东印度洋聚球藻单细胞硅累积及其对硅碳循环的调控机制

Marine single-celled Synechococcus was found as an important primary producer in marine ecosystem and start point in for marine food web and energy flow, it is important contributor for processing of carbon sequestration in global carbon cycle. Recently, it was found to have the important function of silicon accumulation, this provides us with a new perspective of silicon-carbon coupling interaction cycle in seawaters (especially in oligotrophic ocean) connecting with diatom. Therefore, the project plans to understand the key role of Synechococcus in processing of silicon-carbon coupling sequestration and regulation mechanism in the eastern Indian Ocean. This study will based on our plenty data of Synechococcus abundance, biomass, cell volume data and its carbon conversion factors, and keep on studying the following issues: 1) to parse the silicon accumulation and its special-temporal distribution in the eastern Indian Ocean, and the environmental controlling system; 2) to synthesis of temperature, light intensity, nutrient, other environmental factors, such as pH, and lab conditions, to further explore and optimize silicon dissolving, absorbing and storing mechanism; 3) combined with the module of diatoms in the silicon-carbon coupling cycle, it is important to compare the significance of single cell Synechococcus with diatoms in the eastern Indian Ocean, or even the worldwidly oceans silicon accumulation and the regulatory mechanism of silicon-carbon coupling cycle, and will further gathering the knowledge of key role of Synechococcus on marine silicon and carbon cycle under the global climate changes.

海洋单细胞聚球藻对海洋食物网和能量流具有关键启动和支撑作用，是全球碳循环中固碳过程的重要贡献者，近年又被发现其具有重要的硅质化作用，为我们提供了一个在海洋中（特别是寡营养海域）除硅藻之外连接硅碳耦合循环交互作用的新视角。为此，本项目拟在申请人前期构建的东印度洋聚球藻丰度数据和碳生物量细胞体积转换模型的基础上，进行以下研究：1）解析东印度洋聚球藻硅累积量与其时空分布规律、海洋环境调控机制；2）结合温度、有效光强、营养盐、pH等多环境因子以及室内培养数据，进一步探究和优化聚球藻硅质化过程中溶解硅的吸收和储存机理；3）结合硅藻在硅碳循环的作用模式，对比单细胞聚球藻在固硅和固碳作用中的重要意义，了解聚球藻在东印度洋硅碳循环的调控机制。可望对东印度洋乃至全球海洋聚球藻硅质化作用及其对硅碳循环的调控机制有一个基本和系统的认识，为深入研究聚球藻在全球海洋硅循环中的作用提供前提基础。

目前普遍认为海洋Si循环通过对硅藻生长和代谢的影响，与C循环密切耦合在一起。然而，海洋超微型蓝藻中聚球藻在细胞内部积累了大量的Si，这一发现对海洋Si循环具有深远的意义。在本项目中，我们探究了东印度洋和西太平洋超微型浮游植物以及聚球藻的硅累积作用。研究结果表明，在寡营养的东印度洋，超微型和微型浮游植物bSi水柱积分存量分别占总bSi储量的49%和39%；它们对总bSi产量的贡献分别为43%和38%，这说明微小浮游植物对海洋bSi储量和产量具有重要的贡献。在寡营养的西太平洋，根据分粒级bSi的分析结果，我们同样发现超微型浮游植物对总bSi储量有可测量和显著的贡献（65%）。此外，为了确定聚球藻细胞内Si含量在寡营养海域中的大小和变化，我们分析了收集自未被充分研究的东印度洋和西太平洋的1348个离散型聚球藻细胞。在寡营养的东印度洋和西太平洋中，聚球藻细胞内的Si配额差异很大，从0到4651 amol Si cell-1的不同变化，其中从东印度洋收集的细胞内Si配额在0-2927 amol Si cell-1之间。虽然聚球藻细胞内Si含量的变化很大，但来自西太平洋的细胞内Si含量比来自东印度洋的细胞内Si含量平均多2.5倍。单细胞聚球藻对总bSi储量和超微型浮游植物分粒级bSi储量的贡献分别为<1-8%和1-11%，这说明海洋单细胞聚球藻对bSi存量的贡献虽小，但持续存在。然而，在某些情况下，这些低贡献在数量上与硅藻相当，特别是在硅藻细胞丰度较低的寡营养环流中。在实验室内的培养研究发现，硅酸也不是单细胞聚球藻生长和代谢的关键控制因素。单细胞聚球藻细胞内Si配额的变化可能是由环境变量通过一些未知的独立或依赖的生理过程间接驱动的。总之，上述研究内容有望对东印度洋和西太平洋等寡营养海域乃至全球海洋超微型浮游植物硅碳累积作用及其对硅碳循环的耦合调控机制有一个系统和全面的认识，为深入研究超微型浮游植物在全球海洋硅循环和硅碳耦合循环中的作用提供科学基础和基本理论框架。.本项目发表标注基金论文122篇，其中SCI论文110篇，包括Communication Biology、Water Research、L & O、PIO等业内知名期刊上，第一标注论文52篇，第二标注论文53篇。该项目执行期间共培养青年人才25名，其中外籍副教授1人、博后1人，博士研究生3名，硕士研究生20名。