磷限制增强他感化学物质的产生与释放：河口水华硅藻中氧脂类的动态变化

《Marine Environmental Research》：Phosphorus Limitation Enhances the Production and Release of Allelochemicals: Dynamics of Oxylipins in Estuarine Bloom-Forming Diatoms

　　- 在韩江口核心区站位，产PUA的硅藻占优势地位，现场观测显示环境PUA浓度为纳摩尔级别。- 在磷胁迫条件下，鉴定出一个高PUA产率菌株——骨条藻 B6（Skeletonema costatum B6）。- 高氮磷比驱动的磷限制促进了PUAs的生成与释放，且与磷酸盐呈负相关。- 首次提供了PUA释放与磷再生之间时间耦合的证据。**引言**加剧的人类活动导致相对于磷（P）而言过量的氮（N）输入河口和沿海水域，引起严重的营养盐污染，表现为氮磷比升高和季节性磷限制频发（Dyhrman等, 2007；Conley等, 2009）。这种胁迫会引发浮游植物群落结构和功能的深刻变化（Cheung等, 2021；Li等, 2018）。作为河口初级生产力的关键驱动因素，硅藻水华的形成与持续机制是海洋生态学与生物地球化学交叉领域的前沿课题（Armbrust, 2009；Deng等, 2024；Strom, 2008；Yang等, 2026）。化感作用被国际化感作用学会定义为藻类及其他生物释放化学化合物以促进或抑制相关物种生长与发育的过程，在浮游植物中广泛存在（Abdo等, 2025；Fan等, 2024；Patil等, 2025；Sun等, 2021）。该过程被认为有助于硅藻水华的形成（Deng等, 2022；Kuhlisch等, 2023）。在营养盐限制或其他环境胁迫下，硅藻激活脂氧合酶通路作为应对氧化胁迫的关键生理反应（d'Ippolito等, 2018；Pohnert, 2002）。该过程将膜衍生的多不饱和脂肪酸转化为生物活性氧脂素，其中最突出的是多不饱和醛（PUAs），后者是研究最为透彻的硅藻化感物质类别之一（Edwards等, 2024；Fontana等, 2007；Franze等, 2018；Rodriguez-Marquez等, 2025；Shang等, 2019）。在海水和实验室培养中，PUAs通常被划分为颗粒态（pPUA）和溶解态（dPUA）两部分（Wu等, 2016）。具体而言，pPUAs包括保留在硅藻细胞内或颗粒聚集体中的部分，作为潜在化感能力的储备库。该部分可在沉降微区积累，并调节附着细菌的活性及随后的有机质再矿化过程（Edwards等, 2015）。相比之下，dPUAs代表通过主动分泌、被动扩散或细胞裂解释放到海水中的胞外部分。一旦通过水柱扩散，这些生物活性分子可作为信息化学介质调节种间相互作用（Bartual等, 2018）。通过化感作用，氧脂素在硅藻水华期间发挥多重生态功能。它们可作为一种化学防御武器抵御大型浮游动物摄食（Franze等, 2018；Ianora等, 2004）或微生物感染（Edwards等, 2024；Meyer等, 2018）。它们还参与调节种间竞争（Ribalet等, 2007a；Wang等, 2021），介导藻-菌互作（Deng等, 2024；Wu等, 2023），并作为种内信号分子（Vardi等, 2006）以及硅藻种群程序性细胞死亡的触发因子（Casotti等, 2005）。这些化感相互作用的累积效应表明，氧脂素可能成为除自下而上和自上而下效应之外，水华期间潜在的调控因素（Ruocco等, 2020）。虽然实验室研究已表明营养盐胁迫（尤其是氮、磷、硅限制）可上调硅藻PUAs的合成（Ribalet等, 2007b），但这些认识大多源于纯培养实验。相比之下，野外观测受物种组成、细胞生理状态、水柱混合及化合物降解等因素的耦合作用影响，因而更为复杂（Vidoudez等, 2011；Wu & Li, 2016）。近期研究已在天然水华中检测到纳摩尔级PUAs，其浓度足以影响浮游生物群落结构（Bartual等, 2018；Wu等, 2021a），而藻际圈浓度可达微摩尔级别，足以在微尺度上驱动显著的生态效应（Edwards等, 2015；Wu等, 2023）。然而，野外采样的时空分辨率有限，难以系统追踪氧脂素在水华演进与衰减全过程的动态，从而制约对其真实生态影响的稳健评估。更为重要的是，新近证据表明氧脂素在微尺度磷循环中发挥调控作用。在磷受限水域，硅藻来源的PUAs已被证明可塑造颗粒相关细菌群落（Wu等, 2021b），并调节碱性磷酸酶活性（APA）（Wu等, 2023），从而增强微生物对溶解态有机磷的矿化（Edwards等, 2015）。