海洋超微型藍細菌聚球藻的生態(tài)學研究進展

鄭 強,賀博聞,史文卿,陳 奇,林大暉,王 煜,2

(1.廈門大學海洋與地球?qū)W院,近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室,福建省海洋碳匯重點實驗室,福建 廈門 361102;2.廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院,福建 廈門 361102)

聚球藻(Synechococcus)是地球上數(shù)量最多的原核光合自養(yǎng)生物之一(圖1),在上層海洋中其豐度為102～106mL-1[1].聚球藻在全球范圍內(nèi)分布廣泛,其個體微小(0.6～2 μm)[2],卻占據(jù)了海洋浮游植物總生物量的12%～15%[3].聚球藻、原綠球藻(Prochlorococcus)及束毛藻(Trichodesmium)構(gòu)成了海洋中最古老的原核光合自養(yǎng)生物類群——藍細菌(cyanobacteria)[4].最早的藍細菌于35億～33億年前的地質(zhì)化石中被發(fā)現(xiàn)[5],約在27億年前開始不斷進化光合產(chǎn)氧能力[6].藍細菌光合系統(tǒng)相關(guān)基因的進化分析表明,包括聚球藻在內(nèi)的藍細菌主要類群可能均由其近源類群黏桿菌藻屬(Gloeobacter)分化而來[7].在后續(xù)的進化過程中,聚球藻產(chǎn)生了承載光合作用的重要生物膜結(jié)構(gòu)——類囊體,同時也演變出更為復雜的藻膽體[8-9],使它們具備更強大的光合作用能力.聚球藻進而成為海洋中重要的初級生產(chǎn)者,與原綠球藻共同貢獻了約25%的海洋凈初級生產(chǎn)力[10].

(a)透射電鏡成像;(b)48孔板稀釋純化;(c)不同色素聚球藻培養(yǎng)體系,從左至右依次為聚球藻CBW1002、PCC7002、PCC7003、CCMP1333、XM3、XM5、XM24、SYN、CBW1106、CBW1107、CBW1005、XM11、YX04-1、YX04-3、YX04-4、YX02-1、WH7803、WH8012、YX04-2(藻藍蛋白/藻紅蛋白比例由高到低).圖1 聚球藻的形態(tài)及不同色素聚球藻培養(yǎng)體系Fig.1 The morphology of Synechococcus and their cultures containing different pigments

1979年科學家發(fā)現(xiàn)聚球藻在海洋中廣泛存在,此后聚球藻逐漸成為科學家研究的熱點[2,11].伴隨著克隆文庫、聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)、高通量測序、蛋白質(zhì)組和單細胞測序等分子生物學手段的發(fā)展,聚球藻的分布范圍、系統(tǒng)發(fā)育分類、生理特性等不斷被揭示,其生態(tài)價值與貢獻也逐漸被人們認可和重視.同時,在當前全球變化的影響下,海洋環(huán)境不斷發(fā)生變化,聚球藻的生理活動及其對生態(tài)系統(tǒng)的貢獻也將隨之發(fā)生改變.本文從聚球藻對初級生產(chǎn)力的貢獻、遺傳多樣性,及其與異養(yǎng)細菌、藍細菌病毒的互作機制4個方面對相關(guān)研究進展進行總結(jié),同時在全球變化大背景下對聚球藻在海洋中的生態(tài)貢獻及生態(tài)意義進行展望,以期為未來聚球藻研究提供一定的理論參考.

