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海神草堪稱「藍碳製造機」!——海草與細菌的共生,如何幫地球固碳?

陳宜龍_96
・2021/12/03 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘

聯合國氣候峰會 COP26 剛剛落幕,過程中各國代表持續協商,冀望能達成共識,為降低溫室氣體排放、降低全球氣候變遷風險而努力。除了減少二氧化碳等溫室氣體排放的「減排」措施外,如何增加碳封存的「增匯」機制,也為人所關注。尤其是保護及利用各類天然生態系良好運作,更是諸多方案的首選,因為這些區域不但是野生生物棲息地、生物多樣性的熱點,更是天然碳匯所在。

光合自營作用,能將二氧化碳轉化並固定於生物體中,達到固碳效應,並有機會長期封存。在海洋生態系中,這就是所謂的「藍碳」。沿岸環境裏,藍碳主要供獻來自於紅樹林、珊瑚礁及海草床三大生態系。然而單純提供二氧化碳不足以趨動光合作用,植物生長還需要其它營養物質,例如磷酸鹽及硝酸鹽氮。

近期《自然》(Nature)期刊的研究報告指出,單位面積儲碳量高於陸地森林的海草床,其植株根部的內共生固氮細菌對於海草儲碳的效果功不可沒[1]

被譽為「地中海之肺」的海神草。具備固碳能力強大且長壽的特質。圖/維基百科

海草的固氮能力在「根系」

許多海草生長旺盛的區域,幾乎量測不到含氮營養鹽。過往研究學者都以為海草是從周圍海水及沉積物中吸收其它微生物固氮後的產物。沒想到,來自地中海的海神草(Posidonia oceanica,又譯為大洋海神草)獲取氮源的策略,居然相仿於陸地上豆科植物與根瘤菌間互利共生的夥伴關係。一樣都具備固氮能力,且來自根系內部特定的共生細菌。

這篇研究[1]從巨觀到微觀,進行多維空間尺度分析;利用不同時間尺度的資訊來闡述過程機制;並採取次世代及三代定序的優勢解晰細菌群落消長,並從總體基因體、比較基因體及轉錄體分析指徵功能基因的變化。多樣化研究手段的結果都支持作者的觀點。

從單一植株根系添加穩定氮同位素的實驗發現,海神草固氮能力在根系,且在 24 小時內,就有高達 20% 的氮從根系轉移到葉片;再者,該植物最高的固氮速率來自夏季植株,此時環境中的無機氮濃度較其它季節低,甚至低於偵測極限。

與細菌的共生,讓海神草可旺盛固氮!

菌相分析的結果顯示,植株部位與周圍沉積物的細菌群落組成不同;有明顯固氮能力時的根系又異於沒固氮時期者,且迥異於與沒此功能的葉部組織。屬於伽瑪變型菌的 Celerinatantimonas 是造成差異最主要分類群。

從 16S 核醣核酸序列相似程度來區分,與此分類群最近似的物種是分離自鹽澤植物根部、具固氮能力的細菌 Celerinatantimonas diazotrophica。因此,作者命名該新種細菌為 Candidatus Celerinatantimonas neptuna (Ca. C. neptuna)。

作者進一步利用螢光原位雜交法(fluorescence in situ hybridization)這項顯微技術,發現夏季時,海神草根部內的細菌細胞數量,高達 80% 都是 Ca. C. neptuna,並且分布於根部細胞間隙及細胞內部。再搭配 nanoSIMS 這種影像質譜儀對每個樣本的氮同位素比值進行奈米尺度解析。

結果發現,先前穩定氮同位素添加實驗時的同位素訊號,就出現在這新種細菌的細胞內,強烈暗示在夏季時分,海神草旺盛的固氮作用,就是靠這種細菌幫的忙。

Ca. C. neptuna的基因體圖譜。海神草旺盛的固碳作用,得利於共生的固氮細菌Ca. C. neptuna 。圖/Nature

海神草提供「糖」,讓根部細菌頭好壯壯!

