出品：科普中國
製作：谷語粱
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
提到吸收二氧化碳，很多人想到的是森林。其實，地球上大部分二氧化碳是被海洋吸收的。
海洋佔地球面積超八成，儲藏了全球約九成的二氧化碳量，是地球上最大的活躍碳庫。海洋植被透過光合作用吸收固定二氧化碳，將其轉化為穩定有機物貯存起來，形成了獨特的海洋碳庫，稱為“藍碳（Blue Carbon）”。其中，廣佈於溫帶至熱帶地區淺海的繁茂海草床是海洋固碳的主力之一。
然而，這個獨特的生態系統一直困擾著科學家：海草床的養分從哪來？
種田想要豐收需要補充肥料，海草床也需要養分支援。可是大多數海草都長在養分匱乏的淺海環境中，尤其缺氮，而氮是植物生長需求最高的無機營養素。
在這樣貧瘠之地，海草卻能“為無米之炊”，繁茂生長，其定有不為人知的“乾飯秘訣”。
撿漏、找搭檔蹭氮...植物“乾飯”有妙招
在介紹海草如何在淺海環境中得到“氮”養分之前，我們先來看看自然界大部分綠色植物們是如何獲取氮元素的。
雖然地表氮元素含量高，但大多都是不活躍的氣態氮，植物“啃不動”。需要將氣態氮轉化為特定的幾種含氮物質，植物才能“吃得下”，這種將氣態氮“固定”下來的過程，即為“固氮”。其中，一些原核微生物（比如細菌）可以完成“生物固氮”，這些能夠固氮的微生物統稱為固氮菌。生物固氮在自然條件下是生物圈截留氮的主要方式，面對如此寶貴的資源，植物有多種方式利用：
1、偷偷撿漏“自由固氮菌”的營養
在固氮菌中，有一些自由生活的菌能自力更生：自己固氮、自己尋找有機物吃，“活得像一支隊伍”。
以往的研究發現，海草床的底泥中有很多這樣的自由固氮微生物，因此人們認為海草主要是從環境中“撿漏”，吸收一點自由固氮菌的“殘羹剩飯”。但是這樣零零散散的氮源似乎並不能餵飽鬱鬱蔥蔥的海草床，疑問還未得到徹底解答。
圖片來源：參考文獻[5]
2、與固氮菌相愛相生的“共生固氮模式”
自營固氮菌工作效率不高，固氮量也較低，植物僅僅靠它們是很難滿足的。於是，陸地上一些植物則和一些菌類發展出了更進一步的親密合作關係：植物的根產生特化的結構，像“房子”一樣讓細菌“住進”自己體內，植物供養細菌，而細菌則為植物固氮。
最為人熟知的共生固氮模式是豆科植物和根瘤菌。在根瘤共生中，根細胞密切接觸、納入根瘤固氮菌，形成圓結節狀的、高效的固氮工廠。
大豆根部的根瘤： 一個個根瘤結節中容納了很多根瘤菌，形成了高效的陸生固氮系統 （圖片來源：參考文獻[8]）
3、植物與“內生菌”建立的鬆散合作
豆科植物為了和根瘤菌合作而發育出根瘤，這是一個高難度的能力，大部分植物沒有這種技巧。於是有的植物則選擇更簡單的方式容納固氮菌：“開放”細菌入侵根部的許可權，讓細菌棲息在根內的細胞間隙或細胞壁內。但植物不會為此專門改變根部形態，不產生特殊的結構。
這些寄居在植物體內的微生物統稱為內生菌(Endophyte)。一些非豆科植物（如甘蔗、小麥[2]、龍舌蘭[3]）能募集具有固氮能力的內生菌，既滿足了氮的獲取，又不用專門為細菌準備特製的“房子”，保持一種鬆散的聯合關係，簡約而不簡單。
△植物內生菌。本圖是藍色龍舌蘭（Agave tequilana）根中染色觀察到的細胞內共生菌，並且該細菌具有固氮活性。（圖片來源：參考文獻[3]）
陸地植物和微生物的合作歷史悠久，在最早植物從海洋中的藻類演化成陸生植物登陸的時候，就離不開微生物的幫助。而那之後，陸地植物中的幾個小家族在演化的歷史上選擇重返海洋，又逐漸適應了海洋的環境。這類能在海洋中生活的禾草狀有花植物，統稱為“海草”。各種海草在淺海灘的生長樣貌像是陸地上的牧場，所以有“海草床”的美稱。
既然陸地植物會和固氮菌形成親暱的共生合作關係，祖上曾經是陸地植物的海草，是不是也有類似的“社交技巧”呢？
海草：“根門大開”，歡迎固氮菌入駐
科學家透過研究地中海地區常見的大洋海神草(Posidonia Oceanica)找到了海草床氮肥來源之謎的線索：海草也有類似陸地植物的共生固氮系統[4]。
大洋海神草在地中海地區分佈廣泛，是當地的地標性植被。因為海神草草床每年固定碳的效率比同等面積的亞馬遜雨林還高，其寶貴的生態和文化價值讓聯合國教科文組織將其列為世界遺產[6]。
海神草的草場（圖片來源：參考文獻[6]）
德國馬普所（Max Planck Institute）海洋微生物學院的Marcel Kuypers教授團隊追蹤了海神草內的氮元素分佈規律，發現海神草根部能吸收氣態氮，並且固定的氮素會向地上部轉移，該規律在夏季生長季尤為明顯。由此可見，海神草的根內確有固氮的細菌存在！陸地植物的共生固氮系統居然在環境性質完全不同的海洋環境中也有，這是前所未有的發現。
△圖1：根內微生物固氮在7、8月中固定含量明顯升高，與植物生長旺季相匹配。圖2：植物葉片中檢測到的氮元素轉移含量變化，和根部固氮含量匹配，在固氮含量多的時候（7月）轉移得也更多。（圖片來源：改編自參考文獻[4]）
科學家隨後在大洋海神草的根部鑑定出一個細菌新種：Candidatus Celerinatantimonas neptuna（Ca. C. neptuna） [7]，該細菌和植株整體固氮活性趨勢顯著相關，並且具有全套固氮基因群，可以執行完整的固氮功能。而且這種細菌和海草的“合作貿易”也完全遵循著陸地固氮共生的貨物交換守則：細菌一手交氮，植物一手交糖，兩類系統的合作模式如出一轍。
