邱保勝課題組在藍藻適應鐵磷共同限制機理研究方面取得重要進展

華大在線訊（通訊員 李韌 朱瀟瀟）近日，學術期刊Nature Communications發表了我校生科院邱保勝教授課題組關于藍藻適應鐵磷共同限制的分子機理研究進展，論文題目為“Phosphorus deficiency alleviates iron limitation inSynechocystiscyanobacteria through direct PhoB-mediated gene regulation”。

鐵和磷是光合生物必需的兩種營養元素，參與了光合作用、呼吸作用、ATP合成等一系列重要生理代謝過程。在自然環境中，鐵和磷是限制浮游藻類生長和海洋初級生產力的關鍵因子，浮游藻類如何適應缺鐵或者缺磷環境一直是學術界普遍關注的科學問題。在低緯度海洋的大片區域以及許多淡水生態系統中，浮游藻類的生長往往受到更為復雜的鐵磷共同限制。由于這兩種營養元素在堿性或鈣質土壤中的生物利用性較低，導致鐵磷共同限制的現象在陸地生態系統中可能也普遍存在。揭示藍藻適應鐵磷共同限制環境的分子機制，可為深入理解藍藻在寡營養環境中廣泛分布的內在機理提供理論基礎。

圖1. PhoB介導的藍藻鐵磷共同限制適應機制模型

邱保勝教授課題組長期致力于藍藻的鐵吸收及缺鐵適應機制研究，近年來在相關研究領域取得了系列研究成果。2022年，課題組受邀在Trends in Microbiology發表了藍藻鐵吸收綜述論文，系統評述了藍藻在寡營養生境中高效吸收鐵元素的內在機制。在此基礎上，課題組以模式藍藻集胞藻PCC 6803為研究材料，發現缺磷可以減輕鐵限制對藍藻生長的抑制作用。進一步分析表明，一個響應缺磷的轉錄調控因子PhoB在藍藻適應鐵磷共同限制過程中發揮全局性的調控作用。在缺磷條件下，PhoB通過調控活性氧清除基因sodB的上調表達以減輕胞內的氧化脅迫，通過誘導鐵吸收基因slr1908的表達來促進對鐵元素的吸收。此外，課題組還利用生物信息學分析方法，對PhoB的調控靶標進行了全基因組范圍的解析，結合分子生物學實驗的驗證，證明PhoB還可以調節藍藻趨化和毒素分泌等相關過程，為缺鐵藍藻提供群體水平的競爭優勢。宏轉錄組數據分析表明，上述基因的表達豐度均在低磷環境中顯著上升，并且相應啟動子中均存在潛在的PhoB結合基序，暗示基于PhoB的鐵磷共同限制適應機制在不同藍藻類群中普遍存在。該研究為揭示藍藻如何應對多種營養元素的共同限制提供了新的思路，為揭示全球變化背景下磷限制加劇對初級生產力的影響提供了新的視角。

該工作得到了國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、中國博士后科學基金項目資助。課題組博士后邱國威為論文第一作者，博士生鄭文燦為共同第一作者，楊濠明、汪毓瑩、齊醒、黃炟、戴國政等人參與了該項研究，美國德克薩斯理工大學施華中教授和加拿大麥吉爾大學Neil M. Price教授對該工作有重要貢獻。邱保勝教授為論文通訊作者，華中師范大學為論文的第一完成單位。

論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48847-4

（審讀人：徐芬 謝波）