基因组尺度模型揭示浮游植物分子生理与生物地球化学循环的调控机制

本研究通过将基因组尺度模型(GSMs)嵌入地球系统模型(ESMs)，首次实现了浮游植物分子生理过程与全球生物地球化学循环的耦合模拟。研究以原绿球藻(Prochlorococcus)和硅藻(Thalassiosira)为模型，解析了营养梯度下碳储存策略的分子机制，预测了39种溶解有机碳(DOC)代谢产物的生物热点，为理解微生物生态系统功能提供了新范式。

　　

海洋微生物作为地球化学循环的核心驱动者，其生理过程与环境的互作机制一直是科学界的认知盲区。传统地球系统模型(ESM)受计算限制，不得不将复杂的生物学过程简化为普通微分方程，导致气候预测存在显著偏差。尤其令人困扰的是，日益丰富的基因组数据与模型所需的生理参数间存在"鸿沟"——我们虽能测序浮游植物的每个基因，却难以解释这些基因如何通过代谢网络响应环境变化，进而影响碳氮磷等元素的全球循环。

针对这一挑战，国外研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表创新成果。他们开发了将基因组尺度模型(GSM)与NEMO-PISCES地球系统模型耦合的新框架，通过"代谢生态位"算法将数百个代谢反应抽象为可计算的数学空间。该研究选取海洋优势物种原绿球藻MED4和硅藻(Thalassiosira pseudonana)的GSM，利用全球海洋生物地球化学模型提供的环境参数，实现了从分子机制到生态系统功能的跨尺度预测。

关键技术包括：(1)代谢生态位投影算法，将GSM的数千个反应约束转化为营养吸收与生长的数学关系；(2)双层次优化策略，在保证最大生长率前提下计算代谢产物通量；(3)基于欧洲海洋核心模型NEMO-PISCES的全球尺度验证，数据覆盖超过10⁶
个网格点的年度周期；(4)资源约束量化模型，定义营养限制对代谢分流的影响指数。

主要研究发现
Incorporating genome-scale knowledge into biogeochemical models
通过比较NEMO-PISCES与GSM预测的生长速率，发现两者在表层海洋的分布模式高度吻合(R²

0.76)。原绿球藻MED4 GSM成功重现了picophytoplankton群体的大西洋经向断面分布特征，验证了模型对生物地理格局的预测能力。

GSM-based predictions of Prochlorococcus MED4 in the global ocean
创新性提出"资源约束"概念，揭示原绿球藻在太平洋主要受氮限制(RC_N

80%)，而在大西洋中部和印度洋受磷限制(RC_P
90%)。通过代谢流分析发现，糖原和脂质储存呈现弱相关性(R²
=0.5)，暗示二者在环境适应中的分工差异。

GSM-based prediction of acclimation strategies of Prochlorococcus MED4 in the global ocean
发现原绿球藻通过"糖原储存指数"调控碳分配策略：指数>0.46时优先储存糖原，<0.46时则消耗糖原维持生长。温度低于25°C时，脂质占生物量比例增加3倍，这与蓝藻耐寒机制相符。

Predicting hot spots of biotic production and metabolite diversity
预测硅藻可贡献19种DOC代谢物，其生产强度与多样性呈正相关；而原绿球藻贡献33种代谢物，但高多样性区域与高产区不完全重叠。上升流区域是DOC分泌的热点，为理解微生物食物网提供了新视角。

讨论与展望
该研究开创性地搭建了分子生物学与气候模型间的桥梁，其意义体现在三方面：首先，证实GSM无需额外参数化即可预测浮游植物的环境适应策略，为ESM的生物学模块提供了新标准；其次，提出的资源约束理论定量刻画了营养限制对代谢分流的影响，超越了传统的Monod方程；最后，预测的DOC代谢热点为海洋碳泵模型提供了分子级分辨率。

局限性在于当前GSM尚未整合光适应机制，且铁元素计量学存在模型间差异。作者建议未来发展方向包括：整合宏基因组组装基因组(MAGs)构建群落模型、引入蛋白组数据约束代谢流、开发多代谢物同步分泌算法等。这项工作标志着"基因组启发的ESM"时代的开端，为应对气候变化与生物多样性丧失的协同治理提供了新工具。