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《海洋所与法国多家科研单位合作研究北印度洋Nd同位素循环取得重要进展》

  • 来源专题：物理海洋学知识资源中心
  • 编译者： cancan
  • 发布时间：2018-09-03

  • 近日，国际地学刊物Earth and Planetary Science Letters（中国科学院JCR 1区，Top 5）在线发表了中国科学院海洋所于兆杰副研究员（第一作者/通讯作者）、万世明研究员与法国巴黎第十一大学、法国国家气候研究中心以及法国巴黎索邦大学地球物理研究所的最新合作研究成果。该研究利用高分辨率的海洋有孔虫Nd同位素重建了末次冰消期以来北印度洋中层水团混合的历史，发现末次冰消期南极中层水（AAIW）强烈北向入侵印度洋与南大洋通风增强和大气CO2浓度升高相互耦合。

    　　大气CO2浓度变化贯穿整个晚第四纪地球气候演化历史，被认为是调控地球气候自古至今演化的重要因素之一。在全球变暖的大背景下，古气候研究中揭示的大洋环流演化和大气CO2浓度变化的历史和规律对未来人类应当如何应对大气CO2浓度短时间内的急剧升高具有重要的参考意义。末次冰消期（从距今19到10 千年前）是最后一个冰期-间冰期旋回交替的关键阶段，该时期大气CO2浓度分两个阶段从180 ppmv上升到265 ppmv，但是放射性碳的含量却下降了约35%。因此，揭示末次冰消期大洋环流演化和大气CO2浓度变化机制是理解地球气候演化机制的重要突破口。

    基于以上国际热点问题研究需要，于兆杰副研究员、万世明研究员与法国巴黎第十一大学、法国国家气候研究中心以及法国巴黎索邦大学地球物理研究所的多位科学家合作，在北印度洋以稀土元素（REE）和放射性同位素示踪（Nd同位素和Δ14C）为主要手段开展相应研究。该合作研究首先测试了现代海水样品，为重建末次冰消期的水团混合提供背景支持，并于2017年取得重要进展，发表了两篇国际SCI文章（Yu Zhaojie et al., 2017, EPSL; Yu Zhaojie et al., 2017, G-cubed）。利用法国ANR-MONOPOL计划资助的印度洋MD12航次取得的海水样品，经过细致的超净实验室分析和MC ICP-MS测试，首次获得了高空间分辨率的溶解态稀土元素分布并计算了喜马拉雅地区在夏季风盛行期通过河流输入对全球溶解态REE的贡献（9%左右。研究首次定量厘清了溶解态REE在孟加拉湾的层状分布特征并否定了在孟加拉湾沉积物间隙水作为主要溶解态REE来源的假说；在国际上首次发现海水溶解态的Nd同位素可以在季节尺度上发生摆动，改变了国际地球化学界对现代海洋Nd元素循环的原有认识并为后续利用碳酸盐相Nd同位素追踪过去洋流演化和陆源物质输入提供了新证据。