1 聚球藻的生態(tài)意義

1.1 聚球藻對初級生產(chǎn)力的貢獻

聚球藻作為海洋中重要的光合自養(yǎng)生物,可通過藻膽素、葉綠素a等多種色素進行光合作用,對海洋碳固定有重要貢獻[12-13].在熱帶和亞熱帶東北大西洋的研究中發(fā)現(xiàn),聚球藻細胞的固碳速率為(9.5±4.3) fg/h,其碳固定量可達該海域總碳固定量的(21±13)%[14],與近岸海域聚球藻對海洋的碳固定貢獻率(>20%)相當[15].即使從凈初級生產(chǎn)力角度估算,聚球藻仍可占全球海洋凈初級生產(chǎn)力的16.7%左右,這足以表明它們在海洋碳固定中發(fā)揮著舉足輕重的作用.此外,在全球變化背景下,生態(tài)模型結(jié)果表明聚球藻可能在全球海洋中占據(jù)更廣闊的地理分布范圍,進而在未來海洋中貢獻更高的初級生產(chǎn)力[10].Flombaum等[10]以跨越35年遍及太平洋、南大西洋和南印度洋的龐大數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ),建立了定量生態(tài)位模型,預(yù)測到21世紀末聚球藻的全球細胞豐度將增加14%.在有關(guān)2100年原綠球藻、聚球藻和超微型真核浮游植物分布變化的研究中,除聚球藻豐度的上升外,還預(yù)測超微型真核浮游植物豐度將下降8%[16].這表明聚球藻對海洋初級生產(chǎn)力貢獻的增加并不單純來自細胞數(shù)量增多,競爭性群落演替也是聚球藻貢獻潛能提升的重要因素.聚球藻及其他藍細菌類群(如束毛藻)同時可進行生物固氮,尤其在寡營養(yǎng)海域的新生氮供給中發(fā)揮重要作用[17-18].因此,未來聚球藻對海洋初級生產(chǎn)力及其中的物質(zhì)元素循環(huán)將會有更大貢獻.

1.2 聚球藻在微食物環(huán)中的作用

浮游植物是微食物環(huán)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),聚球藻自身固定的有機碳可被其他營養(yǎng)級生物分解或再礦化,進而推動海洋中碳的周轉(zhuǎn)流動[19](圖2).聚球藻固定CO2合成的有機物質(zhì)部分會釋放到周圍環(huán)境,異養(yǎng)細菌可利用轉(zhuǎn)化這些有機質(zhì)為自身生物量,供給細胞生長繁殖,同時還可再礦化有機碳為CO2,使其再次被聚球藻等光合自養(yǎng)生物利用或直接以CO2形式返回到大氣中[13,21].此外,聚球藻及異養(yǎng)細菌又可被鞭毛蟲、纖毛蟲等原生動物攝食,繼而被中型浮游動物(如橈足類)消費,最后被魚類等海洋生物捕食,從而進入經(jīng)典食物鏈(網(wǎng))[22].有機碳及能量在此過程中層層傳遞,被轉(zhuǎn)化為生物量,或通過呼吸代謝消耗,或作為排泄物被分解者利用[23].

DOM.溶解有機質(zhì);POM.顆粒有機質(zhì);RDOM.惰性DOM.圖2 聚球藻在海洋微生物環(huán)中的作用(參考文獻[20],有修改)Fig.2 The roles of Synechococcus in the marine microbial loop (modified from Ref.[20])

1.3 聚球藻的海洋碳沉降

聚球藻作為海洋生物碳泵的重要參與者,一部分細胞會以直接或間接方式沉降到深海[24-25](圖2).直接沉降途徑主要指聚球藻等浮游植物產(chǎn)生透明胞外多糖顆粒,促進細胞黏合聚集,進而直接下沉至深海[26-27].盡管聚球藻個體微小,但在大西洋百慕大時間序列研究中發(fā)現(xiàn),它們的聚集體占沉積物捕集器中顆粒有機碳總量的百分比可達2%～13%[28].此外,在間接沉降方面,多項關(guān)于深海碳通量的研究均明確表明,聚球藻存在于深海沉積物及深海消費者腸道中,證實了聚球藻經(jīng)浮游動物攝食向海洋深層的輸送[28-30].通過直接和間接沉降,聚球藻一般以與上層海洋凈初級生產(chǎn)總量成正比的量級關(guān)系向下輸出,因此其對海洋碳沉降的貢獻不容忽視[24,31].

2 聚球藻的遺傳多樣性

2.1 聚球藻的全球豐度

聚球藻廣泛分布于開闊大洋、近岸、河口等海域[32].聚球藻的全球海洋年平均總豐度約7×1026mL-1[10],在不同海域中常見豐度約103～105mL-1[33-34].在西太平洋沿海,聚球藻年際豐度變化為500～56 000 mL-1,數(shù)值在夏季達到最高,而冬季相對較低[35].這種季節(jié)豐度變化規(guī)律與以往諸多研究一致[36-38],其背后機制主要為聚球藻(相較于真核藻類而言)具有較高的溫度適應(yīng)和低濃度營養(yǎng)攝取能力[39-40].

