium共存的特定细菌种群时，研究小组发现了一个明确的信号。这一发现暗示了细菌与硅藻之间的相互作用，这种相互作用推动了光合作用与直接消耗有机碳的同时进行，这种现象被称为"混合营养"。

研究小组认为，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，包括氧气生产、碳固存，以及支撑海洋中几乎所有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力。以前，我们在估算所有碳循环模型时，都假定硅藻的唯一作用是固定二氧化碳。我们的研究结果表明，事实并非如此，硅藻同时也吃有机碳。换句话说，我们已经证明硅藻的生长和生物量的产生并不完全依赖于二氧化碳的固定。"加州大学圣地亚哥分校生物工程系教授、雅各布斯工程学院微生物组创新中心研究员卡斯滕-曾格勒（Karsten Zengler）说："我们相信，这些结果将对我们了解全球碳循环产生重大影响。虽然在实验室中已经观察到硅藻偏离光合作用的奇特现象，但一直无法测试这些硅藻在海洋中进行什么样的新陈代谢--直到现在。这是因为参与这一过程的基因有很多很多，仅从基因表达数据中很难确定哪个过程是活跃的。我们的方法解决了这一难题。"

研究小组希望这项工作能够激发人们的兴趣，让我们更仔细地了解全球碳循环，同时考虑到对海洋硅藻如何获得碳的这一新的更广泛的了解。

喂养硅藻的细菌从这种关系中得到了什么，这是另一个有待进一步研究的问题。

编译自/ScitechDaily