全球变化下海洋颗石藻的生理响应机制研究

Coccolithophores are an important marine phytoplankton functional group. Due to the sensitivity of its calcification process to ocean acidification, the study on coccolithophores has become a focus in global climate change study. However, the mechanisms of the physiological responses of coccolithophores to the climate change multiple-stressors are still unclear. The objective of this proposed study is to examine the mechanisms underlying the coccolithophore physiological responses to the major environmental drivers (including CO2, temperature, irradiance and nutrient concentration). Here we propose to conducted a series of laboratory single-species incubation experiments on different strains and morphotypes of coccolithophore dominant species Emiliania huxleyi, which are isolated from different regions, associated with on-board incubation to be carried out in research cruises in the China Sea waters. With these approaches, the physiological responses of coccolithophores to single environmental drivers and the interaction of multiple stressors will be investigated. In addition, the underlying molecular mechanisms will also be studied. The ultimate goal of this study is to make predications of how the changing marine environment will affect the calcification and photosynthesis of coccolithophores and thus the consequent feedback of coccolithophores to marine carbon pump and the global climate. The proposed study will provide scientific basis for the policy makers to make decisions in the field of carbon emission reduction.

海洋颗石藻是一种重要的浮游植物功能群，因其钙化作用对海洋酸化响应的敏感性，已成为全球气候变化下的海洋碳循环研究中的热点研究对象之一，但其对多重压力下的全球气候变化的响应机制的研究尚处于初步阶段。本研究拟以颗石藻为研究对象，以全球气候变化下海洋颗石藻优势种Emiliania huxleyi不同株系/形态型对主要环境因子的变化的响应机制为研究目标。研究手段拟以实验室内模拟培养实验为主，并结合科考航次现场培养实验，研究内容涉及不同海区以及不同形态类型的海洋颗石藻Emiliania huxleyi的生理指标对单一环境因子变化、以及对双因子和多重环境因子变化的交互作用的响应机制，并进一步探究多重压力下颗石藻的分子调控及响应机制。以期最终评估和预测全球气候变化多重压力下中国近海不同海区的颗石藻对海洋碳泵贡献的变化，进而为在气候变化日益严峻的形势下国家碳减排相关重大决策的制定提供科学依据。

本研究以海洋碳循环中的重要浮游植物功能群颗石藻为研究对象，以全球气候变化下海洋颗石藻主要优势物种不同株系/形态型对主要环境因子的变化的响应机制为研究目标。研究手段以实验室内模拟培养实验为主，辅以自然浮游植物群落现场模拟培养实验，研究内容包括：不同环境因子（CO2浓度、温度、硝酸盐浓度、磷酸盐浓度、光照）单一变化下，颗石藻的生理学响应及其对海洋碳沉降贡献作用的变化；海洋酸化和其他环境因子变化对颗石藻的生理学交互效应及其分子调节机制；酸化其他环境因子变化的交互作用下，自然浮游植物群落中颗石藻与其他浮游植物的种群演替及其潜在生物地球化学效应。通过该项目的实施，主要获得了以下主要认知：1）全球气候变化单一环境因子对颗石藻钙化及非钙化株系的影响有株间特性，钙化株系的响应更为显著，在几种环境因子中营养盐浓度变化对颗石藻钙化及非钙化株系的生理速率影响更为明显；2）颗石藻的钙化及非钙化株系/物种对酸化与其他环境因子交互作用的响应也呈现株间及种间特性，颗石粒的生成可能对细胞应对外界极端环境起到生理保护作用；3）双因子和多重环境因子对颗石藻的生理学交互效应可能主要由最重要的单一环境因子决定，多种环境因子对颗石藻的不同生理过程可产生不同程度及不同类型的耦合作用；4）颗石藻的功能基因表达与生理学参数对环境变化的响应有一定的内在联结性；5）在自然海洋环境中，颗石藻与其他浮游植物功能群之间的演替对全球气候变化多重环境因子的交互作用的响应模式呈现出区域性和季节性，并伴随着对海洋碳沉降的进一步影响。这些研究结果为评估和预测全球气候变化多重压力下颗石藻对海洋碳泵贡献的变化提供理论依据和数据支撑。