摘要
蓝藻是全球初级生产力的重要贡献者，其每年固定的二氧化碳约占全球光合固碳总量的四分之一，在地球碳氮循环中发挥着重要作用。然而在地球上的很多海域内，蓝藻的生长普遍受到了营养元素缺乏的限制，其中，铁和磷是最受关注的限制因子。在过去的几十年里，蓝藻对缺铁和缺磷的适应机制得到了广泛研究，但是这些研究往往来自单因素实验。最新研究表明，在自然环境中，蓝藻的生长受到更加复杂的铁磷共限制，然而当前研究对蓝藻铁磷共限制适应机制的认识十分有限。本研究拟以模式蓝藻集胞藻PCC6803为材料，利用生理学、生物化学以及分子生物学的方法，并结合单细胞技术手段，对蓝藻的铁磷共限制适应机制展开研究，并取得了以下主要研究结果。 1、集胞藻PCC6803缺磷生理表型的分析。为了探索缺磷培养条件，本研究对不同磷浓度条件下集胞藻PCC6803的生理表型进行了系统性分析，发现缺磷条件下藻株的生长速率、光合电子传递速率、光系统活性均会明显下降。其中，PSI活性与磷浓度呈正相关性，其最大光化学效率随磷浓度的下降而降低。Western blot的结果显示缺磷样品的光系统核心亚基蛋白含量并未发生下降，其最大光化学效率的降低可能是由于缺磷条件下NADPH/NADP+比例上升，PSI传递电子受阻所致。本部分研究揭示了缺磷对光合电子传递的影响，也为后续实验揭示蓝藻铁磷共限制适应机制打下基础。 2、集胞藻PCC6803铁磷共限制条件下生理表型的分析。通过不同铁、磷浓度条件下藻株的生理表型分析，发现铁磷共限制条件下集胞藻的生长速率较缺铁条件显著上升，共限制蓝藻的叶绿素a含量、光合电子传递速率也都明显升高。但在低磷浓度(1.75μM)条件下缺磷促进铁限制蓝藻生长的现象消失，细胞主要受到缺磷影响。在单细胞水平上，在重新获得营养元素以后，铁磷共限制集胞藻的恢复速率较缺铁样品明显变慢，但可恢复细胞的比例并未发生改变。微分干涉显微镜分析显示缺铁条件下集胞藻的周期会受到影响，而缺铁同时缺磷会缓解这一效应。上述实验充分证明缺磷减轻蓝藻缺铁效应这一现象在蓝藻中普遍存在，以模式蓝藻—集胞藻PCC6803为材料，将为研究铁磷共限制适应机制提供便利。 3、缺磷减轻集胞藻缺铁效应的机制研究。本章综合利用分子生物学与细胞生物学技术，对集胞藻PCC6803的铁磷共限制适应机制展开研究。发现铁磷共限制条件下藻株的光合活性虽然显著上升，但光系统亚基蛋白并未发生明显变化。进一步分析发现，铁磷共限制条件下胞内活性氧含量显著下降，这一发现与铁磷共限制条件下sodB和mrgA的转录上调相符。生理表型分析显示，缺铁条件下集胞藻对超氧阴离子胁迫非常敏感，而铁磷共限制条件下SOD活性的上升可显著增强缺铁蓝藻的超氧阴离子耐受能力。酵母单杂交实验显示sodB和mrgA的表达受同一个转录因子RpaB的调控，而它们的上调可能是受到缺磷的诱导。这种活性氧清除能力的增强对蓝藻在缺铁条件下的生存至关重要。 本研究鉴定了一种全新的铁磷共限制的适应机制，相关蛋白在不同蓝藻类群中广泛分布，说明该机制可能在蓝藻适应铁磷共限制环境中发挥普遍性作用。这为揭示蓝藻如何在铁磷共限制环境中维持快速的生长及固氮速率提供了理论基础。
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