入侵性大型藻类对海草大洋波喜荡草（Posidonia oceanica）幼苗表现及其相关微生物组的影响强于CO2升高

《Marine Pollution Bulletin》：Invasive macroalgae exert stronger effects than elevated CO? on seagrass (Posidonia oceanica) seedling performance and associated microbiomes

　　

海草是重要的生态系统工程师，但其苗期定殖与招募过程易受多重环境胁迫影响。为检验入侵性大型藻类存在及未来高CO₂情景下二者的交互作用对海草幼苗的影响，研究人员开展了一项控制实验，监测大洋波喜荡草（Posidonia oceanica）幼苗的生理响应、发育表现及其相关微生物组对升高的pCO₂和入侵藻类存在的反应。研究假设认为，CO₂可利用性的增强可能缓解入侵藻类对幼苗生理与发育的不利影响。此外，研究人员预期改变的CO₂条件以及入侵性大型植物（macrophytes）的存在，可能扰动幼苗相关的天然微生物组。由于微生物组稳定性与宿主功能密切相关，若群落组成转向较少有益或潜在致病性的细菌组合，则可能削弱营养吸收、抗逆能力，并最终损害幼苗表现。

本文发表于《Marine Pollution Bulletin》。该研究围绕地中海特有海草大洋波喜荡草（Posidonia oceanica）幼苗阶段的生态脆弱性展开，聚焦两个具有现实意义的全球变化与局地生物胁迫因子：海洋酸化背景下的CO₂升高，以及入侵性大型藻类扩张。海草草床是典型的生态系统工程师，承担育幼场、海岸防护与蓝碳汇等关键生态功能；然而，草床衰退仍广泛存在，而其恢复能力很大程度上取决于种子萌发、幼苗存活与成功定殖。与此同时，海草与其共生微生物群落之间存在紧密耦联关系，微生物组可参与营养获取、激素供给以及健康维持。因此，在未来海洋条件下，幼苗及其微生物组如何响应多重胁迫，是预测海草草床长期命运的重要科学问题。

现有研究表明，入侵性大型植物能够从生理、形态、生长和种群维持等多个层面损害本地海草；而CO₂升高理论上可能通过提高溶解无机碳（dissolved inorganic carbon, DIC）供应，促进部分海草光合作用并增强碳储备，从而提高其与大型藻类竞争的潜力。但这一“CO₂受益假说”在海草幼苗阶段证据稀少，且已有结果显示，幼苗早期对CO₂升高的响应并不稳定，可能受年龄、光照或营养限制所约束。另一方面，关于入侵大型藻类是否通过改变海草相关微生物组而加剧负效应，仍缺乏直接实验验证。基于此，研究人员设置高CO₂与入侵藻共存处理，系统评估幼苗生理、发育和微生物组变化，检验升高CO₂能否缓冲入侵胁迫。

在方法上，研究人员采集西班牙马略卡Bay of Palma来源的大洋波喜荡草种子，在实验室萌发后选取大小相近的3个月龄幼苗，随机分配至16个20 L中宇宙（mesocosm）水族箱，建立2×2实验设计：环境CO₂与高CO₂，以及单独生长（Solitaire）与入侵藻共存（Invaded）。入侵处理包含Lophocladia trichoclados和Caulerpa cylindracea两种威胁P. oceanica的主要入侵藻。实验持续约22周。研究人员通过碳酸盐体系监测确认处理条件；采用脉冲振幅调制叶绿素荧光（pulse-amplitude modulated fluorometry, PAM）和氧孵育测定光合作用与代谢；测定根、根茎和叶片的淀粉、蔗糖、碳氮含量及形态生长指标；并对根和幼叶开展16S rRNA扩增子测序，分析微生物α多样性、β多样性、差异丰度及指示类群。

研究结果

3.1. Environmental conditions
实验期间整体环境条件较为稳定。不同处理间营养盐浓度无显著差异，说明非目标环境因子控制较好。高CO₂处理成功形成较低pH和较高pCO₂条件。虽然单独生长与入侵处理之间存在约0.5 °C的平均温度差异，但研究人员认为该差异在生物学上可忽略，不足以解释后续观察到的幼苗响应差异。

