真菌寄生虫感染固氮蓝藻重塑碳氮固定与营养级联转移

《Nature Communications》：Fungal parasites infecting N2-fixing cyanobacteria reshape carbon and N2 fixation and trophic transfer

本研究针对真菌寄生虫在蓝藻水华中的生态作用不明问题，通过单细胞同位素示踪等技术，发现壶菌优先侵染固氮蓝藻Dolichospermum的休眠细胞（82%）和异形胞（44%），使22-27%新固定氮流向真菌，显著改变波罗的海氮循环路径。

　　

在碧波荡漾的波罗的海，每年夏季都会上演一场神秘的"蓝色盛宴"——固氮蓝藻大规模繁殖形成的水华现象。这些微小的生物拥有惊人的超能力：它们能像陆地豆科植物一样，将大气中惰性的氮气（N₂）转化为生命可利用的氮素。据统计，波罗的海的固氮蓝藻每年贡献18-43万吨新氮，几乎与河流输入量相当。这种内部氮负荷如同为已经富营养化的海域"火上浇油"，加剧缺氧区和有毒水华的形成，对海洋生态系统和人类活动构成严重威胁。

传统观点认为，蓝藻水华主要受温度和营养盐控制，而它们进入食物网的过程则依赖于浮游动物摄食、异养细菌和病毒等的作用。然而，在这看似熟悉的剧情中，一个隐秘的角色——真菌寄生虫，长期被科学家们忽视。事实上，属于壶菌门（Chytridiomycota）的真菌寄生虫广泛存在于淡水和海洋环境中，能感染90%的浮游植物种群。但它们如何影响固氮过程？新固定的氮又流向何方？这些关键问题一直悬而未解。

为揭开这一谜团，来自德国莱布尼茨波罗的海研究所的Anna Feuring、Isabell Klawonn等研究团队在《Nature Communications》发表最新研究成果。他们通过综合运用稳定同位素示踪（¹³C-碳酸氢盐和¹⁵N-氮气）、单细胞二次离子质谱（SIMS）、显微镜观察和生物地球化学分析等多种技术手段，首次量化了真菌寄生虫对固氮蓝藻碳氮固定和营养转移的影响。

关键技术方法包括：在波罗的海南部海域（Heiligendamm）进行现场采样和稳定同位素标记培养；通过荧光染色（Calcofluor White和Wheat Germ Agglutinin）和显微镜技术鉴定真菌感染状况；利用大型二次离子质谱（IMS1280）和纳米二次离子质谱（NanoSIMS 50L）进行单细胞同位素分析；采用18S rRNA基因扩增子测序解析真菌群落；结合长期监测数据（1998-2024年）分析蓝藻生物量和感染动态。

Dolichospermum长期观测结果

2012-2021年的监测数据显示，波罗的海南部海域的固氮蓝藻Dolichospermum（原名鱼腥藻Anabaena）主要生长季为6-9月。2022-2024年的深入观测发现，当Dolichospermum存在时，超过一半的样本（18/33）显示感染迹象，最高感染率可达80%的丝状体。这表明真菌感染并非罕见现象，而是波罗的海蓝藻水华的常见特征。

真菌感染的特征

研究团队发现了一个有趣的感染模式：真菌孢子囊优先攻击丝状蓝藻的特定部位。82%的静息孢子（akinetes，休眠储存细胞）和44%的异形胞（heterocytes，固氮细胞）被感染，而营养细胞（vegetative cells，进行光合作用）的感染率仅为5%。更值得注意的是，感染部位主要集中在静息孢子与异形胞的连接处。被感染的丝状体平均长度（272μm）是未感染丝状体（99μm）的两倍多，且更可能含有静息孢子。

细菌定殖模式

真菌感染显著改变了蓝藻表面的微生物群落。感染细胞上的细菌数量是未感染细胞的8倍（1.7 vs. 0.2 细菌/细胞），甚至邻近感染细胞的未感染区域细菌数量也增加了3倍。这表明真菌感染可能通过降解蓝藻黏液鞘或导致宿主细胞营养泄漏，为机会主义细菌创造了有利环境。

单细胞¹³C和¹⁵N₂固定与转移

通过单细胞同位素分析，研究人员揭示了真菌"窃取"宿主营养的效率差异。感染在静息孢子-异形胞连接处的成熟孢子囊，其¹³C和¹⁵N富集度分别是感染营养细胞孢子囊的4倍和10倍。更惊人的是，这些孢子囊中的同位素富集甚至超过了其宿主细胞，表明新固定的碳和氮被高效、快速地提取。

相比之下，与蓝藻相关的细菌同位素富集度远低于真菌孢子囊，而自由生活细菌的富集度更低。这表明在营养转移效率上，真菌寄生虫显著优于细菌。

真菌感染对蓝藻碳氮固定的影响

感染对不同类型的蓝藻细胞产生了差异化影响。静息孢子的净碳掺入减少了28%（从4.5降至3.2 pmol C cell^-1d^-1），净氮掺入减少了56%（从0.71降至0.31 pmol N cell^-1d^-1）。异形胞的碳氮固定也显著降低，而营养细胞则未受明显影响。感染还导致静息孢子的碳氮比（C:N）从8.3升至12.8，表明氮损失更为严重。

真菌寄生虫的分类与生命周期

基于18S rRNA基因测序，鉴定该真菌寄生虫属于壶菌门（Chytridiomycota），占真菌序列的96.4%。其生命周期典型：游动孢子附着并包裹在蓝藻宿主上，穿透宿主后发育成熟为孢子囊，产生新游动孢子（10-20个），最终释放感染新细胞。

其他蓝藻的感染情况

研究还发现在波罗的海另外两种主要固氮蓝藻——Nodularia和Aphanizomenon中也存在真菌或类真菌感染。在Nodularia中，感染优先位于异形胞，并可延伸至多个细胞，感染率高达71%的丝状体。这表明真菌寄生可能是波罗的海主要固氮蓝藻的普遍现象。

讨论与意义

这项研究颠覆了我们对蓝藻水华生态效应的传统认知。真菌寄生虫不仅不是生态系统的配角，反而扮演着关键角色：它们通过优先感染静息孢子这一关键储存结构，可能对蓝藻种群的长期动态产生深远影响。被真菌耗尽的碳氮储备，将削弱蓝藻在下一个生长季的复苏能力，从而影响水华的复发。

从营养循环角度看，真菌感染将蓝藻水华从"营养死胡同"转变为重要的营养通道。感染导致丝状体断裂，变得更易被浮游动物摄食；同时，将营养价值低的蓝藻生物量转化为富含固醇和多不饱和脂肪酸的真菌孢子，为微型浮游生物提供优质食物。研究估算，在9%的感染率下，22%的新固定氮被转移至真菌寄生虫，与细菌的转移率相当；当感染率升至11%时，这一比例增至27%。

更广泛而言，这项工作强调了真菌寄生虫在调节有害藻华中的复杂作用——不仅可能作为蓝藻水华的生物控制因子，还通过改变新固定氮的营养级联转移，挑战了"蓝藻水华主要受营养盐和温度控制"以及"它们是富营养化水生生态系统营养瓶颈"的传统范式。

这项研究为理解水生生态系统中的微生物相互作用提供了新视角，也为管理有害藻华提供了新思路。未来研究需要进一步探索不同蓝藻物种中真菌寄生的生物地球化学印记，以及在全球变化背景下，这种相互作用的演变趋势。