△內共生固氮菌和海草互作的概念示意圖 圖中左側是根截面圖，其中粉色的是固氮菌。細菌主要定殖在植物根的皮層部分。紅色的箭頭表示細菌吸收氮氣然後提供銨鹽給植物；而黑色的箭頭表示植物給細菌提供糖和所需氧氣。（圖片來源：改編自參考文獻[4]）
在熒光顯微鏡下，我們可以確定細菌的生活位置：Ca. C. neptuna在海神草的根內分佈，並且分佈位置和根內氮素的濃度變化密切相關。在生長迅速的夏季時期，Ca. C. neptuna還是海神草根內的優勢微生物；而其他不表現出固氮活動的海草根中，則幾乎找不到這種細菌。
△左圖d是熒光顯微鏡顯示的根內微生物情況。植物細胞壁(綠色)間隙有大量的固氮菌(粉色/藍色)聚集。
右圖e是氮同位素濃度示蹤，顏色越黃氮素越多，表明固氮過程越活躍。
注意橫跨兩幅圖的白色箭頭顯示的細菌叢集和氮元素濃度的一致關聯。
（圖片來源：改編自參考文獻[4]）
對Ca. C. neptuna的基因解析，也揭示了其對內共生生活有著充分的準備。比如它們能主動運動來追尋植物的腳步，識別植物給的訊號，和植物的免疫防禦系統“握手言和”，並能降解細胞壁裡的果膠來創造容身之所。諸多資訊都表明這種細菌和陸地上的固氮菌有著極為相似的生活方式，其具有的內生菌特性也是首次在海洋微生物中發現。
細菌與海草共生固氮，我們能學到什麼？
海神草和Ca. C. neptuna的固氮合作就像是陸地上合作關係的翻版，進化的歷史總有餘音迴響：也許在那約一億年前海神草祖先返回海洋、遠離了陸地微生物夥伴而“孤單無助”時，海里的Ca. C. neptuna祖先向它伸出了援手。全然不同的物種組合在相似的困境下卻發展出了雷同的合作模式，這對新生的朋友在赤貧海底開疆拓土，譜寫了新的篇章。
這個全新的海洋細菌-海草內共生固氮體系的發現，也帶來了更多的機遇和挑戰。比如，海草是如何識別和接納這種細菌的？其他海草（比如在我國海域分佈更多的大葉藻Zostera marina）是不是也有類似的共生夥伴？內生固氮菌對於海草下海的演化有什麼樣的推動作用？海草的祖先是怎樣完成陸地共生菌到海洋共生菌的關係轉變的？這些問題的答案都在等待著未來科學家們逐一揭曉。
除了學術上的深入探討，這種共生菌的發現對於保護受威脅的海草床生態系統也有更多價值。同時，我們也許能以這類細菌為基礎，開發出一些微生物的“菌劑”，來鞏固海草床這一“藍碳”庫存，為緩解全球變化提供一種新的低成本路徑。
參考資料：
[1] 藍碳：應對氣候變化的海洋方案, 中國氣候變化網。http://www.ccchina.org.cn/Detail.aspx?newsId=70773&TId=59
[2] Boddey, R.M., Dobereiner, J. Nitrogen fixation associated with grasses and cereals: Recent progress and perspectives for the future. Fertilizer Research 42, 241–250 (1995). https://doi.org/10.1007/BF00750518
[3] Beltran-Garcia, M., White, Jr., J., Prado, F. et al. Nitrogen acquisition in Agave tequilana from degradation of endophytic bacteria. Sci Rep 4, 6938 (2014). https://doi.org/10.1038/srep06938
[4] 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
[5] Douglas G. Capone. A seagrass harbours a nitrogen-fixing bacterial partner. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02956-y
[6] 大洋海神草 Posidonia oceanica ，維基百科介面，
https://en.wikipedia.org/wiki/Posidonia_oceanica
[7] 註釋：Celerinatantimonas是屬名，neptuna是種加詞，羅馬海神的名字，如此命名是因為其寄主大洋海神草的英文名是Neptune grass。Candidatus是原核生物命名的一個“限定詞”，用來指代經過測序鑑定但是未經過純培養明確的物種。
[8] 圖片來源：Iantcheva. A., Naydenova, G., 2020. Biological nitrogen fixation in legumes. Legume Hub. www.legumehub.eu, https://www.legumehub.eu/is_article/biological-nitrogen-fixation-in-legumes/
