6月1日，中國水產科學研究院黃海水產研究所葉乃好團隊在氣候變化領域的國際頂級期刊Nature Climate Change發表了題為“Decreased motility of flagellated microalgae long-term acclimated to CO2-induced acidified waters”的研究論文（article）。該研究首次從鞭毛運動和再生能力角度，解析了水體酸化對微藻運動能力的負面影響及機制，闡述了運動能力改變對微藻群體演變的潛在影響，為系統研究氣候變化條件下水域生態系統生物多樣性格局變遷提供了新的研究思路和重要的理論依據。
評估和預測氣候變化對水生生物群體及其生態系統的影響是極具挑戰性的國際前沿科學問題。浮游植物是地球水體中最主要的初級生產者，通過光合作用將無機碳（CO2）轉化為有機碳，其豐度、多樣性及群落結構的穩定事關全球碳循環乃至整個生態系統的穩定與否。探討浮游植物群體演變及其與氣候環境變化的關系，是我們了解過去、分析現在和預判未來氣候變化對自然水域生態系統結構和功能影響的主要途徑，也是認知水域養殖系統可持續產出和支撐生態系統水平管理的重要理論基礎。鞭毛是具有鞭毛微藻運動的主要動力來源，其通過垂直、水平和瞬時運動獲取光能、吸收營養、逃避敵害，因而鞭毛的運動能力對微藻的生存和繁衍起著至關重要的作用。迄今為止，CO2濃度升高引起的水體酸化對海洋、咸水和淡水鞭毛藻類運動能力的影響與機制尚不清楚。
圖1長期海水酸化對Microglena sp.運動速率的影響
研究團隊建立了不同CO2梯度（280、400、700、1000、1500、2000ppm）的室內微藻長期純化培養體系及野外中試實驗平臺，設計并制作了微藻運動監測計數裝置，通過對極地冰藻（Microglena sp.）、廣鹽性鹽藻（Dunaliella salina）和淡水萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）長達6年的室內傳代培養及野外中尺度實驗發現，水體酸化條件下三種微藻的運動速率和再生能力顯著降低。長期酸化條件下，Microglena sp.與鞭毛運動能力調控正相關的輪輻蛋白、鈣離子通道蛋白和動力蛋白基因表達下調；磷酸化調節途徑中負相關的蛋白磷酸酶2A和蛋白磷酸酶1基因表達上調，正相關的酪蛋白激酶1與蛋白激酶A基因表達下調。在鈣信號調節和磷酸化調節兩條途徑的交互作用下，Microglena sp.的運動能力顯著降低。
圖2長期海水酸化條件下Microglena sp.鞭毛運動的應答與調控機制
研究結果表明，氣候變化導致極地海冰的覆蓋面積和平均厚度逐年降低，海冰對光照的調控能力日趨減弱，生活在冰下的微藻為尋找合適的光強水層，需要更長距離的垂直運動來應對日夜間光照強度變化，而鞭毛運動能力損傷則加劇了對微藻生存的威脅。由此可見，酸化對極地鞭毛微藻的負面影響更為嚴峻。由于真核生物鞭毛合成和運動的分子調控機制高度保守，水體酸化對其他鞭毛生物群體的影響及其生態效應值得下一步深入探討。
圖3海水酸化與海冰消融對Microglena sp.運動能力的影響
黃海水產研究所王依濤為該論文第一作者，葉乃好研究員為通訊作者。廈門大學的高光副教授，澳大利亞莫納什大學的John Beardall教授，日本筑波大學的Kazuo Inaba教授，英國普利茅斯大學的Jason M Hall-Spencer教授和澳大利亞塔斯馬尼亞大學的Andrew McMinn教授等學者參與了該項工作。研究獲得了國家重點研發計劃、青島海洋科學與技術試點國家實驗室、萬人計劃和山東省泰山學者特聘專家等項目的資助。
Nature Climate Change是國際頂級學術期刊Nature的子刊，2018年影響因子為21.72。全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41558-020-0776-2；DOI: 10.1038/s41558-020-0776-2。