在一些極度寡營養(yǎng)的地中海海域,聚球藻以約4×105mL-1的平均高豐度成為浮游植物的主導類群[41].在大西洋和印度洋海域聚球藻同樣也有著較高的豐度,大西洋海域的聚球藻豐度為103～104mL-1[42-43],而在印度洋海域其最高豐度可達2×105mL-1以上[44].在營養(yǎng)鹽含量較高的河口或瀉湖區(qū),聚球藻展現(xiàn)出比大洋更高的豐度.例如,Wang等[45]研究發(fā)現(xiàn),切薩皮克灣的聚球藻豐度可達106mL-1,貢獻了總浮游植物葉綠素a濃度的20%～40%.此外在地中海近岸地區(qū)的高鹽瀉湖中,Mercado等[46]同樣發(fā)現(xiàn)最高達6×106mL-1的高豐度聚球藻.

2.2 聚球藻的分類及分布

隨著聚球藻逐漸成為科學家的研究熱點,其分類不斷被完善和細化.以藻膽蛋白種類和組成作為分類標準,海洋聚球藻可分為藻藍蛋白(1型)、藻紅蛋白Ⅰ(2型)和藻紅蛋白Ⅱ(3型);同時部分含有藻紅蛋白Ⅰ和Ⅱ的株系可進一步基于其發(fā)色團上藻尿膽素 (phycourobilin,PUB)與藻紅素(phycoerythrobilin,PEB)的比例,由低到高細分為3a～3c和3f亞型,而依據(jù)光質(zhì)改變PUB與PEB比例的特殊株系則歸為3d亞型[47-48].

以細胞光合色素組成、運動能力、鳥嘌呤+胞嘧啶(G+C)含量及嗜鹽性進行綜合分類時,聚球藻又可被分為5.1、5.2和5.3亞群,其中5.1亞群基于系統(tǒng)發(fā)育分析進一步分為5.1A和5.1B兩大亞類[49].在此基礎(chǔ)上,基于分子遺傳特征,各亞群(類)還可通過不同分子標記進一步細分為多個分支.最為常用的分子標記為16SrRNA基因及分辨率更高的16SrDNA和23SrDNA基因之間的轉(zhuǎn)錄間隔(internally transcribed spacer,ITS)序列[50-51],基于ITS序列分類的具體分支情況見表1.此外,硝酸鹽還原酶基因(nitrate reductase,narB)[53]、光合系統(tǒng)Ⅰ基因(photosystem Ⅰ gene,psbA)[54]、RNA聚合酶C1基因(RNA polymerase,rpoC1)[48]、藻紅蛋白Ⅰ編碼基因(phycoerythrin gene,cpeBA)[55]和細胞色素B6基因(cytochrome B6 subunit,petB)[56]等序列變異性更高的功能基因也常被用于輔助分類,以獲得更精細的分類(支)結(jié)果.然而,功能基因相較于常用的分子標記(16SrDNA基因或ITS序列)難以覆蓋全部聚球藻株系[32,57],這對分類結(jié)果完整性的影響不容忽視.

表1 基于ITS序列的聚球藻分類(支)

目前,聚球藻的分類工作仍在不斷更新.2020年Salazar等[58]依據(jù)聚球藻基因組特征創(chuàng)建了一種新的分類系統(tǒng),以科屬等級分類替代上述的亞群分支.盡管該系統(tǒng)目前還沒有被廣泛使用,但聚球藻未來的分類方式仍值得期待.

聚球藻的生長范圍縱貫赤道至兩極,遍及近岸到大洋的真光層.5.1亞群在聚球藻中占據(jù)優(yōu)勢地位,其主要分支Ⅰ～Ⅳ在全球范圍的分布特征已得到普遍認可:分支Ⅰ和Ⅳ常共同出現(xiàn)于高緯度近?；驕貛е袪I養(yǎng)水域,緯度約在30° N以北和30° S以南;分支Ⅱ則以較高的豐度廣泛分布于更為溫暖且寡營養(yǎng)的亞熱帶或熱帶水域,緯度在30° N～30° S之間;分支Ⅲ更偏向于生長在寡營養(yǎng)水域,但無明顯的緯度偏好[32,44,52,59].而5.1亞群其余分支的分布情況也在一些文獻中有所總結(jié),例如:分支Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ廣泛分布在熱帶和亞熱帶水域[43-44];分支Ⅷ更適應(yīng)于高鹽水域[49,60];分支Ⅸ和Ⅹ則較為少見且豐度較低[43-44].相較于廣泛分布的5.1亞群,5.2亞群主要集中分布在河口地區(qū),如切薩皮克灣[61].5.3亞群則零散分布于地中海、東中國海及馬尾藻海等海域[49,62-63].

