聚球藻是一种遍布全球海洋、数量最大的原核藻类之一，是海洋初级生产力的关键贡献者。它们的生长代谢除受环境因素影响外，很大程度上受制于异养细菌的调控。研究揭示异养细菌与聚球藻存在着错综复杂的互作关系，然而当它们在长期共存条件下呈现出了互利共生的发展趋势，最终建立一个营养自给自足的藻菌微生态系统，即使在长达2-3年内无人为补给营养，聚球藻始终能保持很高的细胞浓度和旺盛的光合固碳活性。然而海洋中藻菌关系会受到各种动态变化的环境因素干扰，聚球藻与异养菌群的这种互利共生关系能否保持稳定或者能否重现却尚不清楚，这不仅是研究海洋藻菌关系动态变化过程与驱动机制的重要科学问题，并关乎海洋碳循环与气候变化。
张永雨研究员带领的海洋碳汇与能源微生物研究组，在聚球藻与异养菌群长期互作方面的研究基础上，发现人为添加外源营养会破坏聚球藻与异养菌群长期建立的互利共生关系。然而，一旦外源性营养物质被耗尽，它们又可逐渐恢复彼此的代谢共生关系。利用宏基因组、宏转录组和15N同位素示踪等方法揭示了异养菌固氮是促发藻菌共生关系得以重建的关键驱因。期间异养菌群表现出了独特的行为策略，表现为趋化性、群体感应、生物膜形成和藻多糖降解能力的增强等，驱动彼此互惠关系重建过程中菌群结构和功能的调整，并伴随磷、铁和维生素等其它营养要素的微生物生产，促进了聚球藻的健康生长。该研究表明营养物质的化学计量对聚球藻和异养细菌的共生关系具有重要影响，然而，由于聚球藻和异养细菌在地球历史上已共存长达数十亿年之久，它们可能已经建立了朝着互利共生关系方向发展的进化适应或内在倾向，以便能在不利的环境条件下健康生长，这可能也正是聚球藻在寡营养海洋环境中依然能保持其重要生态优势地位的一种进化适应策略。
相关研究结果近日发表于国际期刊Science Advances，博士后Shailesh Nair和张增虎副研究员为该论文共同第一作者，通讯作者为张永雨研究员。该研究工作得到了厦门大学焦念志院士和高树基教授等的协助，并在基金委、科技部以及中科院海洋大科学中心等项目经费资助下完成。（文/张增虎 图/Shailesh Nair）
图 长期共存下聚球藻与异养菌群建立互利共生关系的内在趋势
Nair S#, Zhang ZH#, Li HM, Zhao HS, Shen H, Kao SJ, Jiao NZ, Zhang YY*. Inherent tendency of Synechocccus and heterotrophic bacteria for mutualism on long-term coexistence despite environmental interference. Science Advances, 2022, 8, eabf4792
