痕量金属镉在海洋浮游植物中的生物功能

The distribution of cadmium (Cd) in the oceans shows typical nutrient-like behavior. The discovery of cadmium carbonic anhydrase (CDCA), the only known biological function of Cd, provides a link between the biogeochemical cycles of carbon and Cd. However, CDCA has so far been found exclusively in diatom species, either from laboratory cultures of limited model organisms or in environmental samples from coastal waters. Whether or not CDCA also occurs in other phytoplankton taxa and in oligotrophic regions of the oceans remains unknown. Although previous studies indicate that cellular Cd concentration of phytoplankton likely correlates positively with their size, it is unclear if such a relationship involves CO2 acquisition facilitated by CDCA and how ocean acidification would affect it. In addition, Cd must have other biological roles in phytoplankton than as a metal cofactor in CDCA, since the beneficial effect of Cd has also been observed in phytoplankton species that do not have CDCA. Therefore, in this proposed study, laboratory experiments with model phytoplankton species under well-defined conditions will be complemented by systematic field manipulation experiments, aiming at revealing the diversity of CDCA in the natural phytoplankton assemblages of the South China Sea, the East China Sea and the Taiwan Strait, elucidating the roles Cd and CDCA may play in CO2 acquisition by phytoplankton of different sizes as well as in their response to ocean acidification, and discovering other biological roles of Cd in marine phytoplankton. Together these will provide an insight into the biogeochemical cycle of Cd as well as its relationship with the primary production in the oceans.

痕量金属镉在海水中呈经典的营养元素分布特征，镉碳酸酐酶（CDCA）是已知唯一的含镉金属酶，将镉和碳的海洋生物地球化学循环联系起来。在有限的培养实验和局限于近海的观测中，CDCA迄今仅在硅藻中被发现，其是否存在于其他浮游植物类群及寡营养海区尚未被系统揭示。此外，初步研究显示藻细胞的镉含量与其粒径呈正相关，但其是否与CDCA协助获取CO2相关、海洋酸化将对其产生怎样的影响，均有待阐明。再者，另有不含CDCA的浮游植物亦受益于镉，表明镉有未知的生物功能。因此，本申请项目拟将严格受控的室内培养和系统的现场实验相结合，采用多学科交叉的研究思路和手段，探明CDCA在南海、东海及台湾海峡营养盐条件不同海域中的生态多样性，阐明镉和CDCA在不同粒径的藻类获取CO2以及对海洋酸化响应中的作用及机制，探寻镉在浮游植物中未知的生物功能，为深入理解镉在海洋初级生产力以及其对全球变化响应中所扮演的角色提供科学依据。

以镉（Cd）作为活性中心的镉碳酸酐酶（CDCA）是唯一已知的镉的生物功能，其发现建立起了镉和碳在海洋生物地球化学循环之间的联系。然而，迄今为止，Cd在海洋中的垂直分布为何呈现典型的营养盐分布特征，除了CDCA外其在初级生产力中还扮演哪些角色，仍有待系统深入的研究予以揭示。本资助项目通过实验室受控培养实验和海上现场实验，采用痕量金属洁净技术、生理生化以及蛋白质组学等多学科交叉的研究思路和手段，阐明了CDCA在海洋浮游植物中的多样性以及在不同营养盐环境海区的潜在分布，揭示了细胞粒径大小与细胞内Cd含量之间的关系及其机理，区分了pCO2与pH的单独效应对硅藻生理的影响，并探究了Cd在赫氏藻中的未知的生物功能。我们的研究发现，基于氨基酸序列的系统发育树分析，CDCA可分为CDCA_TW、CDCA_DB和CDCA_MP三类，其分别广泛存在于硅藻以及许多先前未知的其它浮游植物中(如青绿藻和甲藻)，并且不同类型的CDCA在不同营养盐海区的分布不同。其次，我们的实验表明，大粒径硅藻比小粒径硅藻更容易受到Zn和Cd的限制；在一定Zn限制程度内，大粒径硅藻可吸收更多的Cd以缓解Zn限制，且吸收的Cd被用于增加CDCA的表达以帮助细胞获取CO2用于光合作用。我们的研究还发现，CO2浓度上升引起的碳浓缩机制（CCMs）下调并不一定是硅藻响应海洋酸化的主要原因，海水pH下降在酸化效应中同样可起重要作用。此外，我们的实验结果初步暗示，除了作为CDCA的辅酶因子，Cd在赫氏藻中极有可能替代了甲醛脱氢酶中Zn的生物学功能。本资助项目的研究成果为进一步阐明海洋中镉的生物地球化学循环及其在海洋初级生产力中所扮演的角色提供了新的科学依据。