需要強調(diào)的是,目前尚未有研究表明聚球藻的遺傳多樣性與其生理特性間存在明確對應(yīng)關(guān)系.因此,聚球藻各類群的地理分布不能完全依靠其從屬分類(支)判定,具體的環(huán)境條件和生態(tài)因素也可能塑造聚球藻的生理特性,進而限制其分布范圍[38,64].如何厘清聚球藻生理特性及遺傳特性間錯綜復雜的聯(lián)系,將是未來亟待解決的問題之一.

2.3 聚球藻的基因組特性

海洋聚球藻的基因組平均約為2.62 Mbp,一般由一個環(huán)狀染色體組成,與其他海洋細菌基因組相比較小[32].2003年首個海洋聚球藻基因組被成功測序(分離自熱帶大西洋海域的聚球藻菌株Synechococcussp. WH8102),其基因組大小為2.43 Mbp,預(yù)測到2 778個蛋白編碼基因[65-66].截至2022年2月,NCBI數(shù)據(jù)庫(http:∥www.ncbi.nlm.nih.gov)中已測序的聚球藻目(Synechococcales)下基因組共有605個,主要集中在原綠球藻科(Prochlorococcaceae)(238個基因組)與聚球藻科(Synechococcaceae)(286個基因組).截至2021年11月,Integrated Microbial Genomes &Microbiomes(IMG/M)數(shù)據(jù)庫(http:∥img.jpi.doe.gov/m/)中已有1 068個聚球藻目相關(guān)的基因組數(shù)據(jù)[67].隨著測序技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的海洋聚球藻基因組被測序,如圖3所示為聚球藻XM-24全基因組圖譜(本課題組未發(fā)表數(shù)據(jù)),海洋聚球藻對其所處環(huán)境條件的適應(yīng)機制也被不斷探究和挖掘[68].

圖3 聚球藻XM-24全基因組圖譜Fig.3 whole genome map of Synechococcus sp. XM-24

在基因組基本特征方面,基于較為完整的基因組數(shù)據(jù)分析,海洋藍細菌類群的核心基因約為911個,泛基因數(shù)量可達27 376個以上[55].其中,聚球藻基因數(shù)量通常在2 840個左右,其平均G+C含量(58.25%)高于近緣種類原綠球藻(41.46%)[55].在基因組結(jié)構(gòu)和組成上,海洋聚球藻獨特于其他不同環(huán)境分離的藍細菌類群.2003年P(guān)alenik等[66]對海洋聚球藻菌株WH8102、兩株原綠球藻和一株淡水聚球藻進行了最早的海洋聚球藻比較基因組分析,發(fā)現(xiàn)海洋聚球藻基因組特征與其余株系有明顯區(qū)別,這些差別主要來源于其對所在海洋環(huán)境的適應(yīng).類似地,2016年對24株來自不同水域聚球藻菌株的基因組研究中,Coutinho等[69]基于聚球藻菌株共有的同源基因進行系統(tǒng)發(fā)育重建,發(fā)現(xiàn)聚球藻屬內(nèi)部菌株基因多樣性十分豐富,并強調(diào)淡水株系和海洋株系應(yīng)基于基因組成進一步劃分.2021年Chen等[70]比較了包括聚球藻、原綠球藻以及其他藍藻在內(nèi)的650株藍細菌基因組,正式依據(jù)陸生、淡水和海洋3種生境對其進行劃分,發(fā)現(xiàn)藍藻可以通過其泛基因組中數(shù)百個光照、營養(yǎng)條件、鹽度等特定功能基因表達以及水平基因轉(zhuǎn)移,獲得新的功能基因的方式以適應(yīng)不同的環(huán)境.這種生境適應(yīng)途徑在多項研究中也得到證實[68,71].

