單細胞生物固碳、固氮雙功效機制破譯

藍藻（Blue green algae）是一種重要的固碳菌，由于具有將氮氣轉化為可利用的營養，因此能夠在營養貧乏的水域中進行光合作用。詳細內
容刊登于最新一期《The International Society for Microbial Ecology (ISME) Journal》雜志。

由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）、南加州大學（USC）和波特蘭國立大學研究人員組成的研究小組，利用 NanoSIMS（high- resolution secondary ion mass spectrometer，高清晰二次離子質譜儀）在納米級別跟蹤、拍攝藍藻的養分攝取，期望揭開生物學領域中長期存在的謎團：光合作用中的碳固定會產生氧，而氧會抑制氮固定，單細胞藍藻是怎樣實現攝取大氣中的氮和碳的？

研究人員以淡水Anabaena oscillarioides（藻類顫藻魚腥）為研究對象，這種水藻將這兩個過程分配到相鄰細胞中，產物共享，營養細胞（vegetative cells）執行碳固定，異形細胞（heterocysts）執行氮固定。LLNL研究人員Peter Weber等人利用NanoSIMS跟蹤這種藻類兩類細胞中碳和氮的吸收和運動。

NanoSIMS能夠在50－100納米分辨率級別上分辨元素和同位素，能夠用于測量碳和氮吸收情況及隨后在細胞、亞細胞水平上的分布。該方法顯示了資源吸收和重新分配到碳存儲器中的動力學特征和細胞分裂時細胞壁形成的動力學特征。

研究人員利用氮氣和二氧化碳氣體中的穩定同位素示蹤劑（stable isotope tracers）跟蹤氮固定和碳固定。孵育幾小時后，由于碳吸收和氮吸收活動及胞間轉化，營養細胞中明顯聚集了大量的碳同位素和氮同位素。由于異形細胞是非生長細胞而營養細胞分裂速度快，光合作用過程中新固定的大部份碳被分配到營養細胞中，而異形細胞只需要很少量的碳。

NanoSIMS成像結果顯示，在體積大小、形狀和胞間距離上，成熟異形細胞和營養細胞明顯不同，而且營養細胞中含有更多的新固定的氮。

Weber說，我們能夠在細胞水平上觀察新固定的氮是怎樣快速從異形細胞轉移到營養細胞的，緊跟營養細胞生長、分離過程中的的氮需求。USC的Kenneth Nealson稱贊NanoSIMS開辟了一個全新的研究領域，科研人員利用這種技術可以觀察細胞內的物質變化情況，顯微生物學的研究方式將被改變。