环境变化对大型海藻中氨基酸δ15N值的影响

《Marine Pollution Bulletin》：Effect of environmental variations on amino acid δ15N values in macroalgae

　　

Hee Young Yun|Sangil Kim|Eun-Ji Won|Minhwa Gu|Hyun Woo Jeong|Sang Rul Park|Kyung-Hoon Shin

韩国汉阳大学海洋与大气科学研究所，安山，15588

摘要

大型藻类被广泛用作环境变化的指示物，但在动态的沿海环境中，区分自然生理变异与环境压力引起的生化反应仍然具有挑战性。我们研究了大型藻类Ecklonia和Ulva中的氨基酸（AA）特定氮同位素组成（δ¹⁵N_AA）的变化，以评估它们在不同环境条件下的生态生理反应。我们评估了在不同季节采集的多年生Ecklonia和一年生Ulva，并将它们与在温度梯度（12°C、20°C和27.5°C）下添加氮的培养Ulva进行比较。在野外采集的藻类中，δ¹⁵N_AA值随时间变化，但总体而言，δ¹⁵N_AA模式相对一致，其特征是谷氨酸（Glu）的同位素含量高于甘氨酸（Gly）和丝氨酸（Ser）。相比之下，在培养的Ulva中并未检测到类似的δ¹⁵N_AA模式（即δ¹⁵N_Glu/δ¹⁵N_Gly和δ¹⁵N_Ser），其中同位素变化的幅度和方向取决于氮的添加量和温度。在Ecklonia中，谷氨酸和苯丙氨酸之间的δ¹⁵N偏差为4.0 ± 1.0‰，与重新计算的参考值（3.9 ± 1.1‰）一致，而在野外采集的Ulva和在12°C下添加氮的培养Ulva中，这一偏差较低（即?5.6 ± 1.5‰）。这些结果表明，在受控实验中，δ¹⁵N_AA指标对氮的富集和温度变化敏感，并且在野外不同物种之间存在季节性差异，反映了以谷氨酸为中心的氮代谢的变化，尤其是在机会主义的Ulva中。最终，这种方法通过将物种特定的生理特征与富营养化和变暖的沿海生态系统中的生态反应联系起来，增强了我们对食物网基线的解释。

引言

大型藻类群落对环境变化非常敏感（Harley等人，2012年；Terada等人，2025年），包括海水温度上升、海洋酸化以及由重金属、营养物质和有机污染物引起的污染。这些压力因素会引发大型藻类的生化变化，直接影响其新陈代谢和营养物质的分解与储存（Valiela等人，2018年；Teichberg等人，2007年；Toth等人，2020年）。此外，大型藻类（尤其是Ulva属）已知能够承载多样且功能重要的微生物群落，这些微生物群落影响其生长、形态形成和新陈代谢（Polikovsky等人，2020年；Wichard，2023年；Hardegen等人，2025年）。为了表征这些生理变化，大多数研究依赖于实验室条件下操纵光照、pH值、无机氮源或温度等因素（Toth等人，2020年；Liu等人，2025年；Bodar等人，2024年；Sheng等人，2025年；He等人，2018年）。然而，从简化实验设置中得出的反应可能无法反映自然复杂环境条件下出现的全部生化和同位素变异。因此，大型藻类生化特性的自然幅度和季节性变异是不可预测的，这限制了我们在沿海生态系统中区分生理变化与环境诱导的压力之间的能力。

大型藻类中的元素组成、氨基酸（AAs）谱型、代谢物组成和稳定同位素值已被广泛用作海洋环境风险评估中生化变化的指示物（Liu等人，2025年；Kang等人，2021年；Gao等人，2017年；He等人，2018年）。元素含量反映了初级生产和营养物质状态及储存的广泛变化，而氨基酸和代谢物谱型揭示了代谢变化，特别是在响应环境压力时的蛋白质合成和代谢稳态。碳同位素特征对与温度上升和海洋酸化相关的光合作用碳固定过程的变化敏感（例如，Kang等人，2021年）。氮同位素提供了关于富营养化动态的见解，包括无机氮来源及其可用性（例如，Valiela等人，2018年；Deutsch和Voss，2006年）。因此，整合多种互补的生物标志物可以提高我们区分自然生理变异与压力诱导的生化反应的能力。然而，这些生化反应如何影响更广泛的生态后果仍不甚清楚，这限制了它们在生态系统层面的应用。