不同生態(tài)型的海洋聚球藻類群具有各異的環(huán)境適應(yīng)策略.2006年P(guān)alenik等[72]將分離自沿岸海域的聚球藻Synechococcussp. CC9311,與開放大洋海域的聚球藻WH8102進行比較基因組研究,發(fā)現(xiàn)二者通過較大差異的基因組成來適應(yīng)各自所處環(huán)境,尤其體現(xiàn)在基因調(diào)控、轉(zhuǎn)運和代謝、細胞運動能力以及光適應(yīng)方面.例如在信號傳導方面,開放大洋海域的聚球藻菌株WH8102的雙組分信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)十分有限,僅包括5個組氨酸激酶傳感器和9個反應(yīng)調(diào)節(jié)器,對應(yīng)于其相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng);相比之下,近岸海域的海洋聚球藻CC9311有更多的信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)相關(guān)基因(11個組氨酸激酶和17個反應(yīng)調(diào)節(jié)因子),以適應(yīng)沿海更為多變的環(huán)境條件;不同進化支的海洋聚球藻同樣可基于基因多樣性適應(yīng)不同的生態(tài)位,出現(xiàn)在開放大洋的聚球藻屬進化支Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ只有較少數(shù)量的調(diào)節(jié)系統(tǒng),而另外一些進化支Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅸ和5.2亞群的聚球藻則具有更多基因以應(yīng)對多變的環(huán)境條件.綜上可見,水平基因轉(zhuǎn)移可以使聚球藻獲得特殊功能基因,而環(huán)境壓力的選擇作用使之保留下來,從而利于不同菌株適應(yīng)其獨特生境.

3 聚球藻與其共棲異養(yǎng)細菌相互作用

光合自養(yǎng)與異養(yǎng)微生物的相互作用關(guān)系在海洋微食物環(huán)以及生物地球化學循環(huán)中起著重要作用[20,73].實驗室分離的聚球藻培養(yǎng)體系中往往含有大量的異養(yǎng)細菌,利用流式細胞細菌分選聚球藻再培養(yǎng),或加入抗生素抑制異養(yǎng)細菌的生長,均只能在短時間內(nèi)將異養(yǎng)細菌控制在一個低豐度水平;隨著聚球藻的生長和抗生素作用的去除,異養(yǎng)細菌會再次快速生長.這些異養(yǎng)細菌是隨聚球藻分離和生長過程而自然選擇下來與聚球藻共棲的異養(yǎng)微生物,也是研究光合自養(yǎng)與異養(yǎng)微生物群落互作關(guān)系的良好實驗對象.聚球藻與異養(yǎng)細菌之間存在著密切的協(xié)同作用關(guān)系,幾種具有不同過氧化氫酶活性的異養(yǎng)細菌均能夠支持低初始密度聚球藻在固體培養(yǎng)基上的生長[74].與無菌(低濃度異養(yǎng)細菌)培養(yǎng)相比,聚球藻與異養(yǎng)細菌共培養(yǎng)能夠使其生長得更好,存活時間更久[75].

不同生態(tài)型的聚球藻與多種關(guān)系密切的異養(yǎng)細菌間有著復雜的互作關(guān)系.前期本課題組研究發(fā)現(xiàn),富營養(yǎng)生態(tài)型Synechococcussp. XM-24和寡營養(yǎng)生態(tài)型Synechococcussp. YX04-3與共棲異養(yǎng)細菌培養(yǎng)顯示出不同的動態(tài)關(guān)系[21].在寡營養(yǎng)聚球藻培養(yǎng)體系中,可能是由于聚球藻釋放了更多溶解有機物,大部分優(yōu)勢異養(yǎng)細菌類群更傾向于游離的生活方式;并且在聚球藻指數(shù)生長期,異養(yǎng)細菌豐度可高于聚球藻豐度[76].

