A diver taking samples

图片:马克斯·普朗克海洋Sport研究所的一名研究人员在地中海的海草草地上取样。测量装置测定海底的氧气含量。

来源:Hydra Marine Sciences GmbH

海草广泛分布在温带和热带海洋的浅海地区，面积达60万平方公里，大致相当于法国的面积。它们构成了整个生态系统的基�。切矶嗌锏募以埃渲幸恍┦潜粑Ｎ镏郑绾９�、海马和海牛，也是许多经济上重要鱼类的温床。此外，海草保护海岸线免受风暴潮的侵蚀，并每年封存数百万吨二氧化碳，这些二氧化碳以所谓的“蓝碳”的形式长期存储在生态系统中。

尽管缺乏营养，但依然郁郁葱葱

许多海草的栖息地在一年的大部分时间里都缺乏营养，比如氮。虽然氮的元素形式(N2)在海洋中丰富，但海草不能以这种形式利用它。植物怎么还能茁壮成长呢?这要归功于它们现在发现的微观伙伴:植物根部的细菌共生物，它们将N2气体转化为植物可以利用的形式。来自德国不来梅马克斯·普朗克海洋Sport研究所、德国Bühl的Hydra海洋科学研究所和瑞士水资源研究所Eawag的Wiebke Mohr和她的同事现在描述了海草和细菌之间的这种亲密关系是如何工作的。

根源上的和谐

莫尔解释说:“人们认为海草中所谓的固定氮来自于海底根部周围的细菌。”“我们现在证明，这种关系更加紧密:细菌生活在海草的根内。这是海草首次发现如此亲密的共生关系。以前它只在陆地植物中被发现，特别是在农业上很重要的物种，如豆类、小麦和甘蔗。”它们也有共生细菌，它们向共生细菌提供碳水化合物和其他营养物质，以换取固定的氮。非常相似的代谢产物交换也发生在海草和它的共生体之间。

生活在海草根中的细菌是一个新发现。莫尔和她的团队将它们命名为Celerinatantimonas neptuna，以它们的宿主海王星草(posidonia)的名字命名。C. neneptuna的近亲此前曾被发现与海藻有关。莫尔推测说:“大约1亿年前，当海草从陆地迁移到海洋时，它们可能从海藻中吸收了细菌。”“他们实际上复制了在陆地上非常成功的系统，然后为了在缺乏营养的海水中生存，获得了一种海洋共生生物。”目前的研究着眼于地中海的posidonia属海草。然而，这种共生现象也可能发生在其他地方。“基因分析表明，类似的共生现象也存在于热带海草和盐沼中，”莫尔说。“通过这种方式，这些开花植物设法在各种似乎缺乏营养的栖息地定居，无论是在水中还是在陆地上。”

随季节而动

随着季节的变化，沿海水域中营养物质的含量也不同。在冬季和春季，海水和沉积物中的营养物质对海草来说似乎足够了。“那时，我们确实在植物的根部发现了分散的共生体，但它们可能不是很活跃，”莫尔说。在夏季，当阳光照射增加，越来越多的藻类生长并消耗少量可用的营养物质时，氮很快就会变得稀缺。然后共生体接管了。它们直接为海草提供所需的氮。这就是海草在夏季生长速度最快的原因，而夏季正是环境中营养物质最缺乏的时候。

许多不同的方法为清晰的图像

目前的研究连接了整个生态系统，从海草的生产力到生活在其根部并最终为系统提供燃料的共生体。为了做到这一点，研究人员使用了各种不同的方法来尽可能充分地理解共生关系:在地中海水域进行的氧气测量揭示了海草草甸的生产力。显微镜技术，在单个细菌种类的颜色标记(称为FISH)，有助于可视化的细菌在海草的根细胞和之间。在NanoSIMS(一种先进的质谱仪)中，他们展示了单个细菌的活动。基因组和转录组分析揭示了哪些基因可能对相互作用特别重要，这些途径被大量使用。结果，研究人员成功地为这一惊人的合作提供了合理而详细的描述。“我们的下一步是更详细地研究这些新细菌，”莫尔说。“我们想在实验室中隔离它们，以进一步研究这种共生关系是如何运作的以及它是如何发展的。在其他地区和栖息地寻找类似的系统肯定也会令人兴奋。”

杂志

自然

DOI

10.1038 / s41586 - 021 - 04063 - 4

文章标题

海草和海洋细菌之间的陆地型固氮共生

文章出版日期

3 - 11月- 2021

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