[論文レビュー] Reductions in Depth-integrated Picophytoplanktonic Photosynthesis Due to Inhibition by Ultraviolet and Photosynthetically Available Radiation: Global Predictions for $ extit{Prochlorococcus}$ and $ extit{Synechococcus}$

Patrick J. Neale, Brian C. Thomas|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2016

Marine and coastal ecosystems参考文献 46被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、紫外線（UV）および光合成可能放射（PAR）による阻害によって、*Prochlorococcus*および*Synechococcus*の深さ統合光合成がどのように全球的に低下するかをモデル化している。培養株を用いてキャリブレーションされたスペクトル応答モデルを用い、UVおよびPARによる阻害が、世界規模で海洋の一次生産を7–28%低下させると予測している。*Prochlorococcus*は*Synechococcus*に比べて著しく高い阻害を受けており、総阻害の約2/3がUVに起因している。

ABSTRACT

Phytoplankton photosynthesis in most natural waters is often inhibited by ultraviolet (UV) and intense photosynthetically available radiation (PAR) but the effects on ocean productivity have received little consideration aside from polar areas subject to periodic enhanced UV-B due to depletion of stratospheric ozone. Here we consider responses in the temperate and tropical mid-ocean regions typically dominated by picophytoplankton including the prokaryotic lineages, $ extit{Prochlorococcus}$ and $ extit{Synechococcus}$. Spectral models of photosynthetic response for each lineage were constructed using model strains cultured at different growth irradiances and temperatures. In the model, inhibition becomes more severe once exposure exceeds a threshold (Emax) related to repair capacity. Model parameters are presented for $ extit{Prochlorococcus}$ adding to those previously presented for $ extit{Synechococcus}$. The models were applied to the estimation of mid-day, water-column photosynthesis based on an atmospheric model of spectral incident radiation, satellite-derived spectral water transparency and sea surface temperature. Comparing predictions integrated over the water column including versus excluding inhibition, production was 7-28% lower due to inhibition depending on strain and site conditions. Inhibition was consistently greater for $ extit{Prochlorococcus}$ compared to two strains of $ extit{Synechococcus}$. Considering only the surface mixed layer, production was inhibited 7-73%. Weighted by lineage abundance and daily PAR exposure, inhibition of full water column production averages around 20% for the modeled region of the Pacific with two-thirds of the inhibition due to UV. The results suggest more consideration is needed on inhibition effects, especially due to UV, which are largely excluded from present models of global phytoplankton production.

研究の動機と目的

• UVおよびPAR放射が*Prochlorococcus*および*Synechococcus*の深さ統合光合成に与える全球的影響を定量化すること。
• 温帯および熱帯の中洋域における放射阻害が、海洋一次生産にどのように寄与するかを評価すること。
• 異なる光および温度条件下での*Prochlorococcus*および*Synechococcus*株間の阻害閾値および修復能の違いを比較すること。
• 大気、海洋、生物学的モデルを統合し、地域解像度の高い光合成阻害を予測すること。

提案手法

• 異なる照度および温度条件下で培養した*Prochlorococcus*および*Synechococcus*の株を用いて、光合成応答のスペクトルモデルを開発した。
• 閾値に基づく阻害モデルを適用し、修復能力の限界（Emax）を超えると損傷が蓄積されるものとし、実験データから得たパラメータを用いた。
• 大気放射モデルを用いて大気スペクトル照度をシミュレートし、表面に到達する光を推定した。
• 衛星から得られた水の透明度および海面水温データを用い、太平洋全域における光学的特性および環境条件をパラメータ化した。
• 水柱全体にわたるスペクトル光減衰、植物プランクトンの吸収、および阻害キネティクスを組み合わせることで、深さ統合光合成を計算した。
• 放射阻害の有無を比較したシナリオを用い、全球的な低下を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 開けた海洋における*Prochlorococcus*および*Synechococcus*の深さ統合光合成は、UVおよびPAR放射によってどの程度阻害されるか？
• RQ2 *Prochlorococcus*と*Synechococcus*の間で修復能および光適応の違いが、放射線ストレスに対する相対的な感受性にどのように影響するか？
• RQ3 中緯度および熱帯地域において、UVとPARによる阻害が、世界の海洋一次生産のどの程度を占めているか？
• RQ4 太陽放射、水の透明度、海面水温の空間的・時間的変動が、放射線阻害にどのように作用するか？

主な発見

• *Prochlorococcus*および*Synechococcus*の全球的深さ統合光合成は、UVおよびPARによる阻害のため、環境条件や株に応じて7–28%低下している。
• *Prochlorococcus*は*Synechococcus*に比べて著しく高い阻害を受けており、一部の地域では最大28%の低下が見られたのに対し、*Synechococcus*は7–15%の低下にとどまっている。
• モデル化された太平洋地域において、UV放射が総阻害の約2/3を占めている。
• 表層混合層では阻害が顕著で、高照度条件下では*Prochlorococcus*で最大73%の阻害が観察された。
• 全水柱にわたる平均全球的阻害率は約20%であり、特に太陽放射が強く、透明度の高い寡栄養性水域で最大の影響が見られた。
• 本研究では、現在の全球的海洋生産性モデルが、特にUVによる阻害を無視しているため、一次生産量を低く見積もっている可能性が示された。