通過分析富營養(yǎng)和寡營養(yǎng)生態(tài)型的聚球藻培養(yǎng)體系,發(fā)現(xiàn)聚球藻共棲的優(yōu)勢異養(yǎng)細菌類群是相似的,主要來源于CFB(Cytophaga-Flavobaeteria-Baeteriodes)菌群、α-變形桿菌(α-proteobacteria)、γ-變形桿菌(γ-proteobacteria)以及放線菌(Actinobacteria)[21].聚球藻和異養(yǎng)細菌形成的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)可能因生境的不同而存在差異,共棲異養(yǎng)細菌群落在實驗室條件下高度穩(wěn)定[77].黃桿菌屬(Flavobacteria)通常是聚球藻共培養(yǎng)體系中最優(yōu)勢的類群,一般傾向于附著生活,善于降解復雜高分子有機物或生物聚合物[78-80].對存在于聚球藻培養(yǎng)體系的黃桿菌進行基因組分析,發(fā)現(xiàn)其中包含多種聚合物降解酶基因及與滑行運動和黏附聚集相關(guān)的基因,表征了其附著能力和多糖降解及復雜蛋白質(zhì)水解利用的潛能[76,80-81].玫瑰桿菌屬(Roseobacter)也是共棲體系中的優(yōu)勢類群,它們有著游離和附著兩種生活方式,既能利用高分子量有機物,實現(xiàn)高分子量向低分子量有機物轉(zhuǎn)化,又能夠利用聚球藻和黃桿菌產(chǎn)生的低分子量代謝副產(chǎn)物,有著較強的環(huán)境適應(yīng)能力[75,79-80].

聚球藻與共棲異養(yǎng)細菌培養(yǎng)中,二者在營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)與利用、應(yīng)對氧化壓力以及維生素B12(vitamin B12,VB12)合成等方面形成協(xié)同作用關(guān)系[76,80].缺失清除活性氧功能或VB12合成能力的類群依賴于具有這些功能的微生物類群,共同維持穩(wěn)定的共棲體系[76,80,82].共棲體系中也存在著拮抗的相互作用,例如玫瑰桿菌Marivitasp. XM-24在聚球藻生長后期可能與其競爭磷酸鹽,擬桿菌Roseivirgasp. XM-24會釋放一些具有殺藻活性的蛋白,可能加速聚球藻死亡[80].而當將環(huán)境微生物群落接種于呈指數(shù)增長的聚球藻培養(yǎng)體系進行長期培養(yǎng)時,聚球藻和異養(yǎng)細菌之間還會經(jīng)歷從拮抗到互利共生的關(guān)系轉(zhuǎn)變[83].

聚球藻釋放至環(huán)境中的有機物質(zhì)控制著培養(yǎng)體系中異養(yǎng)細菌的生活策略和群落演替,同時異養(yǎng)細菌代謝利用有機質(zhì)存在一定的順序[20-21,79].聚球藻將一部分光合產(chǎn)物釋放至環(huán)境中,黃桿菌能夠?qū)⑵渲懈叻肿恿坑袡C物代謝轉(zhuǎn)化為低分子量有機物,α-變形桿菌進一步將低分子有機物代謝轉(zhuǎn)化為無機營養(yǎng)鹽供聚球藻再利用,從而在共培養(yǎng)體系中形成一種協(xié)同作用的閉合回路(圖4),維持聚球藻培養(yǎng)體系的長期穩(wěn)定[84].

PSⅠ.光系統(tǒng)Ⅰ;PSⅡ.光系統(tǒng)Ⅱ;NADPH.還原型輔酶Ⅱ;ATP.三磷酸腺苷;ADP.二磷酸腺苷;SOD.超氧化物歧化酶;SusCD.參與生物聚合物結(jié)合和攝取的蛋白復合體;SwmAB.細胞運動表面蛋白;PUL.普魯蘭多糖;PHA.聚羥基脂肪酸酯.圖4 基于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)的聚球藻(a)與共棲異養(yǎng)細菌黃桿菌(b)及α-變形桿菌(c)相互作用(參考文獻[76],有修改)Fig.4 Interactions between Synechococcus (a),and associated heterotrophic bacteria Flavobacteria (b) and α-proteobacteria (c) based on the metaproteomic data (modified from Ref.[76])

4 聚球藻病毒

侵染聚球藻和原綠球藻等藍細菌的病毒被稱作噬藻體或藍細菌病毒(cyanophage),是海洋噬菌體的重要組成類群之一,在微生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)及海洋生物地球化學循環(huán)中發(fā)揮重要作用[85-86].病毒侵染往往被認為是海洋藍細菌死亡的重要途徑,但侵染率和死亡率的研究估算范圍較大.早期研究表明每天10%～30%的海洋藍細菌被病毒裂解,而最近通過“iPolony”方法估計原綠球藻的病毒感染率普遍較低,僅造成原綠球藻每天0.35%～4.8%的死亡率[85,87].盡管死亡率較低,但由于藍細菌在海洋中數(shù)量巨大,藍細菌病毒裂解所釋放的有機質(zhì)及無機營養(yǎng)鹽仍對海洋C、N、P等化學元素循環(huán)具有重要影響.

