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？

• 作者／陳宜龍｜東吳大學微生物學系助理教授、MiTalk（微物坊）成員
• 作者／嚴融怡｜社團法人台北市野鳥學會、MiTalk（微物坊）成員

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]。

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。

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（flaA 及flp）、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。

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