邱保勝課題組在休眠藍(lán)藻的復(fù)蘇機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展

華大在線訊（通訊員 李韌 朱瀟瀟）近日，我校生命科學(xué)學(xué)院邱保勝課題組在休眠藍(lán)藻光合復(fù)蘇機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)論文“Red-light-dependent chlorophyll synthesis kindles photosynthetic recovery of chlorotic dormant cyanobacteria using a dark-operative enzyme”在國(guó)際生物學(xué)綜合期刊Current Biology上發(fā)表。

10月7日，Current Biology期刊邀請(qǐng)德國(guó)圖賓根大學(xué)Sofía Doello博士和Karl Forchhammer教授，撰寫(xiě)評(píng)論文章“Microbial ecophysiology: Shedding light on the re-greening of chlorotic cyanobacteria”，亮點(diǎn)推介該成果。

休眠是生物適應(yīng)極端環(huán)境的一種古老而普遍的生存策略，如：微生物孢子或植物種子的休眠、復(fù)蘇生物的生理休眠、動(dòng)物冬眠。藍(lán)藻是地球上最古老的光合放氧生物，廣泛分布于地球上的各個(gè)角落，具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，在全球碳氮循環(huán)中發(fā)揮重要作用。由于生物的高效利用，自然水體中的氮等營(yíng)養(yǎng)元素含量常常呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化，從而引起各種水生植物的時(shí)空演替。藍(lán)藻可在氮素營(yíng)養(yǎng)缺乏的環(huán)境下，其營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞以黃化休眠的狀態(tài)長(zhǎng)期存活。此時(shí)，藍(lán)藻葉綠素降解、類(lèi)囊體膜片層消失、光合功能喪失。同時(shí)，胞內(nèi)糖原累積、細(xì)胞密度增大、生理活動(dòng)幾乎停滯，逐漸沉入水底，靜待氮素營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充后的生理復(fù)蘇。這些休眠細(xì)胞可作為水體中藍(lán)藻演替的“種子庫(kù)”，猶如《格林童話》中的睡美人，因而被形象地稱(chēng)作“微生物睡美人（Microbial Sleeping Beauty）”。

光合機(jī)構(gòu)的“再造”是休眠藍(lán)藻細(xì)胞成功復(fù)蘇的關(guān)鍵過(guò)程，其中光合作用的生物發(fā)生與調(diào)控機(jī)制有許多未解之謎。該研究發(fā)現(xiàn)，在模擬淺水湖泊底部弱光條件下，缺氮休眠藍(lán)藻的復(fù)蘇效率具有光質(zhì)偏好性，紅光是休眠藍(lán)藻成功復(fù)蘇所必需的。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，紅光能顯著促進(jìn)非光依賴(lài)性原葉綠素酸酯還原酶（DPOR）的表達(dá)，敲除DPOR亞基ChlL后藍(lán)藻喪失弱紅光下的休眠復(fù)蘇能力，首次證明了DPOR在藍(lán)藻復(fù)蘇過(guò)程中的重要生物學(xué)功能。進(jìn)一步通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子篩選、轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子的結(jié)合及活性區(qū)域分析，證實(shí)轉(zhuǎn)錄因子RpaB在調(diào)控chlL基因的表達(dá)與決定藍(lán)藻成功復(fù)蘇過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用。

DPOR起源于早期地球無(wú)氧環(huán)境，由類(lèi)固氮酶演化而來(lái)，在藍(lán)藻和一些植物中與光依賴(lài)性原葉綠素內(nèi)酯還原酶（LPOR）共同參與葉綠素的合成。LPOR則存在于所有有氧光合生物中，被公認(rèn)為光合作用生物發(fā)生的早期開(kāi)關(guān)。迄今為止，關(guān)于DPOR的生物學(xué)功能認(rèn)識(shí)還很有限。本研究揭示了古老的DPOR對(duì)于藍(lán)藻光合復(fù)蘇過(guò)程中葉綠素的逐步積累十分關(guān)鍵，在弱紅光的誘導(dǎo)下，DPOR催化葉綠素的合成猶如光合復(fù)蘇的“星星之火”， 可以“燎原”細(xì)胞去黃化的光合作用復(fù)蘇之勢(shì)。該結(jié)果不僅為植物中DPOR的生物學(xué)功能提供了新的認(rèn)識(shí)，也有助于我們更好地了解環(huán)境變化條件下光合機(jī)構(gòu)的生物發(fā)生與調(diào)控機(jī)制。

該工作得到國(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)目與湖北洪山實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。徐海鋒副研究員為論文第一作者，博士生于晨和白揚(yáng)為共同第一作者，左艾偉、葉映彤、劉艷如等碩士研究生，以及已畢業(yè)博士研究生李政科等人均參與了該項(xiàng)研究，悉尼大學(xué)陳敏教授對(duì)該工作亦有重要貢獻(xiàn)。邱保勝教授和戴國(guó)政副教授為論文共同通訊作者，華中師范大學(xué)為論文的第一完成單位。

（審讀人：徐芬 萬(wàn)翠紅）