【LorMe周刊】天然束毛藻群落对富铁粉尘颗粒的选择性收集

作者：邵正英，南京农业大学博士在读。主要研究铁载体介导的根际细菌互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍天然束毛藻群落对对自然环境中富铁粉尘颗粒的选择性收集。原文来自于2019年发表在The ISME Journal上的文章《Selective collection of iron-rich dust particles by natural Trichodesmium colonies》。

摘要

粉尘是海洋的一种重要的铁素来源，但由于粉尘的快速沉降和其中铁素的较慢溶解，限制了浮游植物对粉尘中铁素的利用。然而束毛藻群落可以打破这些障碍，主动捕获粉尘并激活其中铁的溶解。本文研究发现束毛藻对粉尘颗粒的收集具有选择性。结果表明，束毛藻可感知粉尘中的铁，并选择性的收集富铁粉尘颗粒。此功能有助于束毛藻对粉尘中铁素的获取，利于束毛藻自身的生长以及海洋区域的营养循环和生产力提升。

表1  自然束毛藻群落收集颗粒的表征方案

天然束毛藻群落对粉尘颗粒的聚集具有选择性-它更倾向于收集富铁颗粒而不是缺铁颗粒

通过对天然束毛藻群落中分别添加三种粉尘颗粒：天然粉尘、去铁粉尘、覆盖铁粉尘，并对其观察、记分（共有三项分数，详细规则见表1），发现天然粉尘和覆盖铁粉尘三个指标显著高于去铁粉尘，表明束毛藻群落可能可以感知Fe的存在，并对其粉尘进行收集。进一步利用硅藻和石英两种表面结构不同的硅酸盐颗粒验证束毛藻对富铁颗粒的收集作用，验证发现两种材料间并没有显著差异，表明颗粒的表面结构对束毛藻收集没有显著影响（图1）。而束毛藻对于富铁颗粒的收集显著高于去铁颗粒，进一步说明束毛藻可选择性收集富铁颗粒。此外，束毛藻与去铁天然粉尘的长期互作（LT）较最初互作（ST）更低，说明随着时间变化，束毛藻会逐渐丢弃去铁粉尘。

图1  束毛藻与不同铁含量的粉尘、硅藻、石英颗粒之间的相互作用.

a-c: 束毛藻与不同类型粉尘互作孵育，d, e: 束毛藻与硅酸盐颗粒互作孵育的；按相互作用参数分组：短期互作(ST)(a，d)、中期聚合（Centering）长期互作(LT)相互(c，e)；条形图表示每个类别中的群落数，总菌落数在条形图的顶部显示；交互强度由颜色表示，红色(++)表示强烈交互作用，橙色(+)表示轻微交互作用，白色(-)表示无交互作用。

富铁颗粒有助于束毛藻菌落稳定性

研究发现束毛藻群落稳定性与铁也有一定的相关性。富铁颗粒群落稳定性显著高于去铁颗粒（图2），说明富铁有助于束毛藻群落的稳定性，这有可能是因为富铁有利于束毛藻的生长。

图2  不同颗粒对群落稳定性的影响.

束毛藻群落在与不同颗粒互作24h之后，完整群落所占的百分比有所不同；富铁颗粒较去铁颗粒显著提高束毛藻群落的完整性。

天然束毛藻群落对亚微米级颗粒的选择作用

为了拓展束毛藻群落对其他类型、尺寸的颗粒的互作模式的了解，作者进一步添加了一种难溶性赤铁矿，探究束毛藻是否可以感应并选择这种难溶性的铁。结果发现添加的⁵⁷Fe-赤铁矿可以被选择并停留在群落中心（图3），说明束毛藻可以选择这种类型的铁且没有识别它的难溶性。此外发现⁵⁷Fe-赤铁矿的分布呈梯度变化，中间内部含量更高，边缘相对更低（图3），进一步说明了束毛藻对颗粒的搬运作用。

图3  利用同位素标记图像显示⁵⁷Fe-赤铁矿在束毛藻群落内的分布情况

红色表示⁵⁷Fe的存在，绿色表示⁵⁶Fe（自然环境所含的铁）的存在

人工培养的红海束毛藻是否可以与粉尘互作？

当红海束毛藻IMS101以单个丝状形态存在时几乎不与粉尘互作，作者猜测对否形成群落与粉尘的互作有关，因为束毛藻分泌多糖有利于粉尘的附着。因此，作者将IMS101分别在富铁和限铁培养基中培养，发现富铁对群落的形成没有显著影响，而限铁培养可促进束毛藻群落的形成。因此作者认为缺铁是驱动束毛藻形成群落的主要原因之一。

图4  束毛藻与粉尘相互作用示意图.

1. 束毛藻可以更好的对富铁粉尘(中)较去铁粉尘进行收集、聚集；2.虽然最初与富铁粉尘的相互作用在不同时期(中上)有很大差异，但在24h孵育之后，同样会导致大部分颗粒滞留(中下)；3.不含铁的颗粒只有少部分在最初被收集(左上)，而且之后经常从群落(左中)中被移除，从而产生无颗粒的群落(左下)。当束毛藻IMS 101为单个丝状时(右上)，不会粉尘产生互作。当诱导群落形成之后(在限铁和较高的密度条件下)，菌落很容易与粉尘(右中)相互作用，但孵育24h后(右下角)颗粒没有在核心部位集中。

总结

本文研究发现束毛藻可以感应粉尘中铁的含量并根据其含量对其进行选择，将富铁颗粒转移至群落核心部位，而对于去铁颗粒，束毛藻群落附着的更低，哪怕最初这些无铁颗粒与群落附着，后期也会对其转移丢弃。同时，铁浓度对于束毛藻群落的形成也是关键因素之一，缺铁有助于束毛藻群落的形成，而束毛藻也相应倾向于与富铁颗粒进行互作。铁素对束毛藻群落形成具有重要影响，缺铁可诱导束毛藻形成群落，收集更多铁素以供生长所需。同时作者也发现在束毛藻收集富铁颗粒之后，可通过群落核心的细菌释放的铁载体对其进行利用。

论文ID

原名：Selective collection of iron-rich dust particles by natural Trichodesmium colonies

译名：天然束毛藻群落对富铁粉尘颗粒的选择性收集

期刊：The ISME Journal (2019) 

IF：9.493

发表时间：2019.8

通讯作者：Yeala Shaked

通讯作者单位：耶路撒冷希伯来大学

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