4.1 聚球藻病毒特征及分類

與所有噬菌體相同,藍細菌病毒由蛋白質(zhì)外殼包裹核酸,營嚴格胞內(nèi)寄生生活,通過感染宿主細胞進行繁殖,依據(jù)其形態(tài)和生活史等特征可分為多種類型(圖5).根據(jù)其生活史可分為裂解性噬菌體和溶原性噬菌體,不同生活策略反映噬菌體對于環(huán)境的適應(yīng)性,通常在環(huán)境中有較高宿主豐度時噬菌體傾向于裂解性生活,而較低宿主豐度時則傾向于溶原性噬菌體[85,88].根據(jù)噬菌體可侵染的宿主范圍和裂解量可分為低裂解量寬泛宿主范圍和高裂解量狹窄宿主范圍兩類[89].目前所發(fā)現(xiàn)的藍細菌病毒均為有尾雙鏈DNA類型,從海洋聚球藻中分離的病毒多為宿主范圍較廣的肌尾噬藻體,從河口區(qū)域的聚球藻中分離的短尾和長尾噬藻體則有較高的宿主專一性[90].此外,較為“溫和”的前噬藻體目前僅在淡水藍細菌株系中被誘導出[91],而侵染海洋聚球藻的病毒主要是具有較強侵染性和高裂解量的裂解性病毒[90,92].

圖5 聚球藻病毒的形態(tài)Fig.5 Morphology of Synechococcus virus

4.2 聚球藻病毒和宿主的相互作用

海洋中藍細菌的豐度、生理狀況以及晝夜變化等因素會影響藍細菌病毒的豐度[93-94].在自然環(huán)境中,聚球藻等藍細菌在基因表達和代謝等方面表現(xiàn)出晝夜節(jié)律以適應(yīng)光暗變化周期[95-96].可能由于對宿主細胞的吸附以及對宿主光合作用能量的依賴等,藍細菌病毒侵染宿主過程也表現(xiàn)出晝夜節(jié)律[95,97-98].藍細菌病毒中存在周期性表達的基因,并在海洋表層侵染宿主具有同步性,可導致溶解有機物的同步釋放[88,99].

病毒裂解宿主細胞將大量營養(yǎng)元素(C、N、P、S、Fe等)釋放進入微食物環(huán)(圖2),繼而通過異養(yǎng)細菌的代謝轉(zhuǎn)化將其中一部分向更高營養(yǎng)級傳遞,即病毒回路,該過程中同時會產(chǎn)生難以被生物利用的RDOM,進而貢獻于海洋RDOM庫[100-101].隨著光譜、質(zhì)譜和波譜等技術(shù)的應(yīng)用,研究人員發(fā)現(xiàn)病毒裂解聚球藻產(chǎn)物中包含大量熒光類DOM(fluorescent DOM,FDOM),一部分相對活性的DOM能夠被異養(yǎng)細菌進一步利用,另一部分則相對惰性,且與深海FDOM的熒光信號相似,可能是深海RDOM的前體物質(zhì)[76,102].此外,藍細菌病毒在裂解聚球藻時會釋放大量含N和S的小分子物質(zhì),能夠被特定的微生物類群優(yōu)先利用[103].在聚球藻與異養(yǎng)細菌共培養(yǎng)體系中加入藍細菌病毒,發(fā)現(xiàn)聚球藻裂解期間,共棲異養(yǎng)細菌可快速代謝聚球藻裂解釋放的有機物,使培養(yǎng)體系內(nèi)銨鹽累積,而磷酸鹽的再生累積較為滯后,說明含N和含P有機物參與不同的微生物代謝過程[75,104].

