聚球藻是一種遍布全球海洋、數量最大的原核藻類之一，是海洋初級生產力的關鍵貢獻者。它們的生長代謝除受環境因素影響外，很大程度上受制于異養細菌的調控。研究揭示異養細菌與聚球藻存在著錯綜復雜的互作關系，然而當它們在長期共存條件下呈現出了互利共生的發展趨勢，最終建立一個營養自給自足的藻菌微生態系統，即使在長達2-3年內無人為補給營養，聚球藻始終能保持很高的細胞濃度和旺盛的光合固碳活性。然而海洋中藻菌關系會受到各種動態變化的環境因素干擾，聚球藻與異養菌群的這種互利共生關系能否保持穩定或者能否重現卻尚不清楚，這不僅是研究海洋藻菌關系動態變化過程與驅動機制的重要科學問題，并關乎海洋碳循環與氣候變化。
青島能源所張永雨研究員帶領的海洋碳匯與能源微生物研究組，在聚球藻與異養菌群長期互作方面的研究基礎上，發現人為添加外源營養會破壞聚球藻與異養菌群長期建立的互利共生關系。然而，一旦外源性營養物質被耗盡，它們又可逐漸恢復彼此的代謝共生關系。利用宏基因組、宏轉錄組和15N同位素示蹤等方法揭示了異養菌固氮是促發藻菌共生關系得以重建的關鍵驅因。期間異養菌群表現出了獨特的行為策略，表現為趨化性、群體感應、生物膜形成和藻多糖降解能力的增強等，驅動彼此互惠關系重建過程中菌群結構和功能的調整，并伴隨磷、鐵和維生素等其它營養要素的微生物生產，促進了聚球藻的健康生長。該研究表明營養物質的化學計量對聚球藻和異養細菌的共生關系具有重要影響，然而，由于聚球藻和異養細菌在地球歷史上已共存長達數十億年之久，它們可能已經建立了朝著互利共生關系方向發展的進化適應或內在傾向，以便能在不利的環境條件下健康生長，這可能也正是聚球藻在寡營養海洋環境中依然能保持其重要生態優勢地位的一種進化適應策略?！ ?
相關研究結果近日發表于國際期刊Science Advances，青島能源所的博士后Shailesh Nair和張增虎副研究員為該論文共同第一作者，通訊作者為張永雨研究員。該研究工作得到了廈門大學焦念志院士和高樹基教授等的協助，并在基金委、科技部以及中科院海洋大科學中心等項目經費資助下完成。
圖 長期共存下聚球藻與異養菌群建立互利共生關系的內在趨勢
Nair S#, Zhang ZH#, Li HM, Zhao HS, Shen H, Kao SJ, Jiao NZ, Zhang YY*. Inherent tendency of Synechocccus and heterotrophic bacteria for mutualism on long-term coexistence despite environmental interference. Science Advances, 2022, 8, eabf4792
