光合作用共生与温度耐受性：来自浮游有孔虫及其甲藻共生体 insights

《Symbiosis》：Photosymbiosis and thermal tolerance: Insights from planktonic foraminifera and their dinoflagellates

　　

海洋生物的热耐受性是决定其在未来海洋变暖背景下生存的关键因素。特别是，像光合共生体（photosymbiotic consortia）这类复杂系统的响应难以预测，但亟需加以评估以深入理解海洋生态系统的变化。在本研究中，研究人员实验评估了浮游有孔虫Trilobatus sacculifer及其藻类共生体Pelagodinium béii的上限温度。研究结果表明，T. sacculifer在32°C时仍保持健康且具有繁殖活性，但在34°C时无法生长、捕获猎物及释放配子。该结果提示其上限温度阈值介于32°C与34°C之间，这与前人报道基本一致。共生体内（in hospite）共生体的光生理参数在32°C以下保持稳定，但在34°C时急剧下降且未发生白化，表明其耐受窗口狭窄。另一方面，最初从T. sacculifer中分离出的自由生活（free-living）P. béii表现出更低的上限温度（29°C）。对P. béii的额外实验表明，仅在光照强度降低时，该上限才可提升至30°C。被有孔虫宿主隔离在体内的共生体能够耐受更高温度；这可能部分与宿主介导的遮荫（host-mediated shading）及细胞聚集（自我遮荫）效应有关，这些效应缓解了热胁迫与光胁迫的叠加效应。然而，遮荫效应在30°C以上不再有效，提示存在某种未阐明的机制使共生体内群体得以应对32°C。尽管如此，这些发现强调了光合作用共生不仅提供营养交换，还为共生体提供了抵御环境极端条件的保护。这种共生体内藻类适合度的提升将有助于增强宿主的适合度，从而对共生有孔虫在预测的海洋变暖情景下的恢复力（resilience）具有重要启示意义。

研究背景方面，人为全球变暖正在导致海洋升温，温度从根本上调控生物的代谢与生理过程。当持续的海洋变暖超出生物的驯化能力时，生物将被迫向更冷的栖息地迁移，否则在极端情况下将面临死亡。许多生物类群已向更高纬度或更深、更冷的栖息地转移，而扩散能力低的生物如造礁石珊瑚则越来越多地经历由极端高温导致的"白化"——即与藻类共生关系的破坏。这些物种分布的改变和生态功能的丧失驱动生态系统结构发生重大转变，进而影响依赖这些物种的海洋生物地球化学循环。

浮游有孔虫是具有钙质壳的海洋浮游动物，其壳体可保存在海洋沉积物中。它们以温度分区为基础表现出明显的生物地理分布，并因其物种组成与温度的强相关性而被广泛用作古海表温度的高分辨率代用指标。近几十年来，全球生物地理数据大量积累，综合数据库的构建使大规模 Meta 分析成为可能，特别是在气候变化与浮游有孔虫组合关系方面取得了重要认识。然而，关于浮游有孔虫如何响应极端温度的经验知识仍然有限。早期实验室实验研究了暖水区棘刺类物种的温度响应，结果表明T. sacculifer在高达31°C时可正常生长，但在32–33°C时无法生长。近期研究利用生态建模方法检验了不同生态类群浮游有孔虫的温度敏感性，发现携带藻类共生体的物种比非共生类群对过去变暖事件具有更强的适应能力，暗示其具有驯化潜力。但这些发现多基于观察性研究，其在极端条件下的适应程度尚不完全清楚。

共生有孔虫在热胁迫下也可能经历共生关系的破坏，类似于珊瑚白化现象。底栖有孔虫的热耐受性已知在物种间差异显著，且其响应也受个体先前经历环境条件的影响。尽管这种变异性妨碍了概括性结论，但在某些物种中已于32°C观察到白化现象。关于共生体光生理学，光合作用在30°C以上降低，但在某些耐热物种中可维持光生理适应性至36°C。共生体转换（symbiont shuffling）也已被报道为底栖有孔虫应对环境的一种策略。热耐受性不仅取决于宿主物种，还依赖于共生体的身份和多样性。迄今尚无实验研究探究浮游有孔虫是否会在热胁迫下发生白化。鉴于当前海洋变暖趋势及未来温度可能超过历史常态，亟需重新经验性地检验浮游有孔虫的热耐受性。