氨基酸（AA）谱型和AA特异性稳定同位素分析（δ¹⁵N_AA）能够高分辨率地检测代谢过程和无机营养源的变化（例如，Macko等人，1987年）。AA特异性生物标志物为解释海洋生态系统中大型藻类对环境扰动的生化反应提供了一个综合框架（Gravot等人，2010年；Sheng等人，2025年）。在氨基酸中，谷氨酸和谷氨酰胺（Glutamate）通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）途径在碳-氮代谢中起核心作用（Taylor等人，2006年），并通过中间产物α-酮戊二酸与三羧酸循环相连。相比之下，其他氨基酸（例如，苯丙氨酸和丝氨酸）通过下游生物合成途径合成，包括莽草酸途径和与谷氨酸相关的转氨作用。由于谷氨酸的核心代谢作用，它们的δ¹⁵N值通常高于大多数其他氨基酸（Chikaraishi等人，2009年；McCarthy等人，2013年）。这种独特的δ¹⁵N–AA模式在大型藻类（Chikaraishi等人，2009年）、浮游植物（Besser等人，2022年）和维管植物（Takizawa等人，2017年）中普遍存在。谷氨酸和苯丙氨酸之间的氮同位素差异相对一致，平均值为3.4 ± 0.9‰，这反映了自养氨基酸生物合成途径中从一个共同的谷氨酸池进行转氨作用的主导地位（例如，McCarthy等人，2013年；Hayes，2001年；Besser等人，2022年）。

与δ¹⁵N_AA典型模式的偏差，由氨基酸之间的相对差异定义，通常表示为δ¹⁵N_Glu-AA，在维管植物中反映了与氮处理相关的代谢重组，例如，与植物组织（Styring等人，2014a）、木质素含量（Kendall等人，2019）和有机氮输入（如施肥）（Styring等人，2014b）相关的δ¹⁵N-AA变异性。也就是说，额外的代谢脱氨过程会导致用于蛋白质生物合成的剩余氨基酸池的同位素分馏和富集。这些结果强调了δ¹⁵N在谷氨酸和其他氨基酸之间的差异作为生化变化的敏感指标（Styring等人，2014a；Styring等人，2014b；Kendall等人，2019）。大型藻类中的δ¹⁵N_Glu-AA模式是否在自然动态的沿海环境中保持一致，其中温度和营养物质条件随季节变化，尚未得到充分测试。鉴于大型藻类在沿海生态系统研究中的基础作用以及δ¹⁵N-AA方法的有限应用，这一差距尤为重要。

在这里，我们研究了大型藻类中的δ¹⁵N_AA变化，并评估了它们相对于常用的碳和氮含量、整体同位素数据以及AA谱型的诊断能力。我们结合了在沿海环境中季节性采集的多年生Ecklonia cava和在实验室控制条件下培养的一年生Ulva ohnoi（结合温度和氮添加）。我们的结果通过氮代谢框架进行解释，以评估大型藻类对环境变化的生化反应及其在快速变化的沿海生态系统中的潜在生态后果。

章节片段

野外样本采集

多年生棕色大型藻类Ecklonia cava在韩国济州岛的岩石潮间带区域（33° 13.583′ N, 126° 33.950′ E）进行季节性采集。使用在单个Ecklonia叶片上打孔标记的方法，仅采集新生的叶片（n = 3）。一年生绿色大型藻类Ulva以自由漂浮的形式在2020年12月以及2021年2月和12月从济州岛Hamdeok（33° 32.897′ N, 126° 39.336′ E）手工采摘。样本的鉴定基于...

整体组织特性

野外采集的Ulva显示出较低的碳含量和碳氮比，但氮含量与Ecklonia相似（表1）。总体而言，Ulva的δ¹³C值比Ecklonia高出约7‰（图1）。与物种特定的δ¹³C值相比，两种物种的δ¹⁵N范围有所重叠。Ecklonia的δ¹⁵N组成在时间上变化更大，2014年11月的值最高，2015年2月的值最低（ANOVA，F = 23.07，p < 0.05）。

讨论

栖息在相对稳定潮间带的多年生Ecklonia显示出氮含量、氨基酸数量、总体δ¹⁵N值以及大多数单个氨基酸的季节性变化，而δ¹³C值基本保持不变。这种模式表明，大型藻类的生化特性的幅度和季节性动态与越冬期间的生长期（通过叶片伸长和生物量积累）有关。相比之下，一年生Ulva适应了高度变化的沿海环境...

结论

通过使用季节性采集的样本和实验室控制的实验操作，本研究提供了更全面的视角，展示了大型藻类的氮代谢和同位素特征如何响应环境变化。我们的结果表明，将整体元素同位素值与氨基酸组成及其δ¹⁵N_AA值结合起来，为表征自然生理变异和对环境变化的响应提供了一个稳健的框架（与温度相关）

CRediT作者贡献声明

Hee Young Yun：撰写——初稿、可视化、验证、调查、资金获取、数据管理、概念化。Sangil Kim：资源获取、调查、正式分析。Eun-Ji Won：可视化、验证、调查。Minhwa Gu：数据管理、正式分析。Hyun Woo Jeong：数据管理、正式分析。Sang Rul Park：资源获取、项目管理、调查、资金获取、概念化。Kyung-Hoon Shin：撰写——审稿与编辑、资金支持

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Choi Hyuntae博士对这项研究的分析支持。Choi Bohyung博士的评论改进了手稿。这项研究得到了通过国家研究基金会（NRF?2021R1l1A1A01061284）的基础科学研究计划的支持，并由韩国海洋科学技术促进机构（KIMST）资助，该机构由韩国海洋渔业部资助（RS-2025-02304428和20220526）。