通过古代DNA了解陆地植物碳源在海洋沉积物中的作用

海洋沉积物中的陆地有机物被认为是重要的长期碳汇，但人们对构成陆地有机物的植物类群知之甚少，一般海洋碳循环与陆地碳动态是分开研究的，而了解陆地碳源和海洋碳汇之间的联系对于预测气候如何影响碳的运输非常重要。一项新的研究，利用海洋沉积物中发现的古DNA来追踪陆地生态系统过去的变化，为这一跨学科领域做出了重要贡献，这项研究不仅加深了我们对碳封存的理解，还提高了我们预测未来气候变化如何影响全球碳循环的能力。

古代DNA在重建过去生态系统中的作用

通过提取和分析数千年来保存在沉积物、冰芯和其他环境基质中的遗传物质，这种在海洋中沉积的DNA通常是碎片化和降解的，可以使用现代测序技术进行扩增，以重建过去的生态系统。例如，研究海洋沉积物中的古代DNA可以深入了解末次冰期-全新世过渡期陆地植物物种如何应对这些气候变化，我们可以更好地了解地球的植被和碳循环如何应对之前的变暖事件。

分析沉积物DNA的过程涉及几个关键步骤，每个步骤对于确保结果准确可靠都非常重要。第一步是收集海洋沉积物岩心，这些岩心提供了过去环境条件的物理记录。收集岩心后再从沉积物样本中提取DNA，这一步很有挑战性，因为古代DNA通常会分解成小碎片，一般需使用专门的DNA提取方案来捕获这些碎片，然后进行高通量测序来分析DNA含量，再使用先进的生物信息学工具处理测序数据，以识别物种并跟踪它们随时间推移的相对丰度。通过比较不同沉积物岩心层的DNA序列，研究人员可以重建过去的生物动态，并将这些变化与气候变化和碳封存率联系起来。

新的研究发现

德国波茨坦阿尔弗雷德·韦格纳研究所亥姆霍兹极地和海洋研究中心主导的一项新的研究，对来自全球六个不同地点的海洋沉积物岩芯进行了古DNA宏基因组学分析，这些地点包括北太平洋（堪察加半岛附近和白令海）、北大西洋（弗拉姆海峡，斯瓦尔巴德群岛附近）、热带大西洋（多巴哥附近）、澳大利亚附近和布兰斯菲尔德海峡（南极半岛附近）。通过对这些岩芯的分析，研究人员探索了陆地到海洋的碳运输、海洋碳的转移以及海洋沉积物中植物物质的陆地来源库。

研究发现，在所有六个全球分布的海洋沉积物岩芯中都发现了大量的植物DNA，不同海洋沉积物岩芯中的植物DNA组成主要由邻近大陆植物区系的植物科组成。对133个样品进行宏基因组学分析，共鉴定出1,403,151个被分类为维管植物的DNA片段，这些片段被分配到242个科，在所有真核生物读数中，植物读数的比例在0.4%到42.5%之间（中位数为8.44%）。

研究结果显示，高纬度北半球地区的读取长度最长，在寒冷时期（如末次盛冰期和晚冰期），读取长度较高，而在温暖时期（如全新世早期）较低。

研究对DNA片段长度的时空模式表明，有机物的保存，以及因此在千年时间尺度上对陆地物质的海洋碳汇，主要受埋藏前因素（例如气候、矿物质供应、沉积物-水界面条件）的影响，而不是埋藏后过程。虽然高有机碳降解率和成岩作用会显著影响表层沉积物中的有机物，但较深的沉积层保留了附近陆地的植物DNA特征，这种保存为我们了解陆地上的古环境变化及其对海洋碳汇的贡献提供了宝贵的见解。

这项研究的创新之处在于利用从海洋沉积物中回收的植物DNA来追踪过去陆地植物的碳源，保存在海洋沉积物中的陆地植物DNA可以作为了解过去陆地植被分布的直接有效的替代物，与传统的基于花粉或大化石的方法相比，这可以更详细、更直接地重建陆地环境。

总的来说，这项研究表明海洋沉积物中的植物DNA可以作为追踪陆地到海洋碳运输和海洋碳转移的有效工具，并为了解陆地植物来源与海洋碳汇之间的联系提供了新的视角。

思考

虽然当前的研究已经表明了陆地植物与海洋碳汇之间的联系，但植物多样性和土地覆盖随时间的变化如何影响不同纬度和不同植被类型的地区的海洋碳循环？陆地植物究竟如何通过不同的方式（例如河流运输、大气沉降）为海洋碳汇做出贡献？

参考文献：Ulrike Herzschuh, Josefine Friederike Weiß, Kathleen R. Stoof-Leichsenring, Lars Harms, Dirk Nürnberg & Juliane Müller ，Dynamic land-plant carbon sources in marine sediments inferred from ancient DNA.  Communications Earth & Environment volume 6, Article number: 78 (2025) ，doi：10.1038/s43247-025-02014-9