近日，華中師范大學(xué)邱保勝教授課題組在PNAS發(fā)表了題為Nocturnal hydration prepares desert cyanobacteria for dawn light harvesting by inducing phycoerythrin synthesis，發(fā)現(xiàn)了荒漠藍(lán)藻獨(dú)特的光合策略。

作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的先鋒拓殖生物，荒漠藍(lán)藻是生物土壤結(jié)皮形成與發(fā)育的關(guān)鍵基石，被譽(yù)為“荒漠生態(tài)系統(tǒng)工程師”，在荒漠化防治領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。有趣的是，荒漠藍(lán)藻具有極強(qiáng)的干旱適應(yīng)能力，表現(xiàn)出“干而不死”的耐干燥脫水特征。極端干旱缺水是荒漠生境最突出的生態(tài)特征，受生境水分晝夜變化規(guī)律驅(qū)動，荒漠藍(lán)藻通常依賴夜間非降雨型水分(露水等)輸入，短暫恢復(fù)生命活動；而隨著日出后地表溫度升高、光照增強(qiáng)，水分迅速散失，細(xì)胞又重新進(jìn)入脫水休眠狀態(tài)。也就是說，真正留給荒漠藍(lán)藻進(jìn)行光合作用的時間，往往只有黎明前后短短一瞬。如何抓住這稍縱即逝的“光水共存窗口”，搶在水分散失前完成高效光合固碳，是荒漠藍(lán)藻在極端環(huán)境中維持生存與延續(xù)生命的核心命題。盡管色適應(yīng)是藍(lán)藻通過動態(tài)調(diào)整藻膽體結(jié)構(gòu)來適應(yīng)弱光、優(yōu)化光能捕獲的重要進(jìn)化機(jī)制，但荒漠藍(lán)藻是否演化出適用于黎明弱光條件的特定色適應(yīng)策略，以應(yīng)對“光—水供給時間分離”的生存模式，仍是未解之謎。

前期研究已揭示，黎明紅光可作為關(guān)鍵的“環(huán)境預(yù)警信號”，促使荒漠藍(lán)藻提前為即將到來的干燥脫水做好準(zhǔn)備（Xu HF, et al. 2025. PNAS 122: e2502034122）。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，荒漠藍(lán)藻對光合作用的預(yù)先準(zhǔn)備啟動得更早，在夜間吸水后便已提前“備戰(zhàn)”黎明。具體而言，荒漠藍(lán)藻發(fā)菜能夠在夜間復(fù)水后啟動色適應(yīng)程序，誘導(dǎo)藻紅蛋白（phycoerythrin，PE）合成，從而優(yōu)化黎明階段的光合作用。研究表明，發(fā)菜基因組中的Sigma因子家族發(fā)生了顯著擴(kuò)張，其中sigB1基因缺失會導(dǎo)致PE合成受阻，首次確立了SigB1是調(diào)控PE合成所必需的關(guān)鍵色適應(yīng)因子。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SigB1與激活因子CpeR1協(xié)同介導(dǎo)色適應(yīng)過程，促進(jìn)富含PE的藻膽體組裝，增強(qiáng)藍(lán)藻在弱光條件下的光能捕獲能力。值得注意的是，盡管傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為色適應(yīng)主要受光質(zhì)調(diào)控，但本研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)菜中參與PE合成的相關(guān)基因在夜間復(fù)水后、黎明光照到來前即被大量誘導(dǎo)表達(dá)，表明夜間水分信號在這一過程中發(fā)揮了關(guān)鍵啟動作用。深入研究表明，位于SigB1/CpeR1調(diào)控通路上游的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Hrr1，會在藻細(xì)胞夜間吸水后被誘導(dǎo)表達(dá)，進(jìn)而激活sigB1/cpeR1，啟動PE合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。系統(tǒng)進(jìn)化分析進(jìn)一步顯示，Hrr1在藍(lán)藻中的分布與其耐干燥脫水能力呈正相關(guān)，提示其可能是藍(lán)藻適應(yīng)極端干旱生境的重要分子基礎(chǔ)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，SigB1受經(jīng)典色適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)RcaEFC調(diào)節(jié)，即夜間水分會“提前發(fā)令”啟動PE合成，而黎明紅光出現(xiàn)后又可“及時剎車”關(guān)閉該過程，使藍(lán)藻轉(zhuǎn)而為后續(xù)脫水做好準(zhǔn)備。Hrr1-SigB1由此構(gòu)成一套精密協(xié)調(diào)的調(diào)控機(jī)制，通過夜間復(fù)水觸發(fā)前瞻性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控程序，使荒漠藍(lán)藻能夠在極短暫的光水共存窗口期內(nèi)最大化光能捕獲效率。該研究加深了我們對耐干燥脫水光合生物如何響應(yīng)瞬時環(huán)境信號、動態(tài)優(yōu)化捕光裝置的理解，也為拓展植物弱光高效利用策略以及荒漠化防治提供了新的理論借鑒。

圖1. 夜間水分驅(qū)動藻紅蛋白預(yù)期性合成以備戰(zhàn)黎明光合作用

課題組博士生白揚(yáng)與徐海鋒副研究員為論文共同第一作者，李任涵、左艾偉、劉葛檐、張晉等研究生，以及戴國政教授、劉珂教授、于晨博士等參與了研究工作。同時，以色列希伯來大學(xué)Aaron Kaplan教授亦對該研究作出了重要貢獻(xiàn)。邱保勝教授和徐海鋒副研究員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。

該研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、面上項目與湖北洪山實驗室項目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2601363123