Advances in iron acquisition by marine phytoplankton

海洋浮游植物是全球初级生产力的重要贡献者, 铁(Fe)是限制其生长的关键微量营养元素. 阐明浮游植物对铁的吸收与利用机制, 是理解海洋碳汇过程以及科学评估铁施肥增汇潜力的重要科学基础. 本文系统综述了近二十年来关于浮游植物铁吸收的主要研究进展. 首先, 结合“海洋微量元素及其同位素生物地球化学循环研究计划”的观测数据, 介绍海洋中不同形态铁的分布特征和生物可利用性差异, 以及基于吸收速率常数表征铁生物可利用性的研究方法. 其次, 梳理并比较基于硅藻、集胞藻等真核与原核模式浮游植物研究所揭示的铁吸收生理过程及其分子机制: 真核浮游植物可通过细胞表面还原、植物转铁蛋白介导的胞吞、Fe(Ⅲ)-铁载体诱导的胞吞以及 Fe(Ⅱ)'转运等途径获取铁; 原核浮游植物则依赖外膜(孔蛋白、TonB 依赖转运系统)与质膜(Fe(Ⅲ)转运系统、Fe(Ⅱ)'转运蛋白等)的协同作用, 实现分级铁摄取. 此外, 本文分析了海洋酸化、暖化及光照变化等全球变化因子对海水铁化学形态及生物可利用性的影响, 并探讨其对浮游植物铁吸收的调控作用. 最后, 本文提出若干亟待解决的科学问题: 现有关于海洋浮游植物铁吸收机制的研究仍主要集中在少数模式物种, 而对其他关键类群的相关机制仍认识有限; 实验室条件下揭示的铁吸收途径, 其在真实海洋环境中对天然浮游植物群落的实际作用尚不明确; 亟需对全球变化多因子协同作用的影响, 以及中低纬度海域铁施肥的潜在效应开展系统评估. 未来需进一步揭示在低铁和多重环境胁迫下浮游植物的铁吸收策略, 以提升对全球变化背景下海洋初级生产力响应的预测能力.