高、低核酸含量原核生物应对资源可利用性降低和原生动物选择性摄食的适应性策略

原核生物在全球海洋生物地球化学循环中发挥重要作用，然而对它们不同生态亚群(即高核酸(HNA)和低核酸(LNA)含量亚群)的丰度和代谢活性，以及它们的调控因素如何随着海洋环境条件的变化而变化，仍知之甚少。厦门大学焦念志院士研究团队通过为期73天的Aquatron大体积培养实验，研究揭示了LNA亚群在资源有限环境中的韧性，阐明了原生动物选择性摄食在不同资源条件下平衡不同原核生物亚群中的关键作用，并展示了原生动物和原核生物在不同环境背景下复杂的相互适宜性。相关成果发表于《中国科学：地球科学》中英文版2024年第6期。

原核生物是最丰富的生物质资源库，是水生生态系统微生物循环的组成部分，也在全球海洋生物地球化学循环中发挥重要作用。基于此，即使原核生物丰度和代谢活性的微小变化也会深刻影响海洋生态系统的结构和功能。因此，进一步了解原核生物的丰度、代谢活性、及其调控因素如何响应海洋环境的变化对于准确预测未来海洋生态系统的变化至关重要。

厦门大学海洋与地球学院焦念志院士研究团队在为期73天的Aquatron大体积培养实验中，利用流式细胞技术和稀释实验，深入研究了高核酸含量（HNA）和低核酸含量（LNA）原核生物的丰度、生长率和死亡率的时序变化及影响因素以及由此介导的培养体系碳流变化，探讨了这些微生物亚群应对资源可利用性降低和原生动物选择性摄食的适应性策略。

结果表明，在资源充足的条件下，HNA亚群的代谢活动比LNA亚群高。然而，随着资源可利用性降低，HNA亚群的丰度迅速下降，导致LNA亚群对整体原核生物活性的相对贡献稳步增加（图1）。此外，研究还强调，随着资源供应减少，原生动物的摄食偏好从HNA转向LNA亚群，LNA亚群对培养体系中的碳流贡献从9%上升到16%（图2）。

图1 Aquatron大体积培养体系内表层(红色)和底层(蓝色)微生物活性及LNA亚群与HNA亚群活性比值的动态变化

(a) HNA亚群生长率(PGG-H); (b) LNA亚群生长率(PGG-L); (c) PGG-L与PGG-H比值(PGG-L/PGG-H)的动态变化; (d) 原生动物摄食介导的HNA亚群死亡率(PMM-H); (e) 原生动物摄食介导的LNA亚群死亡率(PMM-L); (f) PMM-L与PMM-H的比值(PMM-L/PMM-H). 标准偏差由误差线表示. 在P1(第0~16天)和P2(第16~73天)阶段对每个数据集分别进行回归分析, 回归结果(R2和P)显示在回归曲线旁边, 灰色区域代表置信区间

图2 微食物环内的碳流变化

整个培养实验P1阶段(第0~16天)和P2阶段(第16~73天)针对碳流变化的数据分析。三个圆圈代表不同时间点(分别指的是第0天、第16天和第73天)的原核生物碳量，其中HNA和LNA亚群分别用红色和蓝色表示，数字代表生物量(μg L–1)。从每个圆圈延伸的黑色实线箭头代表HNA亚群的每日平均PBP-H(μg L–1d–1)，黑色虚线箭头代表LNA亚群的每日平均PBP-L。从每个黑色箭头延伸的红色箭头代表原生动物摄食消耗的每日平均PMC(μg L–1d–1)，其中实线代表对HNA亚群的PMC-H，虚线代表对LNA亚群的PMC-L。三个红色圆角矩形代表不同阶段HNF生物量的变化.灰色虚线表示由于其他途径导致的碳流变化，计算方式为总PBP减去总PMC、原核生物生物量的变化和HNF生物量的变化。括号中的百分比数值表示LNA亚群PBP和PMC分别占总PBP和PMC的比值。

研究结果突显了LNA亚群在资源匮乏时维持微食物环碳流和生态系统稳定性方面的重要作用，也强调了原生动物选择性摄食行为在平衡HNA和LNA亚群、确保微食物环持续运行中的重要性。这项关于原核生物亚群与原生动物之间相互作用的全面分析，为理解微生物群落的适应机制及其对海洋生物地球化学循环的影响提供了宝贵的见解。