温带水域海草叶片相关固氮作用、固氮微生物及微生物群落的季节与空间动态

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Seasonal and spatial dynamics of seagrass leaf-associated nitrogen fixation, diazotrophs, and microbial communities in temperate waters

　　

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  丹麦水域中与Zostera marina（大叶藻）相关的持续固氮作用
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  春季固氮作用最强，夏季最弱
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  异养微生物和蓝细菌固氮菌促进了固氮作用
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  叶片相关固氮菌与周围水体中的微生物有所不同
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  一般微生物和固氮菌的核心类群与大叶藻叶片相关联

引言

海草是重要的初级生产者，在沿海生态系统中形成大面积的海草床，提供诸如防止海岸侵蚀、海洋生物多样性栖息地、水质净化、碳封存和养分循环等关键生态服务 1, 2。海草Zostera marina（大叶藻属）分布于北半球沿海地区（3），但正日益受到富营养化（4）、气候变化和沿海开发等干扰的威胁 5, 6, 7。大量人为氮（N）输入对海草床构成威胁（5），但关于海草床内部氮动态的知识仍然匮乏 8, 9。

在外部氮输入较低的环境中，固氮作用可作为海草生态系统中生物可利用氮的重要来源，显著支持海草的生产力 8, 10, 11，当外部氮输入量为中等至较高时也是如此（9）。生物固氮作用由自养型蓝细菌和多种异养型原核生物共同完成，这些生物统称为固氮菌。固氮菌定殖于地上部植物组织（叶片微生物圈）以及地下部的根和根茎（根际微生物圈） 8, 9, 12，与海草相关的固氮速率通常远高于无植被覆盖的海洋沉积物（8）。大多数研究表明，海草根际的固氮作用超过叶片微生物圈（8），但最近的发现表明叶片附生生物具有相当甚至更高的固氮速率 11, 12, 13。一项关于温带Z. marina叶片微生物圈固氮作用时空变异性的长期研究表明，95%的固氮作用在光照条件下发生（9），表明蓝细菌可能是主要贡献者。然而，这与某些研究结果相矛盾，这些研究报告叶片上99%的固氮作用在黑暗中发生，表明异养型固氮菌是其主要责任者（11），而另一些研究报告光照与黑暗条件下无差异（14）。固氮速率与活体 15, 16 和腐烂（17）海草叶片上固氮菌的丰度和多样性相关。海草上固氮作用动态的变异与海草属、叶片年龄、海草生长/健康状况的季节性变化及环境条件等因素有关 8, 9, 18。例如，在地中海海草中观察到较老叶片的固氮速率显著更高，且与较老叶片上附生生物积累更多相关，尤其是在夏季（19）。了解温带海草附生固氮作用的调控因素，包括固氮菌群落动态，对于理解这种变异性至关重要，但相关研究仍较为初步。

海草相关的微生物群落影响植物的生产力和适合度（20）。海草微生物组多样性丰富，每片叶片携带十到数百个类群 20, 21, 22，其组成受地理和本地环境条件的强烈影响 20, 21, 23, 24, 25，并可能（22）或也可能不（20）受海草物种的影响。随着海草叶片老化，微生物负荷和多样性增加 19, 21。这很可能是由于随叶片老化，叶片表面微生物的定殖和生长增加的综合结果（9）。年轻叶片上的微生物组倾向于代表海草核心群落，受宿主筛选的塑造，而老叶片更多受环境物种库的塑造，并逐渐类似于附近的海洋生物膜 21, 23。总体而言，人们公认海草各部位（如叶片、根和根茎）的微生物组对碳和氮循环具有重要意义 8, 26, 27, 28, 29。

已有少数研究报道了与海草叶片相关的固氮作用和固氮菌 15, 26, 30，但鉴于Z. marina在温带水域的广泛分布（3），关于该海草的数据仍然匮乏。为此，我们报道了丹麦三个不同沿海地点的年轻和成熟温带Z. marina叶片的固氮速率和附生微生物群落，历时五个月。主要目标是探索海草叶片微生物群落的时空变异及其与周围海水的特异性，重点是识别与Z. marina叶片微生物圈相关的固氮微生物。在光照和黑暗条件下测量固氮速率，以了解光合微生物和异养微生物的相对贡献。

各节内容摘要

研究地点

我们在丹麦三个环境条件不同的沿海地点采集了海草样地（图1）：Juleb?k Strand（北纬56.0608°，东经12.5723°）是一个暴露的东北海岸地点，海水来自北海流入卡特加特海。Helsing?r湾（北纬56.0308°，东经12.5921°）是一个受波罗的海海水经由厄勒海峡影响更为遮蔽的地点，靠近一个港口。Roskilde峡湾（北纬55.8102°，东经12.0592°）是一个高度富营养化的河口，通过一条狭窄的海峡与卡特加特海相连（31）。

采样

三个地点的环境条件及叶片中C、N和P含量

从五月到九月，周围海水温度范围为11°C至22°C。最低温度出现在五月，记录于Juleb?k和Helsing?r，而最高温度则出现在八月的Roskilde峡湾（图S1）。三个地点的盐度范围为12.4至16.6。硝酸盐（NO₃^-）浓度总体范围为0.3 μM至0.7 μM，而磷酸盐（PO₄^3-）浓度在0.2 μM至4.6 μM之间变化。三个地点的NO₃^-浓度相似，但Roskilde

固氮作用与海草叶片相关并随季节变化

在所有地点和叶片年龄中均可检测到固氮作用，其中春季速率最高（最高达223.17 nmol N g^-1dw h^-1）。该活性与其他海草物种叶片的固氮速率相当或更高 10, 14, 18, 19，但低于Thalassia testudinum（ turtle grass）所报道的极高固氮速率（52）。我们观察到的明显季节模式——春季固氮活性最高——与春季比夏季具有更高生物量特异性固氮速率的发现一致

论文准备过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

在本工作准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来协助图形摘要的设计与制作。作者对输出结果进行了审核和必要的编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

Victor Fernández-Juárez：撰写——审阅与编辑，调查研究。Laura Wegener Parfrey：撰写——审阅与编辑，指导，方法论。Lasse Riemann：撰写——审阅与编辑，指导，资源，项目管理，资金获取，概念化。Vasiliki Papazachariou：撰写——初稿，可视化，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化

未引用参考文献

57.; 58.; 59..

基金支持

本工作得到丹麦独立研究基金会（编号0217-00089B）资助，支持对象为LR；嘉士伯基金会提供了仪器支持。丹麦国家研究基金会支持了挥发物相互作用中心（DNRF168）的相关活动。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本论文所报告的工作。

7. 致谢

感谢Stiig Markager通过罗斯考校区提供采样准入许可，感谢Michael Hansen、Jacob Larsen和Thomas Christensen协助采样，感谢哥本哈根大学数据科学实验室在统计分析方面提供帮助。感谢Gregor Lützenburg协助制作地图。

Vasiliki Papazachariou | Victor Fernández-Juárez | Laura Wegener Parfrey | Lasse Riemann