司宇鸾|刘培轩|黄斌|张恩琪|李俊彦|林树明|李志宏|沈天|何美美|李泽旭|夏建荣|金鹏
广州大学环境科学与工程学院，中国广州，510006
摘要
海洋浮游植物是海洋食物网的基础，在全球碳循环中发挥着关键作用。随着气候变化的加剧，温度上升、海洋酸化和营养压力对这些生物体产生了前所未有的选择压力。来自实验进化、基因组研究和建模的新证据表明，浮游植物能够在生态时间尺度上快速适应。本文综合了目前关于海洋浮游植物快速进化机制的知识，包括表型可塑性、遗传变异和多倍体化。我们强调了短期可塑性反应与长期遗传适应之间的相互作用，并探讨了这些过程如何受到代谢权衡和进化限制的制约。此外，我们还研究了快速进化的生态和生物地球化学后果，重点关注其对初级生产力和全球生物地球化学循环的反馈作用。最后，我们讨论了在多重压力情景下预测进化反应的新方法框架，并提出了将进化动态整合到全球变化模型中的关键研究重点。
引言
海洋浮游植物是海洋生态系统和全球生物地球化学循环的基础。尽管它们仅占地球生物量的极小部分（<1%），但它们却占了全球初级生产力的大约50%，调节着从贫营养环流到富营养上升流区的各种生境中的食物网（Field等人，1998；Carvalho等人，2017；Mattei & Scardi 2021）。然而，这些微生物初级生产者现在面临着加速的人为压力，包括变暖、海洋酸化和营养扰动（Gattuso等人，2015；Cavicchioli等人，2019）。因此，预测海洋生态系统的恢复力不仅需要了解浮游植物的生态变化，还需要了解它们的进化能力。
传统上认为进化过程过于缓慢，无法在气候相关的时间尺度上改变生态响应。这一观点已经发生了巨大转变。实验室选择实验和长期培养研究表明，硅藻、颗石藻和其他类群可以在数百代内适应升高的二氧化碳浓度、变暖甚至多重压力环境（Lohbeck等人，2012；Brennan等人，2017；Schaum等人，2018；Wu等人，2025a）。这一认识激发了人们对海洋微生物生态进化动态的兴趣。通过整合基因组学、生理学、生态学和建模的视角，研究人员开始理解适应如何缓冲或放大全球变化的影响（Collins等人，2020；Bernatchez等人，2024）。
尽管取得了这些进展，但仍存在一些不确定性。大多数现有研究仅关注受控环境中的单一压力因素，而真实的海洋环境中浮游植物同时面临多种波动的驱动因素（Boyd等人，2018；Thomas & Ranjan，2024）。此外，适应的生态后果、进化变化如何改变群落结构、食物网相互作用和生物地球化学循环仍不甚清楚（Collins等人，2020）。最后，预测进化轨迹并将其嵌入地球系统模型的能力仍然有限（Flynn等人，2025；Levine等人，2025）。这些不确定性限制了我们预测长期海洋-气候反馈的能力。
本综述综合了四个主要领域的最新进展：（1）浮游植物快速进化的机制；（2）多重压力情景下的适应；（3）对生物地球化学循环的生态进化反馈；以及（4）预测框架和未来的研究重点。我们最后指出了关键的知识空白，并强调了将进化动态整合到气候-生物圈模型中的必要性。我们的目标是提供一个将分子机制与全球后果联系起来的路线图，推动预测性生态进化海洋科学的发展。
快速进化的机制
海洋浮游植物在全球生物地球化学循环和气候调节中起着核心作用，它们快速适应环境变化的能力对未来海洋功能至关重要。与寿命较长的生物不同，浮游植物具有较短的世代时间和庞大的种群规模，这使得它们能够在生态时间尺度上快速进化（Reusch & Boyd 2013；Collins等人，2020）。最近的研究表明，这些微生物的适应涉及复杂的相互作用
多重压力情景下的进化
全球变化因素如海洋变暖、酸化和营养限制很少单独作用；相反，它们以复杂且往往非线性的方式相互作用，塑造了海洋浮游植物的进化轨迹（Riebesell & Gattuso 2015；Boyd等人，2018；Thomas & Ranjan，2024）。变暖加速了酶动力学和分层作用，减少了营养供应，而酸化改变了膜上的碳酸盐化学和质子梯度（Flynn等人，2012；
生态进化反馈和生物地球化学后果
浮游植物的快速进化不仅影响细胞生理，还影响生态系统功能，将遗传和代谢变化与初级生产力、营养循环和碳输出的变化联系起来。这些生态进化反馈从单个物种层面延伸到整个群落，影响与当前气候变化相当时间尺度的海洋生物地球化学过程。
迈向具有进化意识的地球系统模型
预测浮游植物如何适应全球变化仍然是海洋生态学中的一个核心挑战（Tagliabue 2023）。当前的地球系统模型（ESMs）将浮游植物视为具有固定特征的静态功能类型，如生长率、营养亲和力和温度最适值（Flynn等人，2025）。尽管这种简化捕捉到了初级生产的总体模式，但它忽略了在生态时间尺度上快速进化的潜力（Collins等人，2020）。
长期进化实验和古代DNA
大多数浮游植物进化实验仅持续数百代，能够捕捉快速响应，但无法涵盖较慢的累积过程，如上位性、补偿性突变和代谢创新（Collins等人，2020）。将这些研究扩展到数千代，类似于Lenski的长期大肠杆菌实验（Lenski，2017），将有助于揭示在持续选择下适应性限制和进化临界点的出现。
互补的见解来自
结论与展望
海洋浮游植物处于进化、生态学和地球系统的交汇点。它们快速的世代时间、庞大的种群规模和基因组的灵活性使它们具有出色的适应全球变化的能力。在过去十年中，实验进化、多组学分析和建模工作表明，浮游植物的进化可以在生态时间尺度上进行，重塑物种相互作用、生物地球化学通量和气候反馈。然而，进化的速度和
CRediT作者贡献声明
李志宏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
何美美：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
沈天：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
夏建荣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取。
金鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，方法学，资金获取，正式分析，概念化。
李泽旭：撰写 – 审稿与编辑，
未引用参考文献
deMayo, 2025; Kondrashov, 2012; O'Donnell等人，2018; Walworth等人，2021.
资助
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32522065、32471677、32371678）、广东省自然科学基金（2023A1515030286）、大亚湾海洋生物研究站基金、中国科学院（DYB202501）以及大学生创新创业培训计划（202411078027、S202511078122）的支持。
利益冲突声明
☒ 作者声明没有已知的利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。