材料与方法方面，有孔虫样本于2022年11月采自相模湾（MNZ，139°11.0'E，35°10.0'N），并于2023年4月采自冲绳濑底岛（SSK，127°50.5'E，26°36.5'N），两区域均处于黑潮水团影响下。研究人员使用网口直径80 cm、网目100 μm的环网进行采样，样本带回实验室后立即将活体T. sacculifer分离至0.22 μm过滤海水中。该物种仅含甲藻共生体P. béii。MNZ样本设置三个温度组：19.5°C（n=9）、24.5°C（n=9）和32°C（n=8），对应其生长-温度关系曲线的平台期下限、中点和生长上限。SSK样本复现32°C处理，并增设34°C（n=15）和36°C（n=16）。温度由多温度梯度培养箱控制，光合有效辐射（PAR）设置为100±30 μmol quanta m^-2 s^-1，光暗周期12 h-12 h。为延长共生体存活时间以考察温度的长期效应，投喂频率 footprint 设为每4–7天一次。实验期间使用倒置显微镜观察并拍照，利用ImageJ分析共生体细胞形状。光生理学测量采用快速重复速率（FRR）荧光仪，测定最大荧光（Fm）、最大光化学效率（F_v/F_m）、PSII功能吸收截面（σ_PSII）及初始电子受体Q_A再氧化时间常数（τ_QA）。

共生体培养实验使用由T. sacculifer分离的P. béii藻株（NIES-4006），于IMK培养基中在控制条件下培养。通过建立细胞密度与Fm的标准曲线，测定不同温度下P. béii的生长速率。初始细胞密度设为10,000 cells mL^-1，温度梯度设为22°C、26°C、29°C、30°C、31°C和32°C。光曲线实验于生长第4、8、12天进行，设定光强梯度为10、20、50、100、200和500 μmol quanta m^-2 s^-1，测定实际光化学效率（F_q'/F_m'）、非光化学淬灭（NPQ）和相对电子传递速率（rETR）。

遮荫实验在首次实验后追加，以验证遮荫效应对热胁迫的缓解作用假设。最高温度设为32°C，另设30°C和28°C，每个温度组设三个光照水平：高光照（HL，100±30 μmol quanta m^-2 s^-1）、中光照（ML，55±10 μmol quanta m^-2 s^-1）和低光照（LL，20±5 μmol quanta m^-2 s^-1），各组设三个重复。对照为22°C、HL。

数据分析采用贝叶斯框架下的非线性混合效应模型，结合马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）模拟，以样本ID作为随机因子处理重复测量和个体间变异。模型使用rstanarm包运行，四链各1000预热步和1000采样步。差异显著性通过计算后验预测分布的95%区间评估，包含0则认为差异不显著。形状参数差异采用Kruskal–Wallis检验及事后Steel–Dwass多重比较。遮荫实验数据采用ART（aligned rank transform）进行双因素方差分析。

研究结果部分，"有孔虫-共生体系统的总体特征"表明，T. sacculifer在32°C可存活，但在34°C无法存活。19.5°C、24.5°C和32°C组存活率无显著差异，而34°C和36°C组在实验第2天存活率分别降至13%和0%。32°C组88%（15/17）个体发生有性生殖（配子发生），摄食接受率为100%；34°C和36°C组死亡由伪足流动停止导致，与繁殖无关，34°C组摄食接受率仅7%。34°C以上共生体形态显著变化：正常条件下共生体为纺锤形，长宽比1.49–1.61；34°C和36°C时变为显著球形，长宽比分别为1.16和1.09。36°C时细胞显著收缩至3.2 μm。24.5°C和32°C组伪足粘性增加、密度增大，使壳体周围棘刺区域更显白色。

"有孔虫-共生体系统的生长与光生理学"显示，MNZ实验中各温度组有孔虫正常生长，32°C组形成1–3个房室，未观察到共生体释放或颜色损失。Fm在各组略有增加，所有光生理参数在各温度组间无统计学显著差异。SSK实验中，32°C组再次显示正常生长和稳定光生理学；34°C和36°C组则迅速死亡，伴随共生体光合信号丧失，但无白化特征——即健康至32°C，但34°C以上致命。

"自由生活共生体"结果表明，P. béii生长随温度升高而下降，最大细胞密度在22°C、26°C、29°C和30°C分别为869±41×10³、511±41×10³、388±80×10³和1.8×10³ cells mL^-1。30°C时仅1/3重复出现生长，总体生长限制阈值为29°C。光生理参数在可观察生长的温度组间无显著差异，但F_v/F_m相对较高、σ_PSII相对较低。中生长阶段29°C组在低光强下F_q'/F_m'和rETR高于22°C和26°C组，但100 μmol quanta m^-2 s^-1以上时较低。NPQ在29°C和30°C持续较高。遮荫实验显示，30°C时降低光强可使P. béii生长，LL组最大细胞密度达428×10³ cells mL^-1，ML组一个重复缓慢生长至7.9×10³ cells mL^-1。28°C时随光强降低生长改善。但32°C时降低光强无法使任何组生长。与共生体内共生体相比，自由生活P. béii细胞相对更小更圆。

