國立臺灣海洋大學 生命科學院

【2024-04-16 海大快訊】國立臺灣海洋大學海洋生物研究所張順恩助理教授參與加州大學海洋固氮研究跨國團隊，近期成果顛覆一般認知，發現一種能夠進行固氮作用的全新胞器，命名為nitroplast (固氮體)，並於4月11日刊登在全球權威學術期刊《科學》（Science）的封面文章。根據共生體學說，除了進行呼吸作用的粒線體和光合作用的葉綠體等，此固氮體是現知第四例由原本與真核細胞共生的原核生物演化而成的胞器!張順恩助理教授表示，由於許多植物和藻類的生長都是由氮限制，所以固氮體的發現將為提升地球的生產力和碳封存能力帶來新的可能性。

固氮是生命的重要過程，一般認知只有細菌或是古細菌能從大氣中吸收氮，並將其轉化為生物可用的形式。本研究的負責人-加州大學聖塔克魯茲分校特聘教授Jonathan Zehr早於1998年就在海洋中發現固氮藍綠細菌(Candidatus Atelocyanobacter thalass, UCYN-A)，而多年來，科學家一直認為UCYN-A與海洋單細胞藻類(Braarudosphaera bigelowii)是內共生的互利關係。研究團隊發現B. bigelowii與UCYN-A的生長速度具有同步性，但需要更進一步以實驗證明兩者在代謝的相關性，張順恩助理教授便是參與了這部分蛋白質組與基因體分析的研究工作。

由加州大學聖塔克魯茲分校Tyler Coale帶領的研究團隊將UCYN-A從B. bigelowii中分離，進行蛋白質組與基因體分析，他們發現UCYN-A約2,000種不同的蛋白質中，有一半是來自B. bigelowii，而不是在UCYN-A內部產生。而許多藻類細胞生產的蛋白質還有助於UCYN-A的固氮作用，並且就像其他的胞器，能夠透過特定的胺基酸序列標記將蛋白質運送到UCYN-A。此外，由加州大學舊金山分校及勞倫斯柏克萊國家實驗室團隊Valentina Loconte帶領的研究團隊也透過軟X光斷層掃描顯微技術(Soft X-ray tomography)發現UCYN-A與B. bigelowii的細胞是同步分裂，證實UCYN-A已經與藻類細胞融合，是具有固氮功能的胞器(即固氮體)。

張順恩助理教授補充：「這些結果顯示UCYN-A通過輸入大量B. bigelowii的蛋白質補充缺失的代謝過程，以及B. bigelowii能夠在細胞分裂後將UCYN-A傳遞給子代細胞，滿足了定義胞器的條件。」而B. bigelowii也成為了第一個已知可以從大氣中吸收並利用氮氣的真核生物，張助理教授並表示，這是生物學上具有開創性的重大發現，相信將能納入教科書中！十分榮幸能夠參與這項研究，並成為相關文章的共同作者。

海洋中還有大量不同種類的固氮生物有待進一步研究。張順恩助理教授指出：「臺灣在研究海洋固氮生物或固氮體上有很大的優勢，因為鄰近的黑潮水域就是固氮作用的熱點，其中就有B. bigelowii以及多種目前被認為與矽藻內共生的藍綠細菌。因此，我們團隊以海洋大學為基地，配合國際合作，正致力研究海洋固氮生物在全球環境變遷中的響應和相關的生理機制。」

張順恩助理教授的主力研究為海洋固氮生物與浮游植物，其研究曾發表在Limnology and Oceanography letters、Global Change Biology、Global Biogeochemical Cycles等國際權威雜誌。團隊並獲國科會補助，與日本、美國和捷克的研究團隊進行國際合作，研究黑潮以及北平洋中的固氮生物。

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