单细胞生物固碳、固氮双功效机制破译

蓝藻（Blue green algae）是一种重要的固碳菌，由于具有将氮气转化为可利用的营养，因此能够在营养贫乏的水域中进行光合作用。详细内
容刊登于最新一期《The International Society for Microbial Ecology (ISME) Journal》杂志。

由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、南加州大学（USC）和波特兰国立大学研究人员组成的研究小组，利用 NanoSIMS（high- resolution secondary ion mass spectrometer，高清晰二次离子质谱仪）在纳米级别跟踪、拍摄蓝藻的养分摄取，期望揭开生物学领域中长期存在的谜团：光合作用中的碳固定会产生氧，而氧会抑制氮固定，单细胞蓝藻是怎样实现摄取大气中的氮和碳的？

研究人员以淡水Anabaena oscillarioides（藻类颤藻鱼腥）为研究对象，这种水藻将这两个过程分配到相邻细胞中，产物共享，营养细胞（vegetative cells）执行碳固定，异形细胞（heterocysts）执行氮固定。LLNL研究人员Peter Weber等人利用NanoSIMS跟踪这种藻类两类细胞中碳和氮的吸收和运动。

NanoSIMS能够在50－100纳米分辨率级别上分辨元素和同位素，能够用于测量碳和氮吸收情况及随后在细胞、亚细胞水平上的分布。该方法显示了资源吸收和重新分配到碳存储器中的动力学特征和细胞分裂时细胞壁形成的动力学特征。

研究人员利用氮气和二氧化碳气体中的稳定同位素示踪剂（stable isotope tracers）跟踪氮固定和碳固定。孵育几小时后，由于碳吸收和氮吸收活动及胞间转化，营养细胞中明显聚集了大量的碳同位素和氮同位素。由于异形细胞是非生长细胞而营养细胞分裂速度快，光合作用过程中新固定的大部份碳被分配到营养细胞中，而异形细胞只需要很少量的碳。

NanoSIMS成像结果显示，在体积大小、形状和胞间距离上，成熟异形细胞和营养细胞明显不同，而且营养细胞中含有更多的新固定的氮。

Weber说，我们能够在细胞水平上观察新固定的氮是怎样快速从异形细胞转移到营养细胞的，紧跟营养细胞生长、分离过程中的的氮需求。USC的Kenneth Nealson称赞NanoSIMS开辟了一个全新的研究领域，科研人员利用这种技术可以观察细胞内的物质变化情况，显微生物学的研究方式将被改变。