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  • 《海洋所在硅藻甲壳素代谢研究取得新进展》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-05-11
    • 近日，中国科学院海洋所海藻遗传与发育团队在mSystems期刊发表题为“Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches”的研究论文。该论文综合运用了宏组学、基因组学及异源功能验证等方法解析海洋硅藻几丁质合酶，相关结果为几丁质合酶基因在各大洋及海洋真核微生物中的分布与丰度提供了新认识，也为硅藻β-甲壳素合成的生物学意义及调控机理研究打下了基础。   硅藻是海洋初级生产力的主要贡献者，海洋吸收的CO2约有40%由硅藻固定，与热带雨林固碳量相当。甲壳素（又称几丁质）是硅藻重要的碳积累产物，也是海洋环境中最重要的碳、氮来源。海洋每年可合成数十亿吨甲壳素，其合成与降解对海洋生态系统的碳氮循环起着关键作用。尽管1965年就有报道硅藻能够合成甲壳素，但是半个多世纪以来的研究侧重于细胞学观察和化学结构分析，未有从分子生物学手段解析硅藻甲壳素合成与降解机理的报道。   前期，海洋所海藻遗传与发育课题组与法国巴黎高等师范学院藻类基因组学团队合作，在硅藻甲壳素代谢机理解析方面开展了原创性工作。结合多组学数据挖掘和特异基因（TpCDA、TwCDA）功能验证，发现中心纲硅藻甲壳素相关代谢酶具有叶绿体、线粒体、内质网等复杂的细胞定位，CDAs基因丰度更高，对长链多聚甲壳素的催化能力更强，且同时具有几丁质脱乙酰酶和几丁质酶的活性，相关结果解释了中心纲硅藻甲壳素及其衍生物高合成能力的潜在原因（New Phytologist, 2019；Marine Drugs, 2021），也为壳聚糖、壳寡糖的绿色工业制备提供了新的思路（BMC Plant Biology，2021；Metabolites，2023）。   考虑到甲壳素对于全球碳氮循环的重要生态学意义，团队又着眼于Tara Oceans全球采样大数据，从硅藻宏转录组中挖掘了4939条甲壳素代谢关联的基因序列，其中几丁质酶（Chitinase）主要存在于粒径较大的硅藻种属中，而几丁质结合蛋白（CBM_14）只在南大洋中有分布，表明其在极地环境中发挥某种特殊作用（图1）。同时，通过检索海洋真核微生物转录组数据库（MMETSP）、PhycoCosm及PLAZA硅藻组学数据集，发现除海链藻目之外，Mediophyceae和Thalassionemales或为潜在的β-甲壳素天然合成者。生物合成途径机理研究绕不开关键基因的功能验证，团队利用两种高效的异源遗传转化体系（酿酒酵母和三角褐指藻），验证了假微型海链藻中几丁质合酶（TpCHS）具有催化甲壳素糖链合成的生物学功能。值得一提的是，在转基因研究中，团队发现一个有趣的现象，即三角褐指藻虽然能够高效表达TpCHS1，但细胞形态异常，生长速率下降。结合激光共聚焦显微观察与细胞周期Marker基因表达量分析发现，TpCHS1定位于高尔基体与细胞膜系统，且与细胞分裂密切相关，而过表达株系生长速率下降可能与细胞周期调控中G2/M期检验点受到抑制有关（图2）。  中国科学院海洋所副研究员邵展茹为论文第一作者，段德麟研究员与Chris Bowler教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划及欧盟第七框架计划等项目的资助。   相关论文：Shao ZR et al. 2023. Characterization of a marine diatom chitin synthase using a combination of meta-omics, genomics and heterologous expression approaches. mSystems, e011312223.   论文链接：https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/msystems.01131-22
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  • 《海洋试点国家实验室在印度洋海气相互作用研究取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2020-12-08
    • 正位相印度洋偶极子事件是指热带印度洋海温异常的东（负异常）西（正异常）向偶极子模态；通常从北半球夏季开始发展，并在秋季到达成熟期。印度洋偶极子通过大气遥相关可以影响东亚夏季季风系统，进而影响包括中国在内的东亚地区的降水。当正位相事件发生时，罗斯贝大气波列将印度洋发生的异常信号传输到南中国海，产生的异常反气旋将更多的水汽输送到中国大陆南部，进而产生了强降雨。由于在该事件发生期间印度洋热带对流区向西移动，导致澳大利亚降水减少，并形成干旱，高温热浪和森林大火等极端天气。譬如2019年秋冬季澳大利亚东南部发生的森林大火持续燃烧八个月，造成至少30人死亡，170000平方千米的土地被烧，3000多个建筑被损坏。而在东非地区则造成严重洪涝灾害。因此，全球变暖对该类事件的潜在影响一直都是该领域的前沿研究课题。然而，基于气候模式的研究结果表明模式中正位相印度洋偶极子事件对全球变暖的响应缺乏一致性。 近日，由海洋试点国家实验室南半球海洋研究中心主任蔡文炬院士领衔，中国科学院大气物理研究所黄刚教授团队、南半球海洋研究中心多位专家学者参与的研究团队在全球变暖对印度洋偶极子事件的影响研究领域取得重要进展，首次发现正位相印度洋偶极子强事件在全球变暖下表现为发生频率增加。 该研究发现印度洋偶极子不是一个简单的线性系统，正位相印度洋偶极子强事件和弱事件的发生基于不同的物理机制。为了能够更好地描述两类事件，该研究首次建立了代表强事件和弱事件的不同指数，并发现基于新指数的强事件和弱事件对未来气候变化的响应截然不同。全球变暖下，强事件发生概率增加，这是因为热带印度洋西部海温升温强于东部，导致对流区向西部移动，有利于赤道东风异常向西扩张，并激发对强事件有重要贡献的非线性过程；相反，弱事件发生频率会减少，这是因为未来印度洋低层大气升温速度高于表层，导致大气更加稳定，赤道印度洋纬向风变率减弱，消减了驱动弱事件的罗斯贝波。 上述研究成果为合理描述不同强度的正位相印度洋偶极子事件提供了符合动力学机制的全新指数，为理解印度洋偶极子对气候变化的响应提供了新的视角，对国际社会应对气候变化与制定响应政策具有重要意义。 国际顶级学术期刊Nature（《自然》）子刊Nature Climate Change（《自然气候变化》）2020年11月30日对上述创新成果进行了线上报道。研究进展的取得，也进一步彰显出海洋试点国家实验室在海洋与气候变化研究领域的重要国际影响力。 论文信息：Cai, W. et al. (2020) Opposite response of strong and moderate positive Indian Ocean Dipole to global warming, Nature Climate Change, doi:10.1038/s41558-020-00943-1 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41558-020-00943-1
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