海洋作为大气CO₂的汇聚，所吸收的CO₂占人类活动排放量的30%以上(Beardall et al., 2009)，这对缓解全球变暖具有重要作用。然而，由于大量化石燃料的使用和森林的过度采伐，大气中CO₂浓度已由工业革命初的280 ppmv上升至390 ppmv (Doney et al., 2009)。大量CO₂排放所带来的危害已被人们所认识(Hoegh-Guldberg and Bruno, 2010)，许多国家已经开始规划在一定时间内减少排碳量(Gough et al., 2010)。但是，在能源使用结构不变的情况下，到2100年CO₂浓度将达到800~1 000 ppmv (Friedlingstein et al., 2006)。大气CO₂浓度的持续升高，将导致海洋吸收CO₂的量不断增加，使海水pH值下降，这种由大气CO₂浓度升高导致的海水酸度增加的过程被称为海洋酸化(ocean acidification)。此外，大气CO₂浓度的升高还将导致全球变暖、海洋酸化、生物多样性变化(Hendriks et al., 2010)、水循环异常、海平面升高、上部混合层浅化等一系列重大的环境、生态和气候问题(高坤山, 2011)，严重制约着人类的可持续发展。

1海洋酸化对海水碳酸盐系统的影响

在海水碳酸盐系统中，总溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)主要以CO₂、HCO₃^-及CO₃^2-三种形式存在(H₂CO₃的量可忽略)，三者间可相互转化且处于动态平衡中。在当前的pH条件下，海水中HCO₃^-占DIC的90%以上，CO₃^2-约占10%，CO₂则占1%以下，随着高浓度CO₂溶入海洋将导致CO₂和HCO₃^-浓度逐渐升高，而海水pH值和CO₃^2-浓度将降低(高坤山, 1999; Dickson, 2010)。据估计，到本世纪末(2100年)海水pH值将下降0.4~0.5个单位，H⁺浓度相应地上升100%~150% (Caldeira and Wickett, 2003)，海洋酸化将会更加严重；同时CO₃^2-浓度将下降45%，引起CaCO₃饱和浓度的降低，这将对海洋中碳酸钙循环产生重大影响(Gangsto et al., 2008)。

2海洋酸化对藻类固碳的影响

藻类可通过光合作用固定CO₂，其自身又可在重力作用下沉降到海洋底层，起到去除大气中CO₂的作用(即所谓的生物碳泵)，从而调节海洋与大气间的CO₂通量，如硅藻(diatoms)每年可固定10亿吨CO₂ (Roberts et al., 2007)，在海洋碳循环中扮演了非常重要的角色。因此，研究海洋酸化对藻类固碳途径(生物碳泵)的影响对了解和预测未来海洋碳泵的发展趋势具有重要意义，已有研究表明，未来海洋酸化将对藻类的无机碳浓缩机制和光合作用等固碳途径产生深远影响(Wu et al., 2008)。

虽然有关海洋酸化对海洋生物及海洋生态系统影响的研究工作才刚刚起步，但从已发表的有关海洋酸化对海洋生物影响的研究论文中，发现海洋酸化对海洋生物的影响非常显著，尤其是对海洋生物的生长(Venn et al., 2013)、发育、代谢(Todgham et al., 2009; Stumpp et al., 2012; Hernroth et al., 2012)、凋亡及钙化过程等；对藻类而言，海洋酸化可显著促进藻类的生长代谢过程，仅对具有钙化能力的藻类，如颗石藻，的生长代谢具有一定的抑制作用。如Langer等(2009)在四种CO₂浓度下(200~1 200 ppmv)同时培养四株颗石藻(Emiliania huxleyi)，发现它们的生长、钙化作用和光合作用对CO₂浓度变化的响应并不一致，说明藻类对海洋酸化响应不一，很可能是由基因的差异表达引起的。但目前大多数研究都集中在海洋酸化对藻类生理生化的影响上，而受CO₂浓度调节的相关基因的表达情况尚缺乏相关研究信息，如在海洋酸化条件下，哪些基因发生了差异表达？这些差异表达的基因会引起怎样的生理响应？海洋酸化又如何影响这些基因的表达？等等，还不甚明确，这必将是未来的一个新的研究领域和方向。

