氮和铁是浮游植物生长和代谢所必需的营养元素,在海洋生物地球化学循环中发挥着重要作用。研究表明,在海洋表层水体中,初级生产力广泛受到氮和铁生物可利用性的限制。束毛藻作为海洋中生物量最大的固氮蓝藻,为海洋食物网提供“新”的氮源,驱动着海洋新初级生产力（New primary production）,在海洋氮循环中扮演重要角色。聚球藻是全球海洋中分布最广泛的蓝藻种群之一,贡献了超过20%的生物固碳,在海洋碳元素的生物地球化学循环中作用巨大。有些聚球藻还能在海洋中分泌铁载体,缓解其受到的铁胁迫。这两类具有重要生态学意义的蓝藻类群在海洋生境中是否能对氮和铁的利用实现“合作共赢”,尚未得到广泛研究。为了更好地了解这两大蓝藻类群如何适应海洋氮限制和铁限制,本研究以海洋束毛藻（Trichodesmium erythraeum IMS101）和海洋聚球藻（Synechococcus sp.PCC 7002）为实验材料,探索二者对氮和铁的利用以及潜在互作,得到的主要研究结果如下:1、束毛藻胞外分泌氮的特点及其对不同氮源的利用偏好。本研究首先测定了束毛藻胞外分泌液中的氮含量以及组成,发现束毛藻胞外分泌的氮以溶解性有机氮（DON）为主,其中氨基酸、蛋白质等是主要形式,尿素约占DON总量的20%。此外,发现束毛藻除了可以通过生物固氮获得氮源,还能直接利用水体中的硝酸盐、铵盐等无机氮源,偏好性从高到低是尿素＞硝酸盐,铵盐。束毛藻固氮酶基因（nifH）表达的结果表明,尿素培养下的束毛藻生长状况最佳,固氮酶的抑制程度最低。2、聚球藻缺氮生理特征及对束毛藻分泌氮的利用策略。为探究束毛藻分泌的氮能否被其它非固氮蓝藻所利用,我们首先研究了聚球藻PCC 7002的缺氮生理特征,结果发现该藻株在缺氮过程中存在休眠现象,向其中添加氮后,能恢复正常生理状态。在此基础上,进一步探究了聚球藻PCC 7002对不同氮的吸收偏好性,发现该藻株对尿素的利用效率高于硝酸盐和铵盐,与束毛藻对这三种不同氮源的利用偏好性一致。缺氮休眠的聚球藻在添加束毛藻胞外分泌液之后,其缺氮症状得到了缓解,这一结果证明了束毛藻释放的氮对聚球藻的缺氮生长具有促进作用。为了揭示聚球藻利用束毛藻的氮类型,采用不能利用某种氮形式（硝酸盐、铵盐、尿素）的聚球藻突变株进行深入分析。本实验成功获得了 3株不能利用尿素的突变株:Mut-A1319、Mut-A2437和Mut-A0139,结果表明尿素利用缺失突变株Mut-A1319在添加束毛藻胞外氮时,可以恢复生长,但是恢复生长的程度不如野生型。该结果意味着尿素是聚球藻能从束毛藻滤液中获取的一种氮源,同时束毛藻滤液中的其他氮对聚球藻的缺氮生长也具有促进作用。3、低铁条件下束毛藻的生理特征及其与聚球藻的互作。为了揭示束毛藻是否能利用聚球藻分泌的铁载体,以适应海洋低铁环境,我们首先探究了束毛藻在低铁条件下的生理特征,然后向长期低铁的束毛藻培养体系中（注:海洋束毛藻不是纯种,附含异养细菌）分别添加聚球藻PCC 7002野生型和不能合成铁载体的突变株（Mut-G0023-25）的分泌液,分析了它们的生理响应、微生物群落组成以及转录水平变化。通过一系列生理参数、宏基因组和转录组分析发现,低铁培养的束毛藻在添加聚球藻分泌液之后,其生长明显差于对照组,这表明聚球藻释放的铁载体并不会对束毛藻有促进作用,反而使其受到了抑制,相反提高了一些能利用铁载体的异养细菌丰度。而聚球藻野生型与Mut-G0023-25突变株对束毛藻的抑制效果没有明显差异,说明滤液中有无铁载体不是主要原因。本研究初步揭示了海洋主要固氮蓝藻和固碳蓝藻对氮和铁竞争或协同利用的特点以及潜在互作,为认识营养盐限制对海洋初级生产力的调控作用提供了科学依据。首次利用实验室互作培养实验证明了束毛藻分泌的氮可以为非固氮蓝藻——海洋聚球藻所利用,为束毛藻与聚球藻对于氮利用具有互作关系提供了实验证据。与此同时,发现束毛藻与聚球藻对铁源的利用可能存在竞争关系。