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海洋浮游植物通过光合固碳驱动生物泵吸收大气中的CO2,在全球碳循环和海洋的气候调节作用中扮演着重要角色。浮游植物的光合固碳依赖于CO2浓缩机制（CO2-concentration mechanisms,CCMs）,而 CCMs 重要组成之一的含锌（Zn）金属酶——碳酸酐酶（Carbonic anhydrase,CA）的功能,在Zn限制条件下可以被含镉（Cd）碳酸酐酶（Cadmium-containingcarbonic anhydrase,CDCA）所替代。迄今为止,CDCA是Cd唯一已知的生物功能。Cd作为国际科学研究计划“痕量元素和同位素海洋生物地球化学循环（GEOTRACES）”中特定研究的关键痕量金属之一,其在海洋中典型的营养盐分布特征及其在初级生产力中所扮演的角色仍需深入的研究予以揭示。此外,由于气候变化的持续影响,未来海洋中相互关联的多环境因子（如光强、氮源和CO2）变化可能影响浮游植物的光合作用和生长,因而研究和预测全球变化对浮游植物生长的影响越来越受到人们的广泛关注。综上所述,本研究旨在探究海洋浮游植物的光合固碳及其机理,聚焦于痕量金属Cd的生物功能和全球变化的影响。通过室内受控培养模式生物和现场实验,结合多学科交叉的研究思路和手段,从化学和生物学角度进行机理的分析和探讨。主要取得以下研究结果:（1）通过本地BLAST将目前已知的10种硅藻的CDCA氨基酸序列与不同浮游植物类群的转录组数据进行比对,证实了 CDCA还存在于其它20种硅藻以及其它浮游植物类群中（包括13种微胞藻、1种常见的甲藻和1种绿藻）。对45种浮游植物中的78条CDCA氨基酸序列进行邻接系统发育树分析,依据进化距离分为三类:CDCATW,CDCADB,CDCAMP。三类CDCA中存在相同的Cd结合位点（1个组氨酸和2个半胱氨酸残基）和相近的保守区。基于较为完善的CDCA数据库,将本研究中台湾海峡和南海北部不同营养盐海区浮游植物18S rRNA高通量测序的结果与以往相关的研究相结合,分析了我国不同营养盐海区天然浮游植物类群中CDCA多样性的潜在分布特征。（2）由于比表面积的降低以及Zn、Cd和CO2向细胞表面的扩散通量的限制,粒径越大的藻细胞越有可能受到Zn-Cd-CO2的共同限制。我们以细胞体积跨度为 50-6000 μm3 的三种海洋中心硅藻（Thalassiosira pseudonana、Thalassiosira weissflogii和Ditylum brightwellii）为对象,通过室内培养实验研究了其生长速率、细胞Zn:C和Cd:C与无机态Zn（Zn’）和Cd（Cd’）浓度之间的关系。结果显示,粒径最大的硅藻其细胞Zn:C比最小的硅藻降低了 10倍,因此粒径最大的硅藻比较小的硅藻更容易被低浓度的Zn’限制生长。细胞内Zn:C的降低伴随着细胞内Cd吸收速率和Cd:C的大幅度增加。然而,在外部Zn浓度最低的情况下,Cd的吸收趋于平稳,较大粒径细胞中的Zn和Cd含量均较低。当藻细胞中Cd取代Zn时,CDCA的表达也逐渐增加。同时,对于给定Zn、Cd限制条件下的生长速率,粒径最大的硅藻具有较高的CA活性,这支持了大粒径藻细胞在较低的外部CO2浓度下被Zn、Cd和CO2共同限制的假设。（3）我们运用iTRAQ标记联合液相色谱-质谱连用技术比较赫氏藻（Emiliania huxleyi）在Zn限制条件（LZn）、Cd添加（LZnCd）和Zn添加（HZn）条件下的差异表达蛋白。LZn条件下,E.huxleyi的生长速率降低为HZn条件下生长速率的50%,但在添加Cd的条件下提高了 35%。蛋白质组学数据显示,甲醛脱氢酶（Formaldehyde dehydrogenase,FDH）和δ-碳酸酐酶（Delta-carbonic anhydrase,δ-CA）为潜在的可利用Cd替代Zn的金属蛋白。进一步的验证实验发现Cd明显促进Zn限制条件下FDHEH的转录水平、蛋白表达水平和酶活,且体外表达纯化后的Cd-FDH仍然具有活性,因此Cd极有可能替代了E.huxleyi中含4个Zn原子的FDHEH。虽然Cd的添加也上调了δ-CAEH的转录水平,但推测δ-CAEH的上调可能受益于Cd替代了别的含Zn金属,同时发挥金属阳离子转运蛋白的功能以实现蛋白表达的增加。（4）以硅藻假威海链藻（Thalassiosira pseudonana）作为生物模型来研究浮游植物如何调节能量的产生和支出以应对光强、氮源和CO2这三个相互关联的环境因子的变化。T.pseudonana在适应不同的光强、氮源和CO2水平条件后,系统定量其能量的产生和支出,并归入能量收支计算以预测生长条件的不同对光合作用的影响。光强的增加和氮源从NO3-到NH4+的转变导致能量的产生增加,这是因为在高光下更高的光捕获率和在NH4+条件下生长时表达了更多的光合蛋白。在不同的培养条件下,除了NO3-的利用因为pCO2的增加而系统性降低,其余次要能量的支出只进行了适度地调整。元素化学计量学、生化组成和溶解有机化合物释放的后续变化可能对海洋生物地球化学循环具有重要意义。在能量明显受到限制时,利用能量收支计算预测环境条件变化对光合作用的影响与低光下实验观测结果吻合良好;但能量收支计算高估了高光NH4+条件下的响应,这可能是由于能量限制的缓解和/或高光时非活性PSII百分比的增加。综上所述,我们的研究表明能量收支计算模型为了解浮游植物能量代谢对环境变化的响应提供了重要的见解,并做出了合理的预测。