病毒與其宿主之間的相互作用還包括種群多樣性的調(diào)控以及病毒輔助宿主代謝等.在環(huán)境中觀察到聚球藻病毒與宿主群落變化具有一致性,病毒通過“Kill the Winner”機制維持宿主群落多樣性[105-106],同時通過裂解藍細菌釋放出的產(chǎn)物影響其他微生物的群落結(jié)構(gòu)與多樣性,進而維持整個群落的生態(tài)平衡[80,104].此外,在病毒的基因組中還存在一些輔助代謝基因,能夠調(diào)節(jié)宿主光合作用、碳代謝以及核苷酸合成等代謝途徑并促進新病毒的產(chǎn)生[107-108].

5 總結(jié)與展望

本文歸納了聚球藻這一重要浮游植物類群的生態(tài)學意義、遺傳多樣性及其與共棲異養(yǎng)細菌和病毒的互作關(guān)系,闡釋了聚球藻在全球海洋尺度碳循環(huán)中扮演的源頭角色和后續(xù)與其他物種間的緊密聯(lián)系.值得關(guān)注的是,近年來人類活動對全球變化產(chǎn)生重大影響[109],全球海洋環(huán)境正發(fā)生不容忽視的轉(zhuǎn)變,聚球藻在未來海洋中的生態(tài)地位也將隨之受到影響.

首先,CO2排放的增加擾亂了海洋碳酸鹽緩沖體系,降低了海水pH,造成海洋酸化現(xiàn)象發(fā)生[110].此外,過量溫室氣體導致的溫室效應(yīng)將升高海洋表層溫度,升溫協(xié)同增加的河流和降水輸入量加大海洋表層及深層密度差,加劇層化現(xiàn)象,阻礙氧氣傳遞及營養(yǎng)物質(zhì)的垂直向上輸送,使得海洋部分區(qū)域出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象,同時寡營養(yǎng)海域面積增加[111].環(huán)境條件的變化與生物生存息息相關(guān)[112],海洋生境動蕩將引起聚球藻的多種生理響應(yīng),例如:適度的CO2濃度增加可加快細胞光合速率、下調(diào)碳濃縮機制,使更多能量用于聚球藻生長[113-114];而同時產(chǎn)生的海洋酸化脅迫卻會帶來細胞呼吸作用增強、藻類耐高光脅迫能力降低等負面影響[115];升溫在聚球藻耐受限度內(nèi)外分別發(fā)揮正負雙向作用[116-117];而缺氧及營養(yǎng)鹽降低也將不同程度地限制細胞的正常生長[118-119].但當受到多種環(huán)境因子的疊加影響時,聚球藻的生理響應(yīng)會更為復雜且難以預(yù)料,因此目前尚無法對其未來具體生長、分布、類群演替情況及生態(tài)地位下定論[114,120].然而,多個時間序列觀測和模型預(yù)測結(jié)果表明,聚球藻極可能通過豐度及生態(tài)位的改變在未來海洋中發(fā)揮更大的生態(tài)作用[10].盡管聚球藻的細胞體積小,但營養(yǎng)吸收快且代謝消耗低,比體積大的浮游生物具有更強的生存競爭優(yōu)勢[121],不僅可在全球變化下向高緯度地區(qū)擴張地理分布[10,122],甚至還可在寡營養(yǎng)海域取代硅藻等更大體積的浮游植物成為主要的海洋初級生產(chǎn)者,貢獻更多海洋初級生產(chǎn)力[123].與此同時,海洋經(jīng)典食物鏈(硅藻/甲藻→橈足類→魚)或?qū)⑾蛭⑿褪澄镦?聚球藻→鞭毛蟲/纖毛蟲→橈足類→魚)偏移[124].當營養(yǎng)價值相對較低的聚球藻成為主要的被攝食對象,后續(xù)攝食者的生長及群落結(jié)構(gòu)會受到怎樣的影響?海洋生物地球化學循環(huán)及能量流動又將因此發(fā)生怎樣的變化?諸多相關(guān)的科學問題還等待進一步探索.可以預(yù)見,多環(huán)境因子疊加效應(yīng)的生理、生態(tài)實驗以及結(jié)合歷史航次數(shù)據(jù)構(gòu)建高可信度的生態(tài)模型將在此類難題破解中發(fā)揮重要作用.