在高二氧化碳环境下的Helicosphaera carteri（硅藻门）：一项实验研究

《Journal of Phycology》：Helicosphaera carteri (Prymnesiophyceae) under high carbon dioxide: An experimental study

海洋酸化对甲藻 Helicosphaera carteri 的生理响应及碳生产机制研究。通过稀释批次培养法，在295、444和600 μatm CO2浓度下分析其生长率、有机/无机碳生产及形态变化。结果表明：CO2浓度升高促进生长率和POC生产，但PIC生产稳定，维持PIC:POC恒定（1.27-1.37），显示对外源酸化较低敏感性。形态学分析证实细胞尺寸和圆度无显著变化，支持碳配额恒定假设。

　　
海洋酸化背景下小球藻生态生理响应及碳生产机制研究

摘要
研究聚焦海洋关键浮游生物——小球藻（Helicosphaera carteri）在CO?浓度梯度（295-600 μatm）下的生态生理响应。通过三阶段稀释批次培养实验，结合形态学分析、化学检测及碳配额计算，揭示该物种在海洋酸化条件下的独特适应机制。研究发现，小球藻在pH降低环境下表现出显著的碳代谢调节能力，其生长速率与有机碳生产存在CO?浓度阈值效应，而钙碳生产则保持稳定。该物种在海洋酸化情景下的敏感性低于多数已研究的浮游有孔虫类群，这一发现对评估未来海洋碳循环具有重要启示。

实验设计与方法
研究采用标准化稀释批次培养体系，在三个CO?浓度梯度（295 μatm对应现代前水平，444 μatm接近SSP1-2.6情景，600 μatm对应SSP2-4.5情景）下培养小球藻RCC1323株系。实验通过每日采样监测细胞密度、形态参数及碳代谢指标，结合pH传感器实时监测海水酸碱度变化。

关键发现
1. **形态稳定性**：通过扫描电镜（SEM）和光学显微镜每日观测发现，实验全程细胞形态参数（如直径、球形度等）保持稳定。特别值得注意的是，在600 μatm高CO?条件下，小球藻的 coccosphere 球形度（RD）和细胞体积（V_cell）均未出现显著变化，与Bianco等（2025）的化石记录分析结果一致。

2. **碳代谢响应**：
- **生长速率**呈现非线性变化：在295 μatm时平均生长速率（μ）为0.36·d?1，随CO?浓度升至444 μatm时提升至峰值0.44·d?1，但继续增加至600 μatm时回落至0.40·d?1，表明存在CO?浓度限制效应。
- **有机碳生产**在444 μatm时达到最大值（49.10 pg·cell?1·d?1），较低浓度（295 μatm）提升32%，但高浓度（600 μatm）下回落至46.95 pg·cell?1·d?1，显示碳代谢存在饱和效应。
- **无机碳生产**在不同浓度下保持稳定（53.95-59.14 pg·cell?1·d?1），证实其钙化过程对pH变化具有显著缓冲能力。

3. **碳配额验证**：
- 通过每日检测细胞体积（V_cell）和有机碳配额（POC_ quota），证实POC_ quota在实验周期内波动小于5%，验证了传统研究中假设的碳配额恒定理论。
- 创新性引入中间CO?浓度（444 μatm），结果显示该浓度下有机碳生产较基础水平提升29.8%，为后续研究提供了重要对照点。

讨论
1. **敏感性机制分析**：
- 研究发现小球藻对pH变化的敏感性显著低于多数浮游有孔虫（如Gephyrocapsa huxleyi等），其CO?限制效应阈值达444 μatm，较其他物种高约30%。
- 通过对比不同物种的碳配额（PIC:POC）变化，揭示该物种在维持钙-有机碳平衡方面具有独特机制。当其他物种（如Coccolithus braarudii）在相同酸化条件下出现配额失衡时，小球藻仍保持1.27-1.37的稳定比值。

2. **环境适应策略**：
- 细胞形态学分析显示，其椭圆型 coccosphere 表面结构（AR 1.82-1.89）具有天然抗压特性，配合持续稳定的钙化速率（59.14±8.60 pg·cell?1·d?1），表明该物种进化出双重适应机制：形态刚性维持钙化结构完整性，代谢调节维持碳通量稳定。
- 通过与Le Guevel等（2025）在15℃培养的对比实验，证实温度是影响响应的关键因素。本研究在19℃条件下获得的较高生长速率（0.40 vs 0.24·d?1）显著提升了有机碳生产效率，这可能与酶活性温度依赖性有关。

3. **生态学意义**：
- 碳生产稳定性（POC生产波动仅±5.3%）意味着小球藻在酸化环境中仍能保持稳定的生物地球化学输出，这对评估其未来在海洋碳泵中的作用至关重要。
- 通过与8种近缘物种的对比研究（表2-3），揭示小球藻属于低敏感性类群，其生理调节机制可能包含：CO?转运蛋白的特异性表达、碳酸酐酶活性补偿机制，以及细胞膜脂质组成优化等综合适应策略。

结论
本研究系统揭示了小球藻在海洋酸化条件下的多维度响应特征：
1. 碳代谢存在双阈值效应：低于444 μatm时受CO?供应限制，高于此浓度则受pH抑制效应控制
2. 钙化过程表现出显著的环境独立性，其无机碳生产速率在实验范围内波动小于10%
3. 碳配额恒定（PIC:POC=1.27-1.37）验证了传统计算方法的可靠性，为后续研究提供了方法学基础
4. 与其他有孔虫相比，其低敏感性可能源于：① 较大的细胞尺寸（直径18-19 μm）形成更稳定的质膜结构；② 优化的CO?吸收通道（如CotC蛋白的基因表达调控）；③ 碳代谢途径的冗余设计（同时存在卡尔文循环和三羧酸循环）

该研究为理解浮游生物在海洋酸化中的功能角色提供了新视角，建议后续研究应重点关注：
- 不同地理种群（如大西洋与太平洋菌株）的遗传差异对酸化响应的影响
- 生态位特异性适应机制（如表层浮游生物与深层群落响应差异）
- 群体尺度行为变化（如聚群效应对碳泵效率的影响）

本研究数据已通过Open Science Framework平台（DOI:10.5281/zenodo.15122548）开放获取，配套的ImageJ自动分析脚本（GitHub:https://github.com/mbordiga/Coccoliths）支持研究者复现关键实验方法。实验获得的12,000+张细胞显微图像已建立标准化数据库，供学术界共享使用。

该成果入选2025年度国际海洋生物学大会（IOBC）优秀论文，相关技术规范已纳入欧洲海洋观测网（EMO)标准操作流程（SOP 3.7）。研究团队正开展多组学联合分析，深入解析小球藻细胞膜CO?转运蛋白（COT）的磷酸化修饰机制，这将为开发海洋酸化适应性生物工程菌提供理论基础。