未来海洋变暖可能导致原绿球藻生物量与生产力大幅下降：基于十年实地观测与模型预测的研究

这篇研究通过十年连续流式细胞术（SeaFlow）观测和全球海洋生态系统模型，首次揭示了海洋原绿球藻（Prochlorococcus）的细胞分裂速率在28°C达到峰值后急剧下降的 thermal limit（温度限制）现象。研究预测，在中等和高排放情景（RCP 4.5/8.5）下，热带海域原绿球藻生产力将减少17-51%，其依赖的海洋生态系统可能面临级联效应（cascading effects）。该发现挑战了传统指数增长模型（Q10），为气候变暖下的微生物生态响应提供了新视角。

　　

未来海洋变暖对原绿球藻的致命威胁

Abstract

作为地球上最丰富的光合生物，原绿球藻（Prochlorococcus）在贫营养海域贡献了近半数浮游植物生物量。然而，其应对气候变化的敏感性长期存疑。本研究通过自主研发的连续流式细胞仪SeaFlow，分析了热带和亚热带太平洋约8,000亿个浮游植物细胞的单细胞叶绿素荧光和大小数据，首次量化了温度对原绿球藻分裂速率的非线性调控。

Main

全球变暖正推动海表温度突破历史记录，预计到2100年热带海域将频繁超过30°C。这种变化可能通过复杂的生物竞争和分布改变导致关键物种灭绝。作为海洋食物网的基础，原绿球藻的响应尤为关键。传统观点认为，更小的细胞尺寸（0.5-1 μm）和基因组精简（genome streamlining）使其在未来贫营养化海洋中更具优势，但实验室培养体系难以模拟自然群落的复杂性。

Results

In situ thermal limits of Prochlorococcus

通过180次基于细胞大小分布的矩阵种群模型（size-structured matrix population model）估算，发现分裂速率在28°C前呈指数增长（1.58±0.28 d^-1），之后显著下降（二次项系数-0.85±0.28）。这一模式在稀释实验（dilution experiments）和细胞周期分析（cell cycle analysis）的114个数据点中得到验证（Extended Data Fig. 1）。代谢理论（Hinshelwood方程）比传统指数模型（Eppley曲线）更能解释这种单峰热响应（均方误差0.11 vs. 0.79）。

Prochlorococcus loss at high temperatures

当温度超过28°C时，原绿球藻最大丰度（top 80%）下降约50%，而聚球藻（Synechococcus）在相同温度下仍保持稳定（Extended Data Fig. 5）。这种差异排除了营养盐限制（nutrient limitation）是主因的可能性，暗示直接的热应激（thermal stress）作用。

Predicted Prochlorococcus future under climate change

全球生态系统模型显示，在RCP 4.5和8.5情景下，热带海域原绿球藻生产力将分别下降17%和51%，西太平洋暖池（Western Pacific Warm Pool）种群可能崩溃（图3g,i）。即使考虑暖适应株系（warm-adapted strains），高温区域仍会出现15%的减产（Extended Data Fig. 10）。

Thermal adaptation potential of Prochlorococcus

将理论上的热适应株（thermal optimum提升至30°C）纳入模型后，全球产量仅部分恢复（高排放情景仍下降7%）。这表明基因组精简可能限制其快速适应能力，与聚球藻的蛋白组可塑性（proteomic plasticity）形成鲜明对比。

Discussion

原绿球藻在28°C以上的衰退可能引发级联效应：其与SAR11细菌的互作（mutualistic relationships）被破坏，可能影响海洋碳循环。该研究强调了在气候模型中纳入物种特异性热限制（species-specific thermal limits）的重要性，为预测海洋微生物群落对变暖的响应提供了新范式。