2020年8月3日，近海海洋环境科学国家重点实验室（5123导航）史大林教授课题组在Limnology and Oceanography期刊在线发表了题为“The effect of cell size on cellular Zn and Cd and Zn-Cd-CO2 co-limitation of growth rate in marine diatoms”的研究成果。该研究揭示了海洋硅藻细胞大小与胞内锌(Zn)和镉(Cd)含量之间复杂的关系，阐明了不同粒径大小的硅藻在Zn-Cd-CO2共限制下利用Cd替代Zn的能力及其背后的机制，为认识Cd与碳在海洋生物地球化学循环中的联系提供了新认识。
碳酸酐酶(carbonic anhydrase，CA)在硅藻吸收利用无机碳中起着至关重要的作用，其催化反应的活性中心通常含有金属Zn。已有研究表明，在Zn限制条件下硅藻可以利用目前唯一已知的含Cd金属酶——镉碳酸酐酶(Cadmium-containing carbonic anhydrase，CDCA)，替代含Zn碳酸酐酶的作用。这可能是硅藻应对海洋 环境中低Zn和低CO2浓度的一种策略或竞争优势，从而有助于其成为现代海洋中的主要初级生产者和藻华爆发时的优势种。
先前有限的现场观测结果与室内受控培养实验显示，浮游植物(尤其硅藻)的粒径大小与其细胞Cd含量之间可能呈正相关，但其迄今尚未得到严格的实验证明，且背后的机制是否与CDCA协助摄取CO2相关亦有待被揭示。
史大林研究团队选取在Zn限制条件下生长受益于Cd添加且含有cdca基因的假威海链藻(Thalassiosira pseudonana，50 fL)、威氏海链藻(Thalassiosira weissflogii，1043 fL)和布氏双尾藻(Ditylum brightwellii，5859 fL)为研究对象，采用严格的痕量金属洁净实验技术，探究了三种粒径大小不同的硅藻的生长速率、细胞Zn:C和Cd:C与海水中无机态Zn(Zn')和Cd(Cd')浓度之间的关系。此外，为进一步探究三种硅藻对Cd需求不同的机理，定量分析了其总碳酸酐酶的活性以及含Zn碳酸酐酶(TWCA)和CDCA的蛋白表达水平。
图1. 不同Zn′和Cd′浓度下假威海链藻(Thalassiosira pseudonana)、威氏海链藻(Thalassiosira weissflogii)和布氏双尾藻(Ditylum brightwellii) 的生长速率。(a)无Cd添加；(b)每种藻分别添加等于其KZn′的Zn′浓度；(c)添加10 pM Cd′；(d)添加3.1 pM Zn′。
实验表明，三种硅藻的细胞大小分别与Zn吸收速率、细胞Zn:C和Zn限制下的生长速率之间存在反比关系。粒径最大的D. brightwellii的Zn吸收速率和细胞Zn:C都低于粒径最小的T. pseudonana，因此在给定的Zn′浓度下D. brightwellii的生长速率受到更大程度的限制。碳酸酐酶是硅藻CO2吸收和光合固碳过程中的关键酶。研究中的三种硅藻在Zn限制条件下都可以利用CDCA替代含Zn的TWCA发挥碳酸酐酶的作用，从而缓解Zn缺乏对生长的限制。此外，Cd吸收速率和细胞Cd:C随着细胞Zn:C的降低而显著上调。结合以往的研究发现，这表明Cd替代Zn会首先发生在含有最低细胞Zn:C的大粒径硅藻中。因此，在低至中等Zn′浓度下，较大粒径的硅藻具有较高的细胞Cd含量，这与Zn限制环境下浮游植物群落的现场观测数据相吻合，即粒径最大的浮游植物(主要是大粒径硅藻)细胞内Cd含量最高。
图2. Zn′浓度与三种硅藻细胞Zn:C(a)、Zn吸收率(b)、细胞Cd:C(c)和Cd吸收率(d)之间的关系以及细胞Zn:C与Cd:C(e)和细胞Cd吸收速率(f)之间的关系。
然而，当Zn′浓度和细胞Zn含量足够低时，相较于小粒径硅藻，粒径最大的硅藻对Cd的吸收趋于平稳，并首先达到其Cd吸收速率的饱和高值。在这个平台区域内，硅藻细胞对Cd的吸收与细胞大小成反比，这与Zn的吸收与细胞大小成反比结果相似。究其原因，粒径最大的D. brightwellii的比表面积最小， Zn和Cd向其细胞表面的扩散通量以及生长速率和代谢率最低。此外，该研究还发现，CDCA的表达随着藻细胞中Cd对Zn的逐渐替代而逐渐上调，并且对于给定的生长速率，粒径最大的硅藻具有最高的单位碳酸酐酶活性。上述结果表明，如同Zn和Cd，大粒径硅藻也会受限于低CO2扩散通量，导致其对TWCA和CDCA的需求增加以帮助对CO2的吸收。因此，在非常低的海水Zn、Cd及CO2浓度下，藻细胞的生长速率将受到Zn、Cd和CO2的共同限制。这种共同限制可能影响浮游植物群落的组成和生长，尤其是对大粒径浮游植物更为显著。
图3. 三种硅藻生长速率与总碳酸酐酶活性之间的关系。
史大林课题组2019届博士生李伟英为论文第一作者，史大林教授为通讯作者，美国北卡罗来纳大学William G. Sunda教授以及我室洪海征教授和林文芳工程师为共同作者。该研究得到了国家重点研发计划(2016YFA0601203)以及国家自然科学基金项目(41576133、41925026和41721005)的资助。
论文来源：
Li, W., Sunda, W.G., Lin, W., Hong, H. and Shi, D*. (2020), The effect of cell size on cellular Zn and Cd and Zn‐Cd‐CO2 colimitation of growth rate in marine diatoms. Limnol Oceanogr. DOI:10.1002/lno.11561
论文链接：http://dx.doi.org/10.1002/lno.11561
