海洋浮游真菌生物量定量研究揭示其对全球碳循环的关键贡献

时间：2025年5月24日

来源：Cell

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针对海洋真菌生物量定量方法不统一、全球贡献不确定的问题，Eva Breyer团队通过多方法联用（CARD-FISH/CFW/ergosterol/SMR），首次建立海洋特异性真菌碳转化因子，揭示其生物量达0.32 Gt C，超越古菌（archaea:fungi:bacteria=1:9:44），证实真菌在降解浮游植物和碳循环中的关键作用，为生物地球化学模型提供重要参数。

海洋占据地球生物圈99%的体积，其中微生物驱动着全球碳循环的关键过程。然而长期以来，人们对海洋微生物生物量的认知主要局限于细菌、古菌和原生生物，而对同样广泛存在的浮游真菌（pelagic fungi）知之甚少。尽管宏基因组研究已揭示海洋真菌的普遍存在，但其生物量定量始终存在两大瓶颈：一是现有方法（如qPCR）依赖间接测量且缺乏海洋特异性碳转化因子；二是研究多局限于近岸区域，对开阔大洋的覆盖严重不足。这种认知空白直接导致全球碳预算模型存在显著偏差，此前估算的真菌生物量不确定性甚至跨越两个数量级（0.03-3 Gt C）。

为破解这一难题，上海海洋大学和维也纳大学联合团队在跨大西洋11,000公里的航线上（40°N-50°S）采集了从表层到2000米深层的样品，创新性地将四种方法（CARD-FISH、Calcofluor-White染色、ergosterol提取和微流控质量传感器SMR）联用，并结合6株大洋真菌培养株建立的海洋特异性碳转化因子，首次实现对开阔大洋真菌生物量的精准定量。该研究发表于《Cell》杂志，为海洋碳循环模型提供了关键参数。

关键技术方法包括：1) 通过大西洋跨纬度航次（ANTOM-1）采集5个Longhurst生物地理省份的水体样本；2) 建立海洋真菌特异性碳转化因子（ergosterol-C:1.98 mg/g C；生物量-C:1.03 pg/μm³）；3) 开发新型真菌CARD-FISH细胞壁透化方案；4) 采用微流控SMR技术测定单细胞干重；5) 多方法交叉验证（ergosterol:CFW:CARD-FISH生物量比≈1:2:4）。

研究结果：

真菌生物量转换因子：通过培养6株大洋真菌（含5株酵母和1株丝状菌），获得中位ergosterol-C转化因子1.98 mg/g C，显著低于北极沿岸菌株数据，凸显环境特异性；生物量-C转化因子1.03 pg/μm³与陆生真菌相近，验证方法的普适性。
大西洋真菌分布特征：所有方法均显示真菌生物量与叶绿素a、POC呈正相关（p<0.05），证实其参与浮游植物降解。CARD-FISH测得最高生物量达11.9 μg C/L，在 oligotrophic（寡营养）区域以小型酵母（∼6 μm³/cell）为主，而沿岸区域细胞体积增大2-3倍。
微生物群落占比：真菌生物量（0.7 μg C/L）显著超越古菌（0.08 μg C/L），三者比例为archaea:fungi:bacteria=1:9:44。在epipelagic（透光层），真菌贡献POC的4.71%（CARD-FISH），远超古菌的0.34%。
全球估算：基于与原核生物的生物量关系（20.25%），推算出全球海洋真菌生物量为0.32 Gt C（CI:0.19-0.46），将此前2个数量级的不确定性缩小至1个数量级内。独立验证通过浮游植物关联性估算结果高度一致（0.079 vs 0.081 Gt C）。

该研究首次系统量化了浮游真菌在全球海洋生物量和碳循环中的贡献，其突破性体现在三方面：方法学上创建了海洋特异性真菌定量体系；生态学上揭示了真菌在降解浮游植物衍生物的关键作用；模型应用上将最大不确定性参数转化为可量化指标。值得注意的是，ergosterol法因无法检测Chytridiomycota（壶菌）等类群可能低估生物量，而CFW可能因结合纤维素产生高估，但多方法一致性验证了结果的可靠性。作者建议未来研究应区分活/死真菌生物量，并拓展至更多海域，以进一步完善全球海洋碳预算模型。这一成果为理解"真菌分流"（fungal shunt）机制提供了定量基础，对预测碳封存效率具有重要科学价值。