近日，5123导航高坤山教授为通讯作者、博士生孙嘉振为第一作者以“Enhancement of diatom growth and phytoplankton productivity with reduced O2 availability is moderated by rising CO2”为题在Communications Biology 发表最新研究成果，表明水体缺氧促进近岸浮游植物群落初级生产力，提高硅藻类生长速率及无机碳浓缩与利用效率，抑制其线粒体呼吸及光呼吸。该促进效应在高碳（未来海洋酸化）条件下减弱。
研究背景
近岸及大洋海域均有缺氧现象（溶氧 < 63 μM）。同时，气候变暖及近岸水域富营养化通过加速颗粒有机物再矿化，导致水体脱氧，并扩大了低氧水体的规模。海洋脱氧与酸化使生物栖环境恶化，危及众多需氧生物的生存。通常低氧水体发生于海洋的中、深层，但上升流区域与近海缺氧区低氧水体也会出现在有光的表层。为此，低氧与低pH如何影响初级生产过程亟需探讨。
研究结果
该研究结合航次调查、室外中尺度浮游植物群落及室内硅藻培养实验，探究了初级生产过程对低氧的响应，并揭示了其影响机制。
珠江口航次调查的结果首先表明，在排除其他环境变量的干扰后，原位低光条件下浮游植物的光能利用效率与溶氧浓度之间存在显著的负相关；这暗示溶氧（DO）浓度的变化可能会影响海洋初级生产力。室外中尺度低氧模拟实验结果表明，低氧条件下（DO ~57 μM）浮游植物群落的初级生产力及光能传递效率显著高于对照组（DO ~213 μM）。实验期间，硅藻一直是主要的浮游植物群落之一，但在营养盐耗尽的中后期，低氧系统中甲藻占比显著升高。因甲藻的无机碳浓缩（CCMs）效率较低，且其二型核酮糖1，5二磷酸-羧化/加氧酶（form II Rubisco，CO2羧化酶）对氧气有较高亲和力，这使甲藻相较于其它藻类而言在低氧下获益较高。上述结果显示，浮游植物固碳和群落结构对低氧的响应与Rubisco催化的羧化与氧化效率相关。
为了进一步探明低氧对浮游植物效应的机制，开展了以硅藻（Thalassiosira weissflogii）为研究对象的室内培养实验。结果表明，低氧（DO ~57 μM）显著促进了T. weissflogii的光合放氧及生长速率，降低了线粒体呼吸及光呼吸速率。同时，低氧显著提高了其对CO2的亲和力以及其获取效率（达187%），这有助于提高Rubisco催化的羧化作用。尽管酸化（pHT 7.80; CO2 ~35 μM）部分抵消了低氧对硅藻CCMs的正面效应，但低氧与酸化复合影响下藻体的生长及光合放氧速率仍显著升高。
该研究结果表明，浮游植物能够从低氧环境中获益并加速对低氧水体的“再氧化”过程（中尺度实验结果表明缺氧较氧饱和条件下光合速率升高193-250%），暗示浮游植物能够提升光合放氧，缓解海洋脱氧对需氧生物的危害。
研究团队
博士生孙嘉振为论文第一作者，高坤山教授为通讯作者。共同作者包括5123导航高光、柳欣副教授，王提峰、黄瑞萍、易湘琦、张迪博士，王旭阳、邓子超硕士，中科院南海所李刚研究员，美国南加州大学David A. Hutchins教授以及澳大利亚莫纳什大学John Beardall教授。该项目受国家重点研发计划项目（2016YFA0601400 ）、国家自然科学基金项目（41720104005, 41890803, 41721005）资助。
基于研究结果的概念图：低氧促进CCMs运转效率，提升单位细胞/单位叶绿素的光合放氧速率。黑色箭头表示生化反应方向，红色箭头表示升高，蓝色箭头表示下降。
论文来源
Sun, JZ. et al. Enhancement of diatom growth and phytoplankton productivity with reduced O2 availability is moderated by rising CO2. Commun Biol . 5, 54 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-022-03006-7
论文链接
https://www.nature.com/articles/s42003-022-03006-7
Blog Post
https://ecoevocommunity.nature.com/posts/when-ocean-deoxygenation-meets-phytoplankton?channel_id=behind-the-paper
供稿人：高坤山教授团队
