[논문 리뷰] 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)|2016. 06. 28.

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한 줄 요약

이 연구는 자외선(UV)과 광합성활성방사(PAR)에 의한 억제로 인해 *Prochlorococcus*와 *Synechococcus*의 수심 통합 광합성에 세계적으로 감소하는 것을 모델링한다. 배양된 균주를 기반으로 校정된 스펙트럼 반응 모델을 사용하여, UV와 PAR 억제가 세계적으로 해양의 초급생산을 7–28% 감소시킨다고 예측한다. 이 중 *Prochlorococcus*는 *Synechococcus*보다 훨씬 더 큰 억제를 경험하며, 총 억제의 약 2/3는 UV에 기인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• UV 및 PAR 방사선이 *Prochlorococcus*와 *Synechococcus*의 수심 통합 광합성에 미치는 글로벌 영향을 정량화하는 것.
• 기후대 및 열대 중해역에서 방사선 억제가 해양의 초급생산을 어떻게 감소시키는지 평가하는 것.
• 다양한 빛과 온도 조건에서 *Prochlorococcus*와 *Synechococcus* 균주 간의 억제 임계점과 복구 능력의 차이를 비교하는 것.
• Atmospheric, oceanic, 그리고 생물학적 모델을 통합하여 지역적으로 해상된 광합성 억제를 예측하는 것.

제안 방법

• 다양한 조도 및 온도 조건에서 배양한 *Prochlorococcus*와 *Synechococcus* 균주의 광합성 반응 스펙트럼 모델을 개발하였다.
• 손상이 복구 능력 한계(Emax)를 초과할 경우 누적되는 임계점 기반 억제 모델을 적용하였으며, 파rameters는 실험 데이터에서 유도되었다.
• 대기 방사선 모델을 사용하여 대기 스펙트럼 조도를 시뮬레이션하여 표면에 도달하는 빛을 추정하였다.
• 위성에서 유도한 수질 투명도 및 해수면 온도 데이터를 사용하여 태평양 해역 전역에서 광학적 성질과 환경 조건을 파rameter화하였다.
• 수심 전반에 걸친 스펙트럼 빛 감쇠, 조류 흡수, 억제 동역학을 조합하여 수심 통합 광합성을 계산하였다.
• 방사선 억제가 있는 경우와 없는 경우를 비교하여 글로벌 감소율을 추정하기 위해 생산성을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열린 해양에서 UV 및 PAR 방사선이 *Prochlorococcus*와 *Synechococcus*의 수심 통합 광합성을 어느 정도 억제하는가?
• RQ2 *Prochlorococcus*와 *Synechococcus* 간의 복구 능력과 빛 적응 차이가 방사선 스트레스에 대한 상대적 민감도에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 중위도 및 열대 지역에서 전 세계 해양의 초급생산의 어느 정도가 UV와 PAR 억제로 인해 손실되는가?
• RQ4 태양 조도, 수질 투명도, 해수면 온도의 공간적·시계적 변동이 방사선 억제에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• UV 및 PAR 억제로 인해 *Prochlorococcus*와 *Synechococcus*의 글로벌 수심 통합 광합성이 환경 조건과 균주에 따라 7–28% 감소한다.
• *Prochlorococcus*는 *Synechococcus*보다 훨씬 더 큰 억제를 경험하며, 일부 지역에서는 최대 28% 감소하는 반면, *Synechococcus*는 7–15% 감소한다.
• 모델링된 태평양 지역에서 UV 방사선만으로도 총 억제의 약 2/3를 차지한다.
• 표면 혼합층에서의 억제는 더욱 심각하여, 고조도 조건에서 *Prochlorococcus*의 경우 최대 73%까지 감소한다.
• 전체 수심 전반에 걸친 평균 글로벌 억제율은 약 20%이며, 높은 태양 조사와 투명도가 높은 극도로 영양소가 적은 수역에서 가장 큰 영향을 받는다.
• 본 연구는 현재의 글로벌 해양 생산성 모델이 방사선 억제, 특히 자외선에 의한 영향를 간과하고 있어 초급생산을 과소평가하고 있을 가능성이 있음을 드러냈다.