【科研進展】廈門大學史大林教授團隊研究成果在Science雜誌發表

4月27日，Science雜誌提前在線發表廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室史大林教授研究團隊的研究論文「The complex effects of ocean acidification on the prominent N2-fixing cyanobacterium Trichodesmium」。該研究以海洋生態系統中重要的「新氮」貢獻者——束毛藻（Trichodesmium）為對象，通過系統性的實驗室機理探究和海上現場實驗，發現因大氣CO2上升而引起的海洋酸化抑制束毛藻的固氮作用，且該負效應隨著海水中鐵濃度的下降而加劇。這一研究成果不僅揭示了海洋酸化對束毛藻的影響及其機制，而且為先前國際上就該科學問題的爭議提供了科學解釋，對於深入理解全球變化下碳、氮的海洋生物地球化學循環具有重要的意義。

顯微鏡下的束毛藻圖像

海洋浮游植物貢獻了地球上約50%的初級生產力，驅動著海洋生物泵將碳從上層海洋向深層輸出，在海洋和全球碳循環中扮演著舉足輕重的角色，調節著全球氣候。氮是浮游植物生長所必需的元素，其缺乏限制了全球面積一半以上海區的初級生產力。束毛藻是海洋生態系統中「新氮」的重要來源之一，可貢獻高達50%的全球海洋總固氮量，對海洋初級生產力以及碳、氮生物地球化學循環起著至關重要的影響。工業革命以來，近三分之一人類活動排放的CO2進入海洋，導致其正以迄今3億年以來最快的速度酸化。海洋酸化將怎樣影響束毛藻的固氮作用，其碳、氮生物地球化學效應和氣候效應如何，是國際海洋全球變化研究的熱點和焦點。圍繞該重大科學問題，近年來國際上開展了一系列的研究，但報道的研究發現卻截然相反，且原因不明。有的研究表明海水酸化顯著促進了束毛藻生長和固氮，而有的研究則報道酸化起抑制作用。針對這一備受關注卻懸而未決的科學問題，史大林教授帶領的研究團隊開展了系統性的實驗室和現場研究工作。

在束毛藻生活的寡營養海區，痕量金屬鐵是其生長和固氮作用最重要的限制因子之一。然而，先前報道海洋酸化促進束毛藻固氮作用的室內研究，使用的均是富營養的人工海水培養基。史大林教授研究團隊採用痕量金屬潔凈操作技術，以天然寡營養海水為培養基開展研究，並創新性地從區分海洋酸化過程中CO2上升和pH下降的雙重效應入手，發現CO2升高對束毛藻固氮的促進作用弱於海水pH下降對其的抑制作用，導致海洋酸化的凈效應為抑制束毛藻固氮，且該負效應隨著海水中鐵濃度的下降而增強。實驗表明，藻細胞內的pH隨著海水pH的下降而下降，束毛藻上調固氮酶的表達以應對由此引起的固氮速率降低，同時加大能量生產用以維持細胞內的pH穩態（pH homeostasis）。鑒於固氮酶合成和能量生產過程對鐵的高度需求，鐵限制條件加劇了酸化的負效應。此外，通過系統的受控培養實驗，研究團隊發現先前其他研究小組報道的海洋酸化對束毛藻固氮的促進作用，很可能是因人工海水培養基中金屬和氨的污染所導致的假象。在室內實驗的基礎上，史大林教授研究團隊依託國家自然科學基金共享航次，在國際上首次對鐵限制下的天然束毛藻群落開展了酸化研究，通過在南海寡營養海區的現場痕量金屬潔凈受控培養實驗，發現海水酸化在降低固氮速率的同時上調了固氮酶基因的轉錄，表明酸化導致固氮效率下降，這與實驗室的機理研究結果相吻合。

海水CO2升高對束毛藻生長和固氮的促進作用弱於海水pH下降對其的抑制作用

這一研究成果被Science雜誌選為First Release Papers提前在線發表（Science根據研究的時效性和重要性，每周選擇若干篇論文提前發表），詳見

http://science.sciencemag.org/content/early/2017/04/26/science.aal2981。

史大林教授為論文的通訊作者，其課題組成員洪海征副教授為論文第一作者，研究助理沈容、博士生張福婷和溫作柱等為研究骨幹；論文的合作者還包括來自我實驗室和美國佛羅里達州立大學、普林斯頓大學的科學家。該研究工作得到了中組部「青年千人計劃」、國家自然科學基金委「優秀青年科學基金」和面上項目、國家重點研發計劃等的資助。

史大林教授於2011年獲美國普林斯頓大學博士學位，博士期間（2010年）曾以第一作者兼通訊作者身份在Science發表研究論文，論文入選2003-2013年期間ESI高被引論文（Highly Cited Papers）。2012年加入廈門大學以來，先後入選「青年千人計劃」、獲批「優秀青年科學基金」及入選「中青年科技創新領軍人才」等計劃，並在PNAS、Limnology and Oceanography等國際頂級期刊上發表多篇論文。

文章來源：廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室網站