近日，中国科学院海洋研究所海洋生源物质循环与碳汇过程研究团队在期刊Marine Environmental Research发表论文，阐明了海洋浮游植物通过“膜脂重塑”策略以适应磷限制的生理生态机制，并首次定量评估了该过程对维持海洋初级生产力的潜在贡献。

磷是浮游植物生长不可或缺的营养要素。在寡营养海域，磷的匮乏常常限制浮游植物生长，进而影响海洋初级生产力。虽然传统观点认为磷限制会导致生产力下降，但实际观测发现，即使在贫磷海域，其初级生产力仍能维持一定水平，为什么出现了磷限制水体仍能保持较高的初级生产水平呢？揭示这一现象背后的生理适应机制，已成为揭示海洋生源物质循环亟待解决的科学命题。

研究团队通过解析室内培养和自然水体生态系统中蓝藻与真核浮游植物的脂质组成变化，提出海洋浮游植物应对磷限制的“膜脂重塑”适应新策略。研究发现，在磷限制条件下，浮游植物通过用硫脂（磺基喹诺糖基二酰基甘油，SQDG）和甜菜碱脂（BLs）等非磷脂替代原有磷脂，实现细胞膜结构的重组与功能维持。具体而言，浮游植物体内的磷脂（如磷脂酰甘油PG）含量显著下降，而SQDG在蓝藻和真核浮游植物中均增加，SQDG:PG比率显著升高，且该比率与水体溶解磷浓度呈显著负相关，表明硫脂合成增强以补偿磷脂的消耗。此外，真核浮游植物还表现出特有的适应机制：BLs含量上升，且BL与磷脂酰胆碱（PC）的比率明显升高，表明BL替代PC是膜脂重塑的又一途径，而这一机制在蓝藻中未被发现。这一脂质重塑过程尤其关键地发生在类囊体膜上。由于SQDG在结构与电荷特性上与PG相似，其替代能有效维持类囊体膜的完整性，从而保障光合作用效率，使浮游植物在缺磷环境下也能持续进行碳固定。初步估算表明，硫脂替代可缓解约77%~98%由磷限制引发的生产力损失。综上所述，浮游植物通过磷脂降解与非磷脂合成的协同作用，在磷限制环境中维持了细胞膜功能与光合作用能力。这一机制对重新评估磷酸盐浓度与初级生产力之间的关系提供了新的理论依据，对探明全球海洋生源物质循环具有重要科学价值。

图1 P-限制（-P）与P-充足（+P）培养条件下蓝藻的SQDG:PG比值

图2 磷限制下硫脂替代磷脂的机制

该研究在诠释浮游植物在磷限制环境下分子适应策略的基础上，提出了浮游植物通过“膜脂重塑”来调控初级生产的新思路，构建了“磷限制—脂质重塑—初级生产力”耦合关系的新框架，为全球变化背景下海洋初级生产力评估和碳汇预测提供了新的科学依据。

中国科学院海洋研究所硕士研究生刘雪为论文第一作者，段丽琴研究员为论文通讯作者，宋金明研究员为论文共同作者。研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的共同资助。

论文信息：

Liu,X.,Duan,L.*,Song,J. (2025). Phosphorus limitation induces membrane lipid remodeling in aquatic phytoplankton. Marine Environmental Research,212: 107526. https://10.1016/j.marenvres.2025.107526