讨论部分，"有孔虫-共生体系统的温度耐受性与响应"指出，T. sacculifer及其共生体内共生体的上限温度确定在32°C至34°C之间。前人研究表明T. sacculifer在31°C时繁殖活动正常，32–33°C时罕见，据此确定上限为32°C。本研究确认32°C仍安全，上限略高于32°C，与Lombard等（2009）的模型结果一致。32°C的光生理学无变化也值得关注。32°C与34°C组之间的鲜明对比强调，一旦超过温度阈值，T. sacculifer的整体适合度将急剧下降，且无白化即致命。32°C的上限相对较高，考虑到类似栖息地的光合共生放射虫上限仅为28°C。在最坏情景下，2100年前海表温度将上升1.6–3.5°C，32°C并非乐观的阈值。热胁迫下伪足外观的差异此前鲜有报道。共生体形状可能与宿主伪足的束缚强度有关：正常纺锤形沿棘刺方向排列，反映伪足的束缚作用；而34°C以上球形化反映该作用力减弱，即宿主本身的不健康状态。

"自由生活共生体的耐受性"指出，P. béii原种描述报道其无法在30°C增加细胞密度。本研究证实29°C下100 μmol quanta m^-2 s^-1仍可生长，30°C时仅一个重复生长。29°C中生长阶段低光强下F_q'/F_m'较高，表明除非暴露于过量光照，P. béii在29°C仍可保持光合性能。29°C早期生长阶段NPQ较高，表明此阶段为对温度突变的驯化期，代价是影响生长。

"共生体内甲藻的增强耐受性"是本研究的核心发现。P. béii自由生活态的温度耐受性（29°C）低于有孔虫光合共生系统（32°C以上）。这不同于通常认为的高耐受性源于共生体本身耐热性的观点。考虑到光照对自由生活P. béii的影响，共生体内较高温度耐受性可能反映光照被一定程度衰减：即宿主介导的遮荫效应。前人研究已证明P. béii无法应对有害紫外辐射（UVB），宿主有孔虫起到遮荫作用。虽然难以精确估计有孔虫细胞质和壳壁的光衰减程度，但宿主来源物质必定减少光穿透。棘刺上共生体密集聚集形成细胞簇，产生自我遮荫效应，这是自由生活态中不会发生的。共生体自身无法在宿主内移动，周围割取，这种聚集由宿主主动操作，表明宿主积极保护共生体免受过量光照以最小化热胁迫的有害效应。遮荫实验支持这一假说：30°C时HL组无生长，而ML和LL组显示生长能力。但32°C时遮荫无效，提示存在未识别的机制使共生体内群体得以应对32°C。

"自由生活与共生体内光生理学的差异"比较显示，共生体内F_v/F_m较高而σ_PSII较低。若共生体内共生体受宿主遮荫保护，低σ_PSII通常指示的高光驯化似乎相反。模拟遮荫的额外实验表明，持续低光下σ_PSII不会增加而是维持相似水平。可能的解释包括：（1）共生体内天线大小成功减小以应对过量光能，而自由生活态无法做到这一点；（2）功能反应中心增加导致表观天线大小减小。更高的F_v/F_m支持后一解释。综合而言，共生体内的某些光生理学调整与宿主遮荫效应协同增强了热胁迫条件下的适合度。研究局限性包括：（1）培养藻株可能已因长期培养而发生遗传改变；（2）一步温度调整可能造成热休克；（3）缺乏共生体内共生体的光响应曲线。

"与其他光合共生系统的差异及未来展望"部分指出，通常报道光合作用共生使藻类对热胁迫更脆弱。基于耐热共生体Durusdinium trenchii的比较转录组学研究显示，共生体内上调了光抑制反应和细胞应激反应，表明共生体内共生体整体适合度下降。放射虫Collozoum pelagicum与其共生体Brandtodinium的情况也显示共生体内耐受性降低。共生体直接适应环境的能力在自由生活态更为灵活，而共生态则依赖宿主生理状态和控制，可能产生独特限制。本研究发现的共生体内有孔虫共生体更具热耐受性的结果与上述例子相反，提示共生体应激响应高度复杂，涉及宿主依赖性、共生体依赖性及两者互作产生的约束，且进一步受环境胁迫因子的调控。因此，需谨慎判断本研究现象能否推广至浮游有孔虫光合作用共生整体，或仅代表物种特异性特征。

研究结论翻译如下：T. sacculifer及其共生体内P. béii的上限温度介于32°C与34°C之间。共生体内光生理学参数在32°C以下稳定，34°C时急剧下降且无白化，表明耐受窗口狭窄。自由生活P. béii的上限温度为29°C，降低光刊见度可提升至30°C。共生体内P. béii可耐受更高温度，这部分与宿主介导的遮荫及自我遮荫效应有关，但30°C以上遮荫效应失效，提示存在未阐明的机制。这些发现强调光合作用共生不仅为共生体提供营养交换，还提供抵御环境极端的保护，这种共生体内藻类适合度的提升有助于增强宿主适合度，对预测海洋变暖情景下共生有孔虫的恢复力具有重要启示意义。