海草覆盖大片浅海，在那里它们提供了重要的栖息地。它们还去除了大量的二氧化碳(CO 2) 来自大气并将其储存在生态系统中。然而，海草需要营养才能茁壮成长，尤其是氮。到目前为止，研究人员一直假设植物主要从周围的海水和沉积物中吸收氮。然而，在海草最成功的许多地区，几乎找不到氮。位于不来梅的马克斯普朗克海洋微生物研究所的研究人员现在表明，地中海的海草与其根部的细菌共生，并提供生长所需的氮。这种共生关系以前只从陆生植物中得知。该研究发表在《自然》杂志上。

海草广泛分布于温带和热带海域的浅海沿岸地区，面积达60万平方公里，大致相当于法国的面积。它们构成了整个生态系统的基础，是众多生物的家园，其中一些是濒临灭绝的物种，如海龟、海马和海牛，以及许多具有重要经济意义的鱼类物种的育苗场。此外，海草保护海岸线免受风暴潮的侵蚀，并每年吸收数百万吨二氧化碳，这些二氧化碳作为所谓的“蓝碳”长期储存在生态系统中。

尽管缺乏营养，但仍能过上茂盛的生活

许多海草的栖息地在一年中的大部分时间里都缺乏营养，例如氮。尽管氮以元素形式 (N 2 )在海中含量丰富，但海草不能以这种形式使用它。植物怎么还能茁壮成长?这要归功于他们现在发现的微观伙伴：生活在植物根部的细菌共生体将 N 2气体转化为植物可以使用的形式。来自德国不来梅马克斯普朗克海洋微生物研究所、德国比尔海德拉海洋科学和瑞士水研究所 Eawag 的 Wiebke Mohr 和她的同事现在描述了海草和细菌之间这种密切关系是如何运作的。

和谐在根

“据推测，海草的所谓固定氮来自生活在海底根部周围的细菌，”莫尔解释说。“我们现在表明这种关系更加密切：细菌生活在海草的根部。这是第一次在海草中表现出如此密切的共生关系。以前只知道陆生植物，特别是农业上重要的物种例如豆类、小麦和甘蔗。” 这些也有共生细菌，它们向它们提供碳水化合物和其他营养物质，以换取固定的氮。海草与其共生体之间也发生了非常相似的代谢产物交换。

生活在海草根部的细菌是一项新发现。Mohr 和她的团队将它们命名为 Celerinatantimonas neptuna，以它们的宿主海王星草(Posidonia)命名。先前已发现 C. neptuna 的亲属与海藻有关。“大约 1 亿年前，当海草从陆地迁移到海洋时，它们很可能从海藻中吸收了细菌，”莫尔推测。“他们实际上复制了在陆地上非常成功的系统，然后为了在营养贫乏的海水中生存，获得了一种海洋共生体。” 目前的研究着眼于地中海的 Posidonia 属海草。然而，这种共生也可能发生在其他地方。“遗传分析表明，热带海草和盐沼中也存在类似的共生关系，”莫尔说。“这边走，

与季节同行

随着季节的变化，沿海水域中存在的养分含量会发生变化。在冬春季节，水中和沉积物中的养分似乎足以养活海草。“当时，我们确实在植物根部发现了分散的共生体，但它们可能不是很活跃，”莫尔说。在夏季，当阳光增加，越来越多的藻类生长并消耗很少的可用营养时，氮很快就会变得稀缺。然后共生体接管。他们直接为海草提供所需的氮。这就是海草在夏季达到最大生长的方式，此时环境中的养分最为稀缺。

获得清晰图片的许多不同方法

目前的研究连接了整个生态系统，从海草生产力到生活在其根部并最终为系统提供燃料的共生体。为了实现这一目标，研究人员使用了各种不同的方法来尽可能全面地了解这种共生关系：在地中海水域进行的氧气测量揭示了海草草甸的生产力。显微镜技术，其中单个细菌物种被颜色标记(称为 FISH)，有助于可视化海草根细胞内部和之间的细菌。在最先进的质谱仪 NanoSIMS 中，他们显示了单个细菌的活性。基因组和转录组分析揭示了哪些基因可能对相互作用特别重要，并且这些途径被大量使用。其结果，研究人员成功地为这一惊人的合作提供了合理而详细的描述。“我们的下一步是更详细地研究这些新细菌，”莫尔说。“我们希望在实验室中将它们分离出来，以进一步研究共生是如何运作的以及它是如何发展的。在其他地区和栖息地寻找类似的系统肯定也会令人兴奋。”