聚球藻如何应对铁限制和温度升高，近岸和开阔海域有何不同？
How does Synechococcus respond to iron limitation and rising temperatures, and how do nearshore and open ocean environments differ?
根据IPCC第六次评估报告，工业革命以来全球气温已上升约1.5°C，而海洋随着其表层水温升高会加剧水体分层，这会阻碍表层与深层水体之间的营养盐交换，而铁参与光合作用、碳固定和氮同化等多个关键过程，是众多关键营养元素中限制海洋初级生产力的重要微量元素之一，与此同时，温度升高也会单独或与铁限制协同影响生物的酶活性和中心代谢。
那么，聚球藻（Synechococcus）作为海洋中最主要的微型蓝藻类群之一，分布广泛，贡献了约17%的海洋净初级生产力，这些聚球藻如何应对铁限制和温度升高呢？近岸和远洋又有何不同呢？
聚球藻如何应对铁限制和温度升高
研究方法：近岸和远洋聚球藻对比
为了探究这一问题，研究团队比较我国南海近海和大洋两个聚球藻菌株对铁限制和温度升高的生理及转录组响应，近海菌株XM24属于5.2亚群CB5分支，大洋菌株YX04-1属于5.1亚群II分支，揭示了它们在气候变化下的潜在适应机制。
研究人员采用实验室控制实验的方法，将两种聚球藻菌株培养在不同铁浓度（2 nM铁限制和250 nM铁充足）和温度（24°C和27°C）条件下，采用半连续培养法，每种处理条件培养至少2个月（超过12代）以确保菌株充分适应环境。研究人员测量了生长速率、碳固定速率、细胞铁配额等生理参数，并进行了转录组测序分析。通过比较以下六种处理组合，系统评估了铁和温度对两种菌株的单独及联合效应。
近岸和远洋聚球藻对铁限制和温度升高的应对措施
研究显示，铁限制显著降低了两株菌的生长速率、碳固定速率和细胞铁配额，近海菌株的铁配额比大洋菌株高出3-4倍，这与其原生环境中较高的铁可用性一致。在铁限制条件下，只有大洋菌株表现出温度升高带来的生长促进效应，相比之下，近海菌株的生长不受单独升温的影响，表明适度的升温可能部分缓解了远洋株的铁限制压力。在碳固定方面，铁限制下的升温反而加剧了对远洋株碳固定的负面影响，可能是因为维持高温下的代谢需要分配更多资源到非光合作用过程。
聚球藻应对铁限制和温度升高的基因解释
通过转录组分析揭示了两菌株在分子层面的不同适应策略，大洋菌株显示的差异表达基因数量远多于近海菌株，表明远洋聚球藻对环境变化的响应更为敏感。
转录组分析显示，在光合作用方面，远洋株和近岸株展现出完全不同的光合适应策略应对铁-温度交互作用。在铁限制条件下，远洋株下调了多个富铁光合组分的基因表达，包括光系统I(PSI)、光系统II(PSII)、细胞色素b6f复合体和铁氧还蛋白等，这种调整有助于在铁稀缺时优先分配有限的铁资源。同时，藻胆蛋白基因的表达也显著降低，可能通过调整藻胆体组成来更好地捕获绿光和蓝光。
面对铁限制，两种菌株都进化出了复杂的铁获取系统，都上调了铁胁迫标志基因（如idiA, afuB, afuC），但它们的铁储存机制有所不同，近海菌株利用细菌铁蛋白（bacterioferritin）储存铁，而大洋菌株则使用DNA结合蛋白（dps）来减轻铁限制引起的氧化压力。
但在铁限制下，温度升高促进了远洋株多个光合基因的上调，与其生长速率增加一致，这可能表明该菌株通过状态转换调节藻胆体与光系统的关联，以平衡光能分配。而近海菌株的光合系统对铁限制的敏感性较低，仅表现出细胞色素c6基因的下调，但在铁限制下，该菌株显著上调了编码PSII中D1蛋白的psbA2基因，表明D1蛋白的快速响应是其应对光抑制和温度胁迫的重要机制。
在营养获取方面，两种菌株也表现出明显的生态型差异。远洋株倾向于利用有机氮源和有机磷源，这些物质代谢所需的铁较少，在铁限制下，远洋株的尿素转运蛋白基因(urtABC)和膦酸盐转运蛋白基因(phnCD)显著上调。而近岸株更倾向于无机氮源，如硝酸盐和亚硝酸盐，这可能反映了其原生环境中较高的无机营养盐可用性。
这项研究揭示了大洋和近海聚球藻在面对环境变化时的不同生存策略，大洋菌株表现出更强的可塑性，能够通过调节光合作用、营养获取和铁代谢等多个通路来协同应对铁限制和升温，特别是其在铁限制下仍能利用升温促进生长的能力，可能使其在未来变暖的寡营养海域中获得竞争优势。相比之下，近海菌株的响应相对保守，主要依靠高铁配额和D1蛋白快速周转等机制来维持基本代谢。
这种差异可能反映了两种菌株原生环境的差异，大洋菌株长期适应低铁、稳定温度的环境，而近海菌株则习惯于高铁但温度波动较大的近岸水域。
❓思考题：在铁限制条件下，哪种聚球藻对温度升高的响应更明显？
A. 近海菌株
B. 大洋菌株
C. 两者响应相同
D. 两者均无响应
参考答案：（点击查看）
B.
解析：研究发现，大洋菌株在铁限制条件下升温时，生长速率提高了约80%，而近海菌株的生长几乎不受温度升高的影响。这表明大洋菌株对铁-温度交互作用的适应性更强。
参考文献：Duan, R., Xu, M., Bian, X., Kojima, C. Y., Hou, S., Zheng, Q., … & Fu, F. X. (2025). Contrasting Responses of Oceanic and Coastal Synechococcus to Iron Limitation and Warming Interactions. Environmental Microbiology Reports, 17(4), e70158.https://doi.org/10.1111/1758-2229.70158