邱保勝課題組在藍(lán)藻適應(yīng)鐵磷共同限制機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展

華大在線訊（通訊員 李韌 朱瀟瀟）近日，學(xué)術(shù)期刊Nature Communications發(fā)表了我校生科院邱保勝教授課題組關(guān)于藍(lán)藻適應(yīng)鐵磷共同限制的分子機(jī)理研究進(jìn)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(yíng)養(yǎng)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(guò)程。在自然環(huán)境中，鐵和磷是限制浮游藻類生長(zhǎng)和海洋初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因子，浮游藻類如何適應(yīng)缺鐵或者缺磷環(huán)境一直是學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。在低緯度海洋的大片區(qū)域以及許多淡水生態(tài)系統(tǒng)中，浮游藻類的生長(zhǎng)往往受到更為復(fù)雜的鐵磷共同限制。由于這兩種營(yíng)養(yǎng)元素在堿性或鈣質(zhì)土壤中的生物利用性較低，導(dǎo)致鐵磷共同限制的現(xiàn)象在陸地生態(tài)系統(tǒng)中可能也普遍存在。揭示藍(lán)藻適應(yīng)鐵磷共同限制環(huán)境的分子機(jī)制，可為深入理解藍(lán)藻在寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中廣泛分布的內(nèi)在機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

圖1. PhoB介導(dǎo)的藍(lán)藻鐵磷共同限制適應(yīng)機(jī)制模型

邱保勝教授課題組長(zhǎng)期致力于藍(lán)藻的鐵吸收及缺鐵適應(yīng)機(jī)制研究，近年來(lái)在相關(guān)研究領(lǐng)域取得了系列研究成果。2022年，課題組受邀在Trends in Microbiology發(fā)表了藍(lán)藻鐵吸收綜述論文，系統(tǒng)評(píng)述了藍(lán)藻在寡營(yíng)養(yǎng)生境中高效吸收鐵元素的內(nèi)在機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，課題組以模式藍(lán)藻集胞藻PCC 6803為研究材料，發(fā)現(xiàn)缺磷可以減輕鐵限制對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)的抑制作用。進(jìn)一步分析表明，一個(gè)響應(yīng)缺磷的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子PhoB在藍(lán)藻適應(yīng)鐵磷共同限制過(guò)程中發(fā)揮全局性的調(diào)控作用。在缺磷條件下，PhoB通過(guò)調(diào)控活性氧清除基因sodB的上調(diào)表達(dá)以減輕胞內(nèi)的氧化脅迫，通過(guò)誘導(dǎo)鐵吸收基因slr1908的表達(dá)來(lái)促進(jìn)對(duì)鐵元素的吸收。此外，課題組還利用生物信息學(xué)分析方法，對(duì)PhoB的調(diào)控靶標(biāo)進(jìn)行了全基因組范圍的解析，結(jié)合分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證明PhoB還可以調(diào)節(jié)藍(lán)藻趨化和毒素分泌等相關(guān)過(guò)程，為缺鐵藍(lán)藻提供群體水平的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析表明，上述基因的表達(dá)豐度均在低磷環(huán)境中顯著上升，并且相應(yīng)啟動(dòng)子中均存在潛在的PhoB結(jié)合基序，暗示基于PhoB的鐵磷共同限制適應(yīng)機(jī)制在不同藍(lán)藻類群中普遍存在。該研究為揭示藍(lán)藻如何應(yīng)對(duì)多種營(yíng)養(yǎng)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(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的影響提供了新的視角。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目資助。課題組博士后邱國(guó)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(guó)政等人參與了該項(xiàng)研究，美國(guó)德克薩斯理工大學(xué)施華中教授和加拿大麥吉爾大學(xué)Neil M. Price教授對(duì)該工作有重要貢獻(xiàn)。邱保勝教授為論文通訊作者，華中師范大學(xué)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）