(来源：MIT News)
海洋中最勤奋的生物之一是微小且带有翡翠色调的原绿球藻（Prochlorococcus marinus）。这种比人类红细胞还要小的单细胞微型浮游生物广泛分布在海洋表层水域，是地球上数量最多的光合作用生物，原绿球藻的固碳能力甚至可与陆地作物相媲美。如今，科学家研究发现，这种微小的绿色生物在海洋碳循环和碳储存中扮演着至关重要的角色。
最近，MIT 的科学家发现了原绿球藻在调节海洋生态方面的一项新功能——“DNA构建块的交叉喂养”。在发表在Science Advances上的一篇论文中，研究团队指出，这些微生物会将多余的化合物释放到周围环境中，这些化合物随后被其他海洋生物吸收，用作营养来源、能量供应或代谢调节物。换句话说，原绿球藻排放的废弃物成了其他微生物的宝贵资源。
更有趣的是，这种交叉喂养表现出规律的周期性：原绿球藻通常在夜间释放这些分子，而其他微生物会迅速将其吸收。研究发现，对于海洋中最丰富的细菌之一 SAR11 而言，这些夜间的“零食”具有类似放松剂的作用，能够减缓它们的代谢速度，为第二天的活跃状态积蓄能量。
通过这种交叉喂养，原绿球藻不仅仅是在简单地释放多余物质，还在帮助众多微生物群落实现可持续生长。这种互动模式可能为全球范围内微生物的日常节律奠定了基础。
MIT 教授、该研究的共同作者 Sallie “Penny” Chisholm 表示：“海洋生态系统中两类最丰富微生物之间的关系一直是海洋学家关注的谜题。”早在 1986 年，她便参与了原绿球藻的发现。她补充道：“如今，我们终于能够窥见它们之间精妙的协作关系，这种协作维持了广阔海域中微生物的生长与生态平衡。”
由于原绿球藻和 SAR11 广泛分布于表层海洋，研究团队推测，这些分子之间的交换可能是海洋中最关键的交叉喂养关系之一，在海洋碳循环中发挥着重要作用。
“通过深入研究交叉喂养的细节和多样性，我们正逐步揭示塑造碳循环的关键力量。”该研究的第一作者、MIT 地球、大气与行星科学系研究员 Rogier Braakman 表示。
参与这项研究的其他MIT合作者还包括 Brandon Satinsky、Tyler O’Keefe、Shane Hogle、Jamie Becker、Robert Li、Keven Dooley 和 Aldo Arellano。此外，来自伍兹霍尔海洋研究所的 Krista Longnecker、Melissa Soule和Elizabeth Kujawinski 也共同参与了研究。
发现“漂流者”
交叉喂养在微生物世界中十分普遍，但这一过程通常在关系密切的群落中得到了更深入的研究。例如，在人类肠道内，微生物彼此距离很近，能够轻松地交换资源并共同受益。
相比之下，原绿球藻是一种自由漂浮的微生物，时常受到海洋表层水流的翻腾和混合作用。尽管科学家早已推测这些浮游生物在一定程度上参与了交叉喂养，但它们具体如何互动以及哪些微生物从中受益，一直难以明确。由于原绿球藻排放的物质浓度极低，难以被检测，这也为研究带来了不小的挑战。
然而，在 2023 年的一项研究中，Braakman 与伍兹霍尔海洋研究所的科学家合作，利用他们开创的技术成功测量了海水中的微量有机化合物。在实验室中，研究人员在不同条件下培养了多种原绿球藻菌株，并对其释放的物质进行了分析。结果显示，原绿球藻主要分泌的物质包括嘌呤和嘧啶，它们是 DNA 的重要构建块。此外，这些分子还富含氮，这一发现令研究团队感到疑惑。
原绿球藻主要生活在氮含量较低的海洋区域，按照常理，它们理应尽可能保留所有含氮化合物。那么，为什么它们会选择释放这些珍贵的化合物呢？
全球“交响乐”
在最新的研究中，研究人员深入探讨了原绿球藻的交叉喂养机制及其对多种海洋微生物的影响。
首先，他们研究了原绿球藻如何合成并利用嘌呤和嘧啶，并将这些化合物释放到周围环境中。通过对已发表的基因组进行比较，研究团队筛查了与嘌呤和嘧啶代谢相关的基因。他们发现，这些化合物一旦合成，主要被用于 DNA 的生成和微生物基因组的复制。尽管大部分嘌呤和嘧啶会被回收再利用，但最终仍有少量被释放到环境中。原绿球藻似乎在尽可能高效地利用这些化合物后，将多余的部分排放出去。
研究团队进一步分析了基因表达数据，发现回收嘌呤和嘧啶的基因在黄昏时段基因组复制高峰的几小时后才达到表达高峰。这一发现促使他们深入探究，哪些生物可能从原绿球藻夜间释放的分子中获益。
为了解答这个问题，研究人员分析了 300 多种异养微生物的基因组。异养微生物通过消耗有机碳维持生存，而不是依靠光合作用合成碳。研究团队推测，这些异养微生物可能会利用原绿球藻释放的有机废弃物。分析结果显示，大多数异养微生物都携带与吸收嘌呤或嘧啶相关的基因，部分微生物甚至同时具备吸收两种化合物的能力。这表明，微生物在交叉喂养过程中沿着不同的进化路径发展，以适应各种资源利用方式。
进一步研究中，团队特别关注一种偏好嘌呤的微生物——SAR11，它是海洋中数量最多的异养微生物。在比较 SAR11 不同菌株的基因时，他们发现，各菌株在利用嘌呤的方式上存在差异：有些菌株能够直接吸收并完整利用嘌呤，而有些则将嘌呤分解为能量、碳或氮。这种多样化的利用策略背后究竟是什么因素在驱动？
答案在于当地环境的影响。研究团队通过宏基因组分析，对全球 600 多个海水样本中的微生物集体基因组序列进行了比较，并结合采样地点的环境数据进行分析。结果发现，当海水中的氮含量较低时，SAR11 会利用嘌呤中的氮元素；而在氮含量充足的情况下，它们则将嘌呤作为碳源或能量来源。这一发现揭示了不同海洋环境下，微生物群落在选择压力作用下如何灵活调整代谢策略。
“这项研究表明，海洋中的微生物之间建立了超出我们预期的复杂关系，这些关系促进了它们的生长潜力。”这篇论文的共同作者 Kujawinski 表示。
为了进一步验证这一机制，研究团队在实验室中开展了实验，观察嘌呤对 SAR11 的直接影响。他们将细菌培养在不同浓度的嘌呤环境中，意外地发现嘌呤会减缓细菌的正常代谢活动，甚至抑制其生长速度。然而，当细胞处于环境压力条件下时，这些细菌依然能够生长出强壮健康的细胞。这表明，嘌呤引发的代谢暂停可能帮助细菌调整状态，为生长积蓄能量，从而更好地应对外界压力。
“原绿球藻每日释放嘌呤的脉冲，可能是一种日常循环的抑制信号，使 SAR11 的代谢暂时停滞，以便在第二天太阳升起时，它们能做好充分准备。” Braakman 表示，“因此，我们认为原绿球藻在海洋代谢的日常‘交响乐’中扮演着指挥者的角色。交叉喂养在这些微生物之间创造了全球范围的同步节律。”
这项研究得到了西蒙斯基金会和美国国家科学基金会的部分资助。
https://news.mit.edu/2025/abundant-phytoplankton-feeds-marine-microbe-global-network-0103