海洋酸化下，较高CO₂浓度可能会导致浮游植物固碳量的升高，而pH值下降又可能会影响细胞平衡pH值变化所需要的能量，因此浮游植物的固碳途径也会受到海洋酸化的影响，但该过程如何响应海洋酸化还知之甚少。而海洋初级生产力的98%以上都是由浮游植物(浮游真核藻类与浮游原核蓝藻)和定生藻类贡献的(高坤山, 2011)，因此，藻类固碳途径的变化关系到海洋生态系统初级生产力及未来海洋对CO₂的吸收能力，根据数学模型预测，如果没有藻类固碳途径的存在，工业革命初的大气CO₂浓度将达到460 ppmv而非280 ppmv (Sarmiento and Toggweiler, 1984)。

硅藻(diatoms)作为海洋初级生产力中居主导地位的一类浮游植物，约占海洋总初级生产力的50% (Armbrust, 2009)，其主要生活在真光层，即海表以下不到200 m的范围内，且在海洋碳循环和生物地球化学循环过程中起关键作用(Thornton, 2002; Zhai et al., 2009)。据预测，在2100年以前，海洋酸化主要发生在海表以下数百米的深度范围内(Langer et al., 2009)，因此生活在真光层区域的硅藻将首当其冲地受到海洋酸化的影响，那么海洋酸化究竟在多大程度上影响硅藻的固碳过程？硅藻固碳过程又如何响应这种愈演愈烈的环境压力？这也必将是未来研究工作的热点。

3海洋酸化对三角褐指藻固碳相关基因表达的影响

作为硅藻生物学研究的模式种，三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)具有生长世代短、易遗传转化等优点，且其全基因组测序工作已于2008年全部完成(http://genome.jgi-psf.org/Phatr2/Phatr2.home.html) (Bowler et al., 2008)，而且网上还有10万多条EST序列(http://www.diatomics.biologie.ens.fr/EST3/)，这为研究P. tricornutum响应海洋酸化的分子调控机制及其在进化、生态、生理等方面的地位和作用提供了有利的工具。

Kroth等(2008)运用比较基因组学的方法分析了参与P. tricornutum碳酸盐代谢途径的相关基因后，发现P. tricornutum既具有C3途径，又具有类似于陆生植物的C4途径。在C4途径中，CO₂进入细胞后在碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)的作用下首先转变成HCO₃^-，HCO₃^-在内质网或周质空间中被磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶1 (phosphoenolpyruvate carboxylase 1, PEPC1)催化连接到磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate, PEP)上，形成四碳的草酰乙酸(oxaloacetic acid, OAA)。OAA被转运到线粒体中，被磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase, PEPCK)降解成CO₂和丙酮酸，CO₂和丙酮酸穿越6层膜进入叶绿体后，CO₂进入Calvin循环，丙酮酸则在丙酮酸磷酸二激酶(pyruvate phosphate dikinase, PPDK)的作用下，重新形成PEP。PEP再从叶绿体进入到内质网或周质空间中，重新参与CO₂的固定。因此，在响应海洋酸化的过程中，P. tricornutum如何调控与C₄途径相关的基因？以及C₄途径的生态学意义都值得我们去探讨。

在P. tricornutum固碳途径中，固定CO₂的关键酶为核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(rubisco)，但其对CO₂的亲和力较低，导致固碳反应无法全速进行。为此，藻类在长期的适应进化过程中发展形成了CO₂浓缩机制(CO₂ concentrating mechanisms, CCM)，它能将外界的CO₂浓缩进入细胞到达Rubisco的羧化位点，为其提供充足的CO₂，从而加速羧化作用的进程，提高固碳速率。通过比较分析P. tricornutum的基因组序列，发现有3个蛋白与HCO₃^-转运有关：45656与CO₂诱导Na⁺依赖型HCO₃^-转运子同源，32359为Na⁺依赖型的HCO₃^-阴离子交换体，54405则与Cl^-1/HCO₃^-交换体同源；并预测在P. tricornutum中有7种CA，其中51305和45443为β型CA，而35370、44526、55029、54251及42574属α型CA。最近有研究表明β型CA编码基因的表达水平易受CO₂浓度等环境因子的调节(Harada et al., 2005)。虽然有的学者认为大气CO₂浓度的升高不会提高藻类的固碳速率，对初级生产力的影响也是有限的(Giordano et al., 2005)。但CCM是一种耗能的碳获取途径，适应酸化后的P. tricornutum对CO₂的亲和力明显下降，HCO₃^-和CO₂的主动运输能力降低，说明其CCM被明显下调(Wu et al., 2010)；且Harada等(2006)的研究结果表明CO₂在调节P. tricornutum的CCM过程中起关键作用，而cAMP是其CCM对CO₂响应的一个调节中介。