3.2. Seedling photosynthesis and productivity
基于PAM荧光参数，CO₂升高并未提高幼苗光合作用，因此研究人员将不同CO₂处理合并以检验入侵效应。结果显示，在入侵藻存在下，幼苗的Alpha和Yield升高，而光饱和辐照度Ek降低，ETRmax无显著变化。该结果表明，幼苗在入侵藻冠层下表现出典型的遮阴驯化（shade acclimation）特征，即提高低光下的光能利用效率，并在更低辐照度下达到光合饱和，但最大电子传递能力并未显著改变。

3.3. Net and gross primary production and respiration
氧孵育结果进一步显示，CO₂升高对净初级生产力（net primary production, NPP）、总初级生产力（gross primary production, GPP）和呼吸作用无显著主效应。相较之下，入侵藻显著降低了幼苗的NPP和GPP，而呼吸速率无显著变化。无入侵处理下幼苗的NPP约为入侵处理的1.8倍，GPP约为1.7倍。这说明尽管幼苗发生了光合驯化，但整体碳固定能力仍受到明显抑制。

3.4. Seedling physiological responses
在各项生理指标中，CO₂升高仅对根茎淀粉含量产生轻微影响，表现为高CO₂下根茎淀粉增加趋势。相比之下，入侵藻对碳储备的影响十分明显。入侵处理下，幼苗根部淀粉和蔗糖储备显著下降，根茎蔗糖含量也显著降低，提示地下非结构性碳水化合物（non-structural carbohydrates, NSC）被消耗或积累受阻。元素组成方面，入侵处理使幼叶氮含量升高、C:N比下降，而根和根茎碳含量较低，说明入侵藻不仅影响碳平衡，还改变了营养化学计量特征。

3.5. Seedling development
形态与生长分析显示，pCO₂升高对幼苗发育无显著影响。入侵藻则显著抑制叶部发育：幼苗叶片数减少，总叶面积下降，根茎和叶片干重分别降低，而根重、根数、总根长、最大叶长及第二叶宽度未见显著变化。结果表明，入侵藻主要限制地上部与根茎组织的发育和生物量积累，对早期定殖所需的叶部扩展和地下储碳能力均构成不利影响。

3.6. Microbial community responses
微生物组分析显示，根相关细菌群落与叶相关群落组成显著不同，且根部群落的丰富度和多样性明显高于叶片。高CO₂本身未显著改变整体多样性或群落组成，但在差异丰度层面富集了若干类群，如Alteromonadales、Rhizobiales、Rhodothermaceae、Kordiimonadaceae、Gammaproteobacteria和Thiotrichales。相比之下，入侵藻对微生物组的影响更强。根部群落的Chao1丰富度和Shannon多样性在入侵处理下显著下降，且该效应具有组织特异性，主要发生于根部。群落组成方面，入侵处理显著改变叶和根中的细菌结构，并富集Chromatiales、EC214、Pseudomonas和Phyllobacteriaceae等类群。该结果提示，入侵藻不仅削弱幼苗生长，还重塑与宿主功能密切相关的微生物生态网络。

综合讨论表明，本研究中CO₂升高对P. oceanica幼苗的促进作用极为有限，未能显著改善光合作用、代谢、发育、生物量积累或整体微生物组结构，仅在根茎淀粉储备上表现出轻微增强。研究人员指出，这种弱响应可能与幼苗年龄及处理持续时间有关，即较早发育阶段可能出现过短暂的光合促进，但到实验后期已不再明显。相反，入侵性大型藻类通过遮阴、可能的化感作用以及与微生物介导营养过程相关的改变，形成复合胁迫环境，导致幼苗碳固定能力下降、地下NSC储备耗竭、叶部与根茎生长受抑，并伴随根部微生物组多样性下降与群落重构。由此可见，负面的大型藻类—海草相互作用已在招募阶段发生，并可能直接限制幼苗建立与草床再生。

研究结论部分可概括为：CO₂富集未能缓解入侵性大型藻类对大洋波喜荡草幼苗造成的负面影响。与高CO₂相比，入侵性大型藻类对幼苗的生理、发育、生长及相关微生物组具有更强且更广泛的不利作用。未来海洋CO₂升高不太可能在幼苗招募阶段为海草提供足以抵消入侵压力的竞争优势。该研究的重要意义在于，明确指出海草恢复与持续存在不仅受全球变化因子影响，更强烈受局地生物入侵制约，因此保护和修复P. oceanica草床需重视入侵物种管控，尤其是在幼苗建立这一关键生态窗口期。