除了前面提到生理測試支持「固氮作用由海神草根部共生細菌完成」的論點外,該研究進一步提供基因體及轉錄體的證據。

作者從海神草根部總體基因體序列組裝出 Ca. C. neptuna 的基因體(metagenomic-assembled genome),並在基因註解後發現,該細菌具備固氮作用必要的基因,而且這些基因在海神草顯著固氮時期也有較高的轉錄作用。

與此同時, 海神草可能提供蔗糖給這類細菌作為碳源及能量所需,因為較高的轉錄作用也反應在細菌的胞外蔗糖分解、糖類運輸蛋白及涉及糖解作用等特定的功能基因。

除了以上直接涉及氮、碳循環外,作者在該細菌基因體及轉錄體中也發現許多與兼性內共生(facultative endophytic symbiont)有關的指標基因。

這些參考指標是基於前人研究陸生植物與內共生細菌的夥伴關係而來。例如:涉及運動及固著的基因(flaAflp)、群體感知(quorum-sensing)調節有關的基因(luxR)、去除過氧化物毒害作用的基因(dps,ahpC/F)。這些基因是跨物種間建立互利關係的指標因子。

Ca. C. neptuna 的共生關係中,海神草可能提供蔗糖作為其碳源及能量所需。圖/Nature

海神草的共生固氮菌是如何獲得?這篇文章並沒有進行相關實驗。從演化觀點來看,海草約在一億年前由陸域開花植物遷移到海洋環境。長期適應、演化的結果,其陸域型根部菌相被海洋微生物所取代。

從細菌的親緣樹推測,Ca. C. neptuna 的祖先可能來自海岸環境,在缺乏含氮營養鹽下獲得固氮的能力,並與海洋開花植物形成緊密的共生關係。

近期還有一篇文章同樣探討海洋缺氧區域的固氮作用。研究人員的數學模式指出:固氮作用也可發生在海洋的無光區(aphotic ocean),在浮游生物活體和死亡殘體所聚合的顆粒之中,也就是所謂的海洋雪(marine snow particles),其內部的缺氧區2。透過這兩項研究,顯示海洋氮元素循環還有很多值得探究的秘密。

參考資料

  1. Mohr, W., Lehnen, N., Ahmerkamp, S. et al. Terrestrial-type nitrogen-fixing symbiosis between seagrass and a marine bacterium. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04063-4
  2. Chakraborty, S., Andersen, K.H., Visser, A.W. et al. Quantifying nitrogen fixation by heterotrophic bacteria in sinking marine particles. Nat Commun 12, 4085 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23875-6

與此研究題材相關或具特定技術的部分台灣團隊:

  1. 海草床研究:中興大學生命科學系林幸助老師
  2. 運用螢光原位雜交法技術於微生物樣本:
    成功大學環境工程系:吳哲宏老師
    中央研究院生物多樣性研究中心:湯森林老師
  3. nanoSIMS 平台:中央研院院「奈米級二次離子質譜儀實驗室
  4. 總體基因體序列組裝及分析:台北醫學大學醫學資訊研究所吳育瑋老師

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陳宜龍_96
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提早部署「免疫負債」!接種流感疫苗,有助於降低新冠肺炎死亡率

careonline_96
・2022/01/20 ・2436字 ・閱讀時間約 5 分鐘
接種流感疫苗,有助降低新冠肺炎死亡率,感染科醫師圖解說明

新冠肺炎 COVID-19 疫情是大家高度關注的問題,不過流感病毒可沒有沉寂,流感會不會出現大反撲,是目前全世界都很關心的議題。臺大兒童醫院黃立民院長表示,流感疫情與邊境管制措施有關,隨著政策的調整,流感再流行的機會相當大。因為已經兩年沒有流行,加上監視結果顯示,流感病毒株已經改變,所以當流感疫情升溫,可能出現大流行。

大家常聽到的「免疫負債」意思就是說,大家為了預防新冠肺炎 COVID-19,所以會戴口罩、勤洗手、保持距離,使得呼吸道感染、腸胃道感染的機會降低,因此一些本來容易得到的傳染病,例如流感、腸病毒等在這兩年都少了許多。黃立民醫師解釋,造成的結果就是,一旦解除防疫限制,民眾開始不戴口罩、洗手頻率減少、社交距離拉近,其他病毒就會開始流行。由於已經連續兩年都較少人感染,可以感染的人數就會變多,這個時候就容易爆發流行,把過去兩年沒有爆發的流行補回來,所以叫做「免疫負債」,像是還債的概念。

「包括法國、紐西蘭,都有觀察到這個現象,一開放邊界,就馬上大爆發」黃立民醫師提醒,「要解決免疫負債,就是要大家趕緊去打疫苗。冬天需要施打的呼吸道疾病疫苗,最強調的還是流感疫苗。」

