近日，中国水产科学研究院黄海水产研究所叶乃好研究员团队联合哈尔滨工业大学（威海）等单位，在全球变化与海洋生源要素代谢循环领域取得新进展。相关成果以“Ocean acidification reshapes phytoplankton phosphorus metabolism under phosphate-limited conditions”为题，在国际著名期刊《自然·地球科学》（Nature Geoscience）在线发表。该研究系统揭示了海洋酸化与磷限制共同作用下浮游植物磷代谢的适应性变化与可塑性分配机制，并评估了其潜在的全球效应。
磷是核酸、ATP和磷脂等重要生物分子的核心组成元素，对海洋浮游植物生长、初级生产和碳输出具有重要调控作用。随着全球变化加剧，酸化与磷限制正在交互影响海洋浮游植物的生存环境。已有研究显示，浮游植物能够通过改变元素组成和资源分配等机制应对营养盐变化，但海洋酸化如何影响其磷获取、储存和分配，短期生理适应（acclimation）与长期进化适应（adaptation）是否存在差异，以及这些细胞尺度响应能否推演至自然群落乃至全球海洋生态系统，目前仍缺乏系统认识。围绕以上问题，研究团队从室内长期适应实验、细胞代谢机制、海上原位验证和全球尺度分析等多个层面开展研究，主要取得以下三方面进展。
1.长期适应：超1000代培养揭示生长与碳固定增强、颗粒有机磷含量降低
团队以模式硅藻假微型海链藻（Thalassiosira pseudonana）为研究对象，在不同酸化和供磷水平下开展了长达880天、超过1000代的长期适应性培养，并通过CO2转换实验（reciprocal CO2-shift assays）区分可遗传适应与可逆性生理调节效应。结果显示，磷限制条件下，20天短期酸化并未显著改变细胞颗粒有机磷（POP）含量；长期培养后，酸化低磷（OA-P）组POP含量较非酸化低磷组（AC-P）降低约26.3%。当长期酸化培养藻株重新转回环境CO2水平后，其生长和光合能力仍然保持较高水平，而磷限制条件下的POP含量明显回升。研究表明，长期酸化形成的生长和碳固定优势具有较稳定的适应性特征，而胞内磷分配则保持较强的表型可塑性。这意味着长期海洋酸化可导致细胞光合固碳与磷代谢发生解耦，而仅以生长或固碳指标评估酸化效应可能难以反映其磷代谢的真实响应。
图1.假微型海链藻长期适应性培养及海洋酸化转换响应
2.磷代谢重塑：降低磷储存，以非磷脂替代磷脂，重塑胞内磷资源分配
团队进一步整合转录组、代谢组和生化分析等多种技术手段解析这一现象的背后机制。结果显示，在磷限制条件下，酸化降低了磷酸盐转运蛋白（PT）和部分碱性磷酸酶（AP）相关基因表达水平，碱性磷酸酶活性下降34.6%，同时显著降低胞内多聚磷酸盐（polyP；OA-P下降84.1%）、RNA（下降59.5%）和ATP等含磷组分。膜脂分析发现，在磷限制条件下，海洋酸化降低了主要磷脂（PC、PG、PE）含量，而硫脂（SQDG）和半乳糖脂（MGDG/DGDG）等非磷脂组分增加，表明细胞可通过减少磷储存和部分高磷组分投入，并以非磷脂替代部分磷脂，重新配置有限的胞内磷资源。这种“磷节约型”资源分配策略有助于浮游植物在磷资源受限条件下维持较高的生长和碳固定能力。以上结果提示，在海洋碳酸盐体系和营养盐结构持续变化的背景下，浮游植物生物量或初级生产力可能不足以全面表征海洋生态系统状态。因此，还应评估浮游植物碳磷比（C:P）等化学计量特征、营养品质，以及这些特征沿食物网的传递效应。
图2.海洋酸化和磷限制条件下假微型海链藻的磷代谢重组机制
3.从近海到大洋：揭示未来海洋磷循环的区域分化与不确定性
研究团队将实验室发现进一步拓展至自然群落和全球尺度。渤海、黄海航次调查及船基现场培养实验表明，在低磷、高氮磷比（N/P>19）条件下，海洋酸化可促进颗粒有机碳（POC）积累并降低POP，而补磷可缓解POP降低，说明磷供应是调节酸化影响天然浮游植物碳磷组成的重要因素。团队整合全球Tara Oceans、SOPICC（Southern Ocean Phytoplankton in a Changing Climate）宏转录组，以及全球2159条海洋表层浮游生物POP观测数据，并结合CMIP6未来气候情景（SSP2-4.5和SSP5-8.5）开展模拟预测。结果表明，全球浮游植物磷代谢受到CO2水平与磷酸盐浓度共同调节；未来海洋表层浮游生物POP变化具有明显区域差异：SSP2-4.5下南大洋POP可增加约110%，而北极及非极区大范围下降（可达约211%）；SSP5-8.5下全球海洋表层浮游生物POP总体下降趋势更显著（约2185%），意味着酸化可能进一步重塑全球海洋磷循环格局。近海增养殖区通常是初级生产力和生源要素循环较为活跃的区域。本研究以细胞代谢—天然群落—全球尺度为主线，系统揭示海洋酸化与磷限制的耦合机制，为预测我国近海尤其是增养殖生态系统的演变趋势提供新的视角与科学依据。
图3.全球尺度浮游植物磷代谢核心基因表达及未来海洋表层POP演变预测
黄海所与哈尔滨工业大学（威海）联合培养的王炳坤博士、黄海所王亚鹏为论文共同第一作者，黄海所叶乃好研究员、徐东研究员以及哈尔滨工业大学陈国福教授为共同通讯作者。美国南加州大学 David A. Hutchins、Feixue Fu以及美国科罗拉多州立大学Zhuonan Wang等参与该项研究。
同期，团队围绕全球变化下硅藻的碳硅代谢机制开展的另一项合作研究在《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表。该研究以海洋硅藻Chaetoceros muelleri为研究对象，开展了长达1100代的长期演化实验，对比了“突变式酸化”（CO2由440 ppm直接升至1000 ppm）与“渐进式酸化”（CO2由440 ppm以每70代增加40 ppm的幅度逐步升至1000 ppm）两种实验设计对硅藻的影响。通过整合演化基因组学、生理学、元素化学计量和地球系统模型分析发现：与渐进式酸化相比，基于骤变式（急性）酸化的实验处理可能使硅藻生长与固碳响应被高估，幅度最高可达15%；这一偏差同时伴随更强的基因组分化信号（如SNP积累速率和pN/pS升高）以及更持久的基因表达改变。相反，渐进式酸化引起的表型和基因组变化明显较弱，更接近自然海洋酸化的实际过程。该研究提示，在模拟自然海洋酸化情景时，实验应优先采用渐进式CO₂升高设计，以更准确地预测海洋生态系统响应。厦门大学高光教授、黄海所叶乃好研究员和英国东英吉利大学Thomas Mock教授为论文共同通讯作者。
相关研究获得联合国“海洋十年”计划—“气候变化下的可持续水产养殖（SACC）”项目、国家重点研发计划中美“战略性科技创新合作”重点专项、国家自然科学基金渤黄海共享航次计划、山东省重点研发计划、泰山学者工程和现代农业产业技术体系等项目支持。
论文链接：
NG文章：https://doi.org/10.1038/s41561-026-02113-y
NC文章：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77753-0
