近日，厦门大学海洋与地球学院、海洋生物地球化学全国重点实验室高坤山教授团队在固氮蓝藻垂直迁移与藻华适应机制方面取得新进展。成果以“Nutrient starvation and phosphonate utilization coordinate buoyancy and high-light tolerance in Trichodesmium”为题，发表于期刊Nature Communications。
该研究从细胞浮力平衡、超微结构重塑及代谢权衡等维度，阐明了束毛藻在次表层维持稳定生态位的“代谢安全阀”；揭示了营养匮乏打破昼夜垂直迁移节律，驱动其上浮而形成表层藻华的过程；并证实了有机磷——甲基膦酸盐的利用可诱导气囊重排构筑“高光防护盾”，赋予其抵御表层高光胁迫的能力。该成果阐明了经典“碳水化合物压舱假说”的适用边界，为解析束毛藻藻华兴衰机制提供了全新认知。
研究背景
束毛藻（Trichodesmium）是全球大洋生物固氮的主要贡献者之一。然而，其在水中垂直分布规律与表层藻华的维持机制，至今仍是科学谜题：
1、次表层稳定分布与避免沉降机制
常态下，束毛藻主要栖息于光温适宜的次表层水体。以往学术界通常以“碳水化合物压舱假说”解释其昼夜迁移：白天光合作用累积碳水化合物、增加密度下沉，夜间呼吸消耗该压舱物、恢复浮力而上浮。然而，一旦下沉超过120米，束毛藻胞内气囊会被水压压碎，导致永久沉没。至于束毛藻具体通过何种机制精确调控沉浮，此前一直缺乏定量与定性的科学依据。
2、表层藻华维持与光保护悖论
束毛藻常滞留于表层，形成大规模藻华。这有悖于经典模型——表层强光加速压舱物积累并驱动其下沉，然而藻华却持续漂浮；同时，大洋表层正午光强高（>2000 μmol photons m⁻² s⁻¹），极易引发致死性高光胁迫，而藻华群体却能长期存活。
阐明束毛藻如何感知环境信号并逆势上浮，又如何在表层强光胁迫下存活，是解析其在寡营养海域生态优势的关键。
研究结果
研究团队结合浮游植物沉降与上浮速率测量法（SETCOL）、透射电镜切片分析、转录组测序及光生物学等多重方法与技术，解析了束毛藻形态、生理与分子的协同调控过程。
图1. 不同营养与光照条件下束毛藻浮力变化。a，缺铁处理；b，缺磷处理；c，不同磷源及光强下的浮力测定（Fe，铁；Pi，磷酸盐；MPn，甲基膦酸盐；PAR，光合有效辐射）
团队研究发现，缺铁（Fe）或缺磷（Pi）会抑制碳水化合物“压舱物”的合成，导致束毛藻气囊浮力占主导，驱动其上浮，进而促成表层藻华（图1）。同时，研究定义了由光强决定的“浮力补偿深度”（阈值 > 30 μmol photons m⁻² s⁻¹，对应水深约 < 80 m）。在该深度以下，弱光无法补偿压舱物的呼吸消耗，促使束毛藻自发上浮。该光依赖性止沉机制遏制了束毛藻继续沉降，成为其维持有利生态位的“代谢安全阀”。
图2. 束毛藻生长、细胞分化通路及气囊排布。a，光响应生长曲线；b，强光（900 μmol photons m⁻² s⁻¹）耐受试验；c，细胞分化通路富集分析；d，不同光强下气囊排布统计；e–j，气囊显微与超微结构切片（红色线框区为气囊；Pi，磷酸盐；MPn，甲基膦酸盐；AEP，氨乙基膦酸盐；TPP，三聚磷酸盐；G3P，甘油-3-磷酸；F1,6P，果糖-1,6-二磷酸；AMP，腺苷一磷酸；PAR，光合有效辐射）
除浮力调节外，束毛藻还可利用甲基膦酸盐（methylphosphonate，MPn）激活“表层存活模式”（图2）。在强光（680～900 μmol photons m⁻² s⁻¹）下，无机磷对照组发生光抑制崩解，而MPn组则能维持稳定生长。超微结构观测揭示，MPn诱导高达94%的气囊定向重排至胞内外周，通过遮蔽与散射构筑“光学防护屏障”，保护内部核心结构。此外，MPn 的利用介导了细胞资源分配从“生长”向“存活”的权衡重塑：一方面下调光合系统活性，从源头抑制活 (ROS) 性氧产生；另一方面降低基础代谢水平，以牺牲细胞分裂速率为代价，换取强光下的存活韧性。
研究意义及展望
本研究将“束毛藻被动垂直迁移”修正为“主动与被动双模式调控机制”（图4）：
营养充足时，维持基于压舱调节的“生长—迁移模式”，受“浮力补偿深度”约束，活动范围局限于次表层。
营养匮乏时则转为“饥饿上浮”，依托甲基膦酸盐利用进入“表层—存活模式”，通过建立气囊“光保护屏障”与代谢权衡机制，维持表层藻华。这表明，海表束毛藻藻华本质上是次表层营养枯竭后，藻体上浮并依赖特定有机磷的利用以维持种群存活的生理生态表征。
该成果为阐明大洋束毛藻藻华分布与生消动力学提供了新视角，也为解析并预测海洋暖化影响下束毛藻驱动的碳、氮生物地球化学循环提供了新的科学认知与数据支撑。
图4. 束毛藻生长—垂直迁移（左）及表层生存模式（右）概念示意图
研究团队及资助
该论文第一作者为厦门大学邹楚泽博士后，通讯作者为厦门大学高坤山教授。合作者还包括厦门大学高光教授、林昕副教授，德国柏林工业大学Mina Bižić教授及以色列海法大学Ilana Berman-Frank教授。该研究获得国家自然科学基金项目（42506094、42361144840、41720104005）和国家自然科学基金-以色列科学基金会（NSFC-ISF）联合项目（3051/23）的资助。
论文来源及链接
Zou, C., Gao, G., Lin, X., Bizic, M., Berman-Frank, I. & Gao, K*. (2026). Nutrient starvation and phosphonate utilization coordinate buoyancy and high-light tolerance in Trichodesmium. Nature Communications, 17, 9433.
https://doi.org/10.1038/s41467-026-76233-9
供稿 | 高坤山教授团队
编辑 | 房月 苏颖
排版 | 陈蕾
审核 | 罗亚威 曹知勉