流行性感冒病毒(Influenza virus)是經由飛沫傳染,感染者的鼻咽部、口腔、還有呼吸道都有病毒,在講話、咳嗽、打噴嚏時,會把病毒噴到環境裡,黃立民醫師說,如果距離一到兩公尺之內,就有機會被飛沫噴到而感染;另外一個模式,叫做媒介物傳染,感染者會污染他的物品,例如杯子、桌面、門把等,如果有人進入這些環境,就可能碰觸病毒而遭到感染。我們生活在城市裡,流感患者可能搭捷運、進餐館,所以扶手、椅子、桌子都可能有病毒,這種傳染模式在大城市相當常見。

流感症狀較嚴重,不同於一般感冒

呼吸道感染可分成兩種,一種叫做一般感冒,一種叫做類流感,黃立民醫師解釋,一般感冒比較輕微,類流感會比較嚴重。類流感的定義,第一個是發燒,第二個是有呼吸道症狀,比如說咳嗽、流鼻水、喉嚨痛等。

類流感跟一般感冒最大的差別就是發燒,成年人得到一般感冒通常不會發燒,如果發燒了,代表狀況比較嚴重,黃立民醫師說,台灣的類流感通常都會伴隨著一些比較不舒服的表現,包括畏寒發燒、全身痠痛、倦怠感、劇烈頭痛、腰酸背痛,這些都是流感的典型症狀。

流感不同於一般感冒

流感除了讓人全身很不舒服外,還可能出現嚴重併發症,黃立民醫師說,流感病毒會跑到肺部引起肺炎、跑到心臟造成心肌炎、跑到腦部造成腦炎,其中最常見是肺炎。流感病毒還可能引起繼發性細菌感染,例如在感染肺部以後出現細菌感染。

「由於流感病毒會攻擊我們的組織,造成全身發炎,進而導致患者原有的慢性病惡化」黃立民醫師說,「例如心臟冠狀動脈本來塞了 75%,得到流感之後可能就會塞到 95%,導致心肌梗塞。無論是慢性心臟病、高血壓、糖尿病、慢性腎臟、肝臟疾病,都可能會惡化,甚至導致死亡。」

預先部屬,預防流感

預防流感就跟預防新冠肺炎 COVID-19 一樣,要戴口罩、勤洗手、保持社交距離,減少接觸病毒的機會,黃立民醫師說,另一方面可以在每年冬天施打流感疫苗,提升身體的保護力。因為流感病毒會突變,每一年流行的病毒株都不太一樣,而且流感疫苗的保護力持續時間較短,一般認為大概三、四個月之後效果就漸漸變差了,所以每年需要重新施打。

預先部屬,預防流感

呼吸道感染發生時常常是兩、三種病原體一起感染,黃立民醫師說,隨著檢驗工具的進步,我們會發現很多人並非只有一種細菌或病毒,而是多重感染。研究發現,新冠肺炎患者亦會同時找到兩種病原,流感與新冠肺炎可能同時感染,而且病情還會加重。

「研究指出,施打過流感疫苗,比較不會被診斷新冠肺炎 COVID-19;而且如果不幸得到新冠肺炎,死亡率也會降低。」黃立民醫師解釋,「因為很多新冠肺炎屬於輕症,如果患者單獨得到新冠肺炎,症狀可能不甚嚴重,而不會就醫。但如果同時得到新冠肺炎和流感,症狀比較嚴重使就醫機率高,也就較容易被診斷出來。」

其實不只流感病毒、新冠肺炎,呼吸道本來就是一個開放的環境,還有多種細菌、病毒都混在裡面,同時遭到兩、三種感染,是很常有的狀況。因此建議可同時接種呼吸道疾病疫苗,例如流感疫苗、百日咳疫苗、肺炎鏈球菌疫苗等,都可降低新冠肺炎死亡率約兩成至三成。

貼心小提醒

五十歲以上,或者是有慢性病,例如心臟病、肝病、癌症、或是服用免疫抑制劑的患者,得到流感時出現重症的機會較高,一定要記得施打流感疫苗,提高保護力。另外,家人之間的傳播是流感病毒很重要的傳染模式,學生是傳播流感病毒的重要族群,所以也需要施打流感疫苗。

黃立民醫師強調,接種疫苗後需要一段時間身體才能產生保護力,建議大家要在流感疫情升溫前趕快施打疫苗!

careonline_96
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