近日，厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室、海洋与地球学院罗亚威教授团队在全球海洋中重要的优势固氮蓝藻——束毛藻（Trichodesmium）的研究方面取得新进展。相关成果以“Colony formation sustains the global competitiveness of nitrogen-fixing Trichodesmium under ocean acidification”为题，发表于Communications Earth & Environment。
该研究历经数年并联合国内外多家科研单位，逐步建立了从稳态到动态、从游离藻丝体到群体（束状体）的生理生态机理模型。该系列工作系统揭示了束毛藻的资源分配与微环境特征，为评估海洋酸化等气候变化因素对全球海洋碳、氮循环的影响提供了定量模型工具与科学参考。
研究背景
束毛藻是海洋中最重要的自养固氮微生物之一，其固氮活动对维持全球海洋初级生产力具有重要作用。然而，束毛藻面临一个看似矛盾的生理挑战：它在白天进行产氧光合作用，同时又要完成对氧气敏感的固氮作用。束毛藻如何在细胞内协调这两个过程，以及其如何适应未来酸化的海洋环境，一直是海洋生物地球化学领域关注的重要问题。
图1. 束毛藻显微图片；束毛藻可以以单体藻丝体存在，或者由藻丝体集群形成束状体（图源：Woods Hole Oceanographic Institution）
研究结果
围绕这些关键问题，该课题组通过一系列研究逐步建立并拓展了相关理论模型，主要进展如下：
一、建立基础模型：量化细胞内资源分配并预测海洋酸化效应
2019年，该团队与厦门大学史大林教授团队合作，在Nature Communications上发表了基于稳态的束毛藻藻丝体最优能量与铁分配细胞模型。研究量化了海洋酸化如何影响束毛藻的胞内过程，指出酸化主要通过降低固氮酶效率来抑制其固氮速率。基于该模型，该研究预测若人为CO2排放持续增加，本世纪末海洋酸化可能导致全球束毛藻的固氮潜力下降27%。该工作为定量理解海洋酸化对束毛藻固氮作用的影响奠定了基础。
图2. 束毛藻稳态模型结构，以及预测的至本世纪末酸化对束毛藻固氮能力的影响
二、机制探讨：日间动态模型分析固氮与光合作用的“时间隔离”
为了探讨光合产氧与固氮忌氧在束毛藻胞内的并存机制，2022年团队在mSystems上发表了引入日间变化的生理模型。模型分析表明，束毛藻可能无需严格的光合与固氮的空间隔离（即分化出专门的固氮细胞），仅依靠时间上的隔离及呼吸保护等机制，即可在日间维持较低的胞内氧气水平并实现固氮。这一结果为解释此前文献中关于“是否存在空间隔离”的不同观测证据和认识分歧提供了理论参考。
图3. 基于束毛藻日间动态模型提出的光合与固氮时间隔离机制
三、深入微观：动态铁分配与细胞膜通透性的调节机制
在日间动态模型基础上，团队进一步考察了束毛藻的微观调节机制。2023年发表于Computational and Structural Biotechnology Journal的研究表明，束毛藻在光系统和固氮酶之间进行铁的日间动态分配，不仅有助于提升铁的利用效率，还能减少胞内有机碳呼吸，从而促进固氮和生长。2025年发表于Microbiology Spectrum的模型研究进一步探讨了束毛藻动态调整细胞膜氧气通透性的可能性，提出在高光合作用期增加氧气排出、在固氮期降低氧气进入胞内的机制，可有效降低光呼吸并缓解氧气对固氮的抑制。
图4. 束毛藻模型探讨细胞内两个日间动态机制（铁分配和细胞膜对氧气通透性）的效益
四、形态对比：基于束状体微环境模型的全球预测评估
以上模型均针对游离的束毛藻藻丝体（trichome），因此仍难以解释为何在自然海水中，藻丝体组成的束状体（colony）对酸化往往表现出中性甚至积极的响应。2026年，团队在Communications Earth & Environment上发表成果，开发了包含束状体微环境的生理生态模型。研究提出，束状体的微环境效应可能缓解海水中铜和氨的毒性，并可能与增强的铁获取能力产生协同效应，从而在一定程度上抵消了海洋酸化的负面影响。基于此模型的全球预测显示了不同形态的差异化响应：在未来海洋酸化情景下，全球游离藻丝体的固氮量预计将下降16%，而束状体的固氮量则可能上升19%。这提示束状体形成可能是束毛藻应对未来酸化海洋的重要生态策略。
图5. 模型预测的束毛藻藻丝体和束状体本世纪内固氮能力的变化
研究意义与展望
通过持续研究，团队实现了模型维度的逐步拓展：从稳态到日间动态分辨率，从宏观资源分配深入到细胞通透性与元素流转，最终从单一游离形态拓展到包含空间微环境的群体形态。这些模型量化了束毛藻应对不同环境条件的生理调节过程，为探讨领域内关于空间隔离等基础争论提供了定量依据，也为连接微生物微观生理机制与宏观地球系统预测提供了研究范例。该系列机理模型有望被进一步整合到全球生物地球化学模型中，为评估气候变化对海洋生态系统的影响提供科学支持。
研究团队与资助
该系列工作的主要作者包括厦门大学2025届博士毕业生罗伟成、罗亚威教授、史大林教授、洪海征教授，美国罗德岛大学Keisuke Inomura博士，以及捷克科学院微生物研究所Ondřej Prášil研究员、Meri Eichner博士、张福婷博士等。研究主要得到国家自然科学基金面上项目（41476093，42076153，42376140）和重大项目课题（41890802）、国家公派留学奖学金、MEL自主研究课题和MEL优秀博士生奖学金等资助。
论文来源及连接
Luo, W., Eichner, M., Prášil, O., Zhang, F., Inomura, K., & Luo, Y. W. (2026) Colony formation sustains the global competitiveness of nitrogen-fixing Trichodesmium under ocean acidification. Communications Earth & Environment.
https://doi.org/10.1038/s43247-026-03344-y
延伸阅读
1.Luo, Y. W., Shi, D., Kranz, S. A., et al. (2019). Reduced nitrogenase efficiency dominates response of the globally important nitrogen fixer Trichodesmium to ocean acidification. Nature Communications, 10, 1521.
https://doi.org/10.1038/s41467-019-09554-7
2.Luo, W., Inomura, K., Zhang, H., & Luo, Y. (2022). N₂ fixation in Trichodesmium does not require spatial segregation from photosynthesis. mSystems, 7(3), e00538-22.
https://doi.org/10.1128/msystems.00538-22
3.Luo, W., & Luo, Y. W. (2023). Diurnally dynamic iron allocation promotes N₂ fixation in marine dominant diazotroph Trichodesmium. Computational and Structural Biotechnology Journal, 21, 3503–3512.
https://doi.org/10.1016/j.csbj.2023.07.006
4.Luo, W., Inomura, K., Prášil, O., Eichner, M., & Luo, Y. W. (2025). Modeling dynamic oxygen permeability as a mechanism to mitigate oxygen-induced stresses on photosynthesis and N₂ fixation in marine Trichodesmium. Microbiology Spectrum, 13(4), e00453-25.
https://doi.org/10.1128/spectrum.00453-25
供稿 | 罗亚威教授团队
编辑 | 房月 苏颖
排版 | 陈蕾
审核 | 肖武鹏 曹知勉
