近日，华中师范大学生命科学学院邱保胜课题组在休眠蓝藻光合复苏机制研究方面取得新进展，相关论文“Red-light-dependent chlorophyll synthesis kindles photosynthetic recovery of chlorotic dormant cyanobacteria using a dark-operative enzyme” 在国际生物学综合期刊Current Biology上发表。

休眠是生物适应极端环境的一种古老而普遍的生存策略，如：微生物孢子或植物种子的休眠、复苏生物的生理休眠、动物冬眠。蓝藻是地球上最古老的光合放氧生物，广泛分布于地球上的各个角落，具有极强的环境适应性，在全球碳氮循环中发挥重要作用。由于生物的高效利用，自然水体中的氮等营养元素含量常常呈现出波动性变化，从而引起各种水生植物的时空演替。蓝藻可在氮素营养缺乏的环境下，其营养细胞以黄化休眠的状态长期存活。此时，蓝藻叶绿素降解、类囊体膜片层消失、光合功能丧失。同时，胞内糖原累积、细胞密度增大、生理活动几乎停滞，逐渐沉入水底，静待氮素营养补充后的生理复苏。这些休眠细胞可作为水体中蓝藻演替的“种子库”，犹如《格林童话》中的睡美人，因而被形象地称作“微生物睡美人（Microbial Sleeping Beauty）”。

光合机构的“再造”是休眠蓝藻细胞成功复苏的关键过程，其中光合作用的生物发生与调控机制有许多未解之谜。该研究发现，在模拟浅水湖泊底部弱光条件下，缺氮休眠蓝藻的复苏效率具有光质偏好性，红光是休眠蓝藻成功复苏所必需的。转录组分析发现，红光能显著促进非光依赖性原叶绿素酸酯还原酶（DPOR）的表达，敲除DPOR亚基ChlL后蓝藻丧失弱红光下的休眠复苏能力，首次证明了DPOR在蓝藻复苏过程中的重要生物学功能。进一步通过转录因子筛选、转录因子与启动子的结合及活性区域分析，证实转录因子RpaB在调控chlL基因的表达与决定蓝藻成功复苏过程中发挥关键调控作用。

DPOR起源于早期地球无氧环境，由类固氮酶演化而来，在蓝藻和一些植物中与光依赖性原叶绿素内酯还原酶（LPOR）共同参与叶绿素的合成。LPOR则存在于所有有氧光合生物中，被公认为光合作用生物发生的早期开关。迄今为止，关于DPOR的生物学功能认识还很有限。本研究揭示了古老的DPOR对于蓝藻光合复苏过程中叶绿素的逐步积累十分关键，在弱红光的诱导下，DPOR催化叶绿素的合成犹如光合复苏的“星星之火”， 可以“燎原”细胞去黄化的光合作用复苏之势。该结果不仅为植物中DPOR的生物学功能提供了新的认识，也有助于我们更好地了解环境变化条件下光合机构的生物发生与调控机制。

图 1. 红光诱导DPOR表达并启动蓝藻光合复苏的作用模式

该工作得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目与湖北洪山实验室项目的资助。徐海锋副研究员为论文第一作者，博士生于晨和白扬为共同第一作者，左艾伟、叶映彤、刘艳如等硕士研究生，以及已毕业博士研究生李政科等人均参与了该项研究，悉尼大学陈敏教授对该工作亦有重要贡献。邱保胜教授和戴国政副教授为论文共同通讯作者，华中师范大学为论文的第一完成单位。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.07.083