这意味着，磷胁迫下PUAs产量的升高可能不仅反映一种被动的胁迫响应（Pohnert, 2002；Ribalet等, 2014），而更可能是一种潜在化学生态机制（Vidoudez & Pohnert, 2008）：即硅藻在细胞衰老和磷耗竭时释放PUAs，以促进局部磷再生。然而，目前仍缺乏关于高氮磷比驱动强烈磷限制条件下PUA合成与释放动态的直接定量证据，以及其与内源性磷再生之间时间耦合关系的证据。为弥补上述空白，本研究聚焦三个具体问题：（1）韩江河口水华核心区内浮游植物来源PUAs的环境浓度及发生特征如何？（2）经磷胁迫筛选的河口硅藻是否具有不同的相对PUA产率？（3）硅藻PUA动态如何响应高氮磷比诱导的生理性磷限制，且与磷再生之间如何时间耦合？为回答上述问题，我们结合了韩江河口水团（北部南海）S站位的现场调查与实验室实验。首先，我们表征了水华站位的浮游植物群落结构，并测定了pPUAs和dPUAs浓度。其次，我们从高氮磷条件下分离优势硅藻，并初步筛选出相对PUA产率较高的菌株。最后，我们在磷限制条件下追踪了一种高PUA积累型河口硅藻的生长、营养盐动态以及PUA合成/释放特征。该实验室实验旨在阐明其化感调控机制，并初步评估其与磷再生之间的潜在生态联系。通过结合现场观测与培养实验，本研究旨在弥合现场环境PUAs发生与其潜在生理调控机制之间的鸿沟。此外，本研究力图建立高初始氮磷比驱动磷限制下"胁迫—合成—释放"的概念框架，从而为硅藻氧脂素动态及其在富营养化沿海环境中的潜在化学生态作用提供新见解。**各节摘要****研究区与现场采样**2024年夏季（初夏5月24–25日和仲夏7月23–24日）在韩江河口水团开展两次航次调查，以针对反复出现的浮游植物水华（图1）。根据淡水排放和表层叶绿素a格局，将S站位选为核心站位。采集表层海水测定物理化学参数（温度、盐度、浊度、悬浮颗粒物、营养盐）和生物参数（叶绿素a、浮游植物群落组成）。**环境背景与现场PUAs发生**S站位位于河口径流影响区内（图1，表1）。仲夏航次期间，水柱氮磷比高（46.2），悬浮颗粒物浓度较高（102.2 mg L?1）。硅藻在浮游植物群落中占绝对优势（>90%）。初夏时，Skeletonema属（24.5%）和Thalassiosira属（22.4%）为主类群（图2A）；至仲夏，群落转变为Skeletonema属（30.5%）、Chaetoceros sp.（16.3%）和属共优势。**现场PUAs发生及环境意义**韩江河口水团升高的氮磷比提示浮游植物可能面临磷限制（Zhou等, 2023, 2026）。本研究首次定量证实该河口硅藻优势群落可合成并释放纳摩尔级PUAs。该浓度与其他富营养化河口（如波河、切萨皮克湾和珠江口）的报道数据相当（Franze等, 2018；Ribalet等, 2014；Wu & Li, 2016；Wu等, 2021a）。**结论**本研究将韩江河口水团的现场观测与实验室实验相结合，阐明高氮磷比驱动的生理性磷限制如何调控形成水华硅藻的PUA合成与释放。现场调查证实产PUA硅藻为水华优势类群，并检测到纳摩尔级环境PUAs。随后的筛选分离出一代表性菌株Skeletonema costatum B6，其相对PUA产率较高。我们建立了**CRediT作者贡献声明****李一勇**：资金获取、数据整理、研究构思。**王卓**：可视化、调查研究。**孙福利**：数据整理。**郭琳**：形式分析。**朱盈佳**：论文初稿撰写、可视化、方法学、调查研究、数据整理。**吴正超**：论文审稿与编辑、可视化、调查研究、资金获取、研究构思。**程远远**：方法学。**阮军涵**：调查研究。**龚舒悦**：调查研究。**李谦平**：论文审稿与编辑、资金**未引用文献**d'Ippolito等, 2018。**数据可用性**本文分析的数据已在本表中列出。**资金资助**本研究受中国国家自然科学基金（项目编号：42676160、42276162、42276130、41706181、42576135）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A1515010938、2026A1515010718、2025A1515012763、2024A1515011203）及中国广东省科技计划项目（2021B1212050023）资助。**利益冲突声明**作者声明不存在利益冲突。**致谢**感谢魏章亮博士在现场调查期间给予的大力支持，感谢李开智教授就韩江河口的生态背景提供宝贵建议。**作者**朱盈佳|吴正超|李一勇|王卓|孙福利|郭琳|程远远|阮军涵|龚舒悦|李谦平