在Calvin循环中，CO₂固定是通过15步酶促反应进行的，该过程共涉及13种酶，分别为：核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(rubisco)、磷酸甘油酸激酶(PGK)、磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)、丙糖磷酸异构酶(TPI)、醛缩酶(TRA)、果糖二磷酸酯酶(FBP)、葡萄糖磷酸异构酶(GPI)、葡萄糖磷酸酶(GLP)、转羟乙醛酶(TKL)、景天庚酮糖-1,7-二磷酸化酶(SBP)、磷酸核酮糖差向酶(RPE)、磷酸核酮糖差向酶(RPI)和磷酸核酮糖激酶(PRK)。通过研究发现在Calvin循环中某些酶含量的变化严重影响着藻类的固碳速率，且其差异表达还会影响藻细胞的生长发育(Kitade et al., 2008; 李青雁等, 2013)。此外，这些酶还同时参与了糖酵解、糖异生及磷酸戊糖途径的酶促反应，如PGK和GAPDH参与糖酵解途径，RPE、RPI和TKL参与戊糖磷酸途径，因此这些酶将各种代谢途径耦合在一起，形成了复杂多样、相互影响的代谢网络系统。

此外，在P. tricornutum基因组中还发现了一些与光呼吸(C2循环)相关的酶基因，如磷酸乙醇酸磷酸酯酶(PGLP)、乙醇酸氧化酶(GLO1和GLO2)、丝氨酸:乙醛酸氨基转移酶(SPT/AGT)、甘氨酸脱羧酶(GDC)、丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)、羟基丙酮酸还原酶(HPR)、甘油酸激酶(GK)等，说明在P. tricornutum中存在光呼吸代谢过程(C2循环)，而在C2循环中，ATP的消耗和碳的损失将影响糖类及生物量的产生。在当今大气CO₂条件下，C3植物的氧化速率加快，这使得C2循环被普遍认为是光合作用中一个能量损耗的副反应。因此，随着大气CO₂浓度的升高，光呼吸的变化趋势及其关键基因的表达情况必将成为新的研究热点。

4研究展望

作为海洋初级生产力的主要生产者，硅藻在海洋碳循环和生物地球化学循环过程中起关键作用；而大气CO₂浓度升高导致的海洋酸化究竟怎样影响硅藻的固碳途径？硅藻又如何响应这种愈演愈烈的环境压力？至今尚无完整、系统的数据资料。而且海洋酸化对硅藻的影响是一个非常复杂、多层次、网络化的过程，相关基因的差异表达，极可能会导致硅藻对海洋酸化产生不同的生理过程，因此从整个网络上研究硅藻对海洋酸化的分子响应机制困难重重。所以，研究海洋酸化对硅藻固碳过程的影响要从基因差异表达与表达特性为突破口，然后利用组学(基因组学, 蛋白质组学, 转录组学及代谢组学)技术和方法，系统阐述硅藻固碳途径对海洋酸化的响应机制，这将是未来研究海洋酸化的热点之一。

作者贡献

通讯作者邓祥元分析相关资料，并撰写论文；成婕和高坤参与资料收集分析与论文撰写；王长海负责修改论文和文章定稿。

致谢

本研究由国家自然科学基金(31200381)、中国博士后科学基金(2013M531370, 2014T70532)和国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室资助项目(201209)共同资助。

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