新研究揭示了有害藻类如何利用一氧化氮生长

自从发现它是世界各地经济和环境破坏性有害藻华(HABs)背后的驱动力以来，研究人员一直在试图发现更多关于不同类型的氮(如硝酸盐或铵)对有害藻华增殖的影响的信息。

在特拉华大学，海洋科学与政策学院(SMSP)副教授Kathyrn Coyne花了几年时间研究有害藻华 - 包括Heterosigma akashiwo，一种全球分布的有毒藻类。大约10年前，在特拉华州海洋格兰特(DESG)的资助下，Coyne的实验室发现Heterosigma akashiwo能够使用一氧化氮作为氮源。

它通过使用一种叫做硝酸盐还原酶的酶的独特修饰来做到这一点。这种酶通常催化将硝酸盐转化为铵(一种更可用的氮形式)的第一步。Heterosigma akashiwo中硝酸盐还原酶的修饰允许它使用一氧化氮而不是硝酸盐作为氮的来源。

“这引发了很多问题，”科恩说。“他们会在哪里获得环境中的一氧化氮?Heterosigma akashiwo在他们的酶中进行这种修饰具有什么样的优势?其他类型的氮如何影响其使用一氧化氮的能力?”

最后一个问题在最近一篇关于《科学报告》研究结果的文章中得到了回答。

本文的主要作者Emily Healey在UD获得海洋生物科学硕士学位，是马里兰大学公共卫生学院的博士生。与Coyne一起，其他合著者包括海洋科学与政策学院教授兼DESG主任Joanna York和波士顿大学地球与环境系教授Robinson Fulweiler，以及Coyne实验室的前任成员Stacie Flood和Patience Bock。

REU参与者

希利说，虽然她在2019年夏天以硕士生的身份加入Coyne的实验室，但她来到UD并与Coyne一起工作，作为SMSP本科生研究体验(REU)暑期计划的参与者。

“我一直对微生物学感兴趣，有机会通过REU计划在海滩上度过我的夏天真是太棒了，”希利说。“Coyne博士经营着一个很棒的实验室。她有非常有帮助的博士生为她工作，我只是喜欢这项工作。我以前从未与藻类打交道过——我一直在用细菌做更多的事情，所以沉浸在不同的微生物中很有趣。

在她的REU经历之后，希利能够在第二年回来开始她的硕士课程。在那段时间里，她开始了研究，最终导致了最近的出版物。

硝酸还原酶

希利说，她的研究目标之一是观察其他氮源是否会影响Heterosigma akashiwo中硝酸盐还原酶的活性及其吸收一氧化氮的能力。例如，如果农业环境中存在大量铵，则大多数物种会下调硝酸还原酶，这可能会影响Heterosigma使用一氧化氮的能力。

“我们认为如果有很多铵，也许Heterosigma akashiwo无法使用一氧化氮作为氮源，”Healey说。“也许如果存在铵，他们就会简单地关闭这种酶。

通过在铵存在下关闭酶，存在Heterosigma akashiwo被抑制甚至阻止进入一氧化氮并将其转化为生物质的可能性。

然而，他们发现，即使存在铵，向Heterosigma akashiwo的培养物提供一氧化氮实际上增加了酶的活性，因此它能够成功地吸收一氧化氮并在铵存在下将其转化为生物质。

为了确定不同类型的氮对硝酸盐还原酶的影响，研究人员进行了三个实验。他们在实验室中首先用硝酸盐种植Heterosigma akashiwo，然后只用铵，最后用50/50的硝酸盐和铵态氮混合物。

在每个实验中，硝酸还原酶的活性不仅在加入一氧化氮时增加，而且结果表明，即使在铵存在下，Heterosigma也将一氧化氮掺入生物质中。

Coyne说，这种能力可能使Heterosigma akashiwo比其他物种更具优势，因为它们能够获得新的氮源。

“如果是这样的话，那么Heterosigma可能能够使用一氧化氮作为其他物种根本无法获得的替代品，”Coyne说。

沉积物中的氮

这种使用一氧化氮作为氮源的能力可能与Heterosigma akashiwo在白天的移动方式有关 - 因为该物种将在白天移动到水面，并在夜间返回水柱底部。

“在晚上，Heterosigma迁移到沉积物中，然后在白天，它们进行光合作用，因此它们会移动到暴露在阳光下的表面，”Coyne说。“有很多数据显示，一氧化氮通过一些沿海地区的沉积物渗出，所以我们认为Heterosigma可能在夜间将一氧化氮作为氮源。

希利说，这种使用一氧化氮的能力可能有一些影响。一种是，当其他类型的氮已经耗尽时，它使Heterosigma akashiwo比其他藻类更具优势。

此外，Healey说，一氧化氮应该被认为是Heterosigma akashiwo水华形成的一个因素。

“人们经常研究氮对水华的影响，以及如何通过减少硝酸盐或铵来防止水华，”希利说。“现在，我们说，'好吧，将一氧化氮添加到该列表中，因为它可能很重要。