荒漠藍藻作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的先鋒拓殖生物，在荒漠化防治方面應(yīng)用前景廣闊。有趣的是，荒漠藍藻極度耐受干燥脫水，它的營養(yǎng)細胞呈現(xiàn)出“干而不死”的典型生命特征。相比其他生態(tài)系統(tǒng)中的近緣物種，荒漠藍藻在長期演化過程中形成了一系列獨特的預(yù)測感知、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細胞響應(yīng)機制，使其能夠在惡劣的干旱環(huán)境下生存與繁衍。在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，非降雨型水分（如露水）的獲取和散失遵循晝夜節(jié)律，荒漠藍藻的生命活動也隨之分為四個階段：夜間吸收露水、黎明進行光合作用、清晨脫水干燥、白天進入生理休眠。然而，在干旱環(huán)境中，若等到水分完全散失后才采取應(yīng)對措施，往往為時已晚。因此，荒漠藍藻需要具備強大的“環(huán)境預(yù)測”能力，感知外界信號并預(yù)判未來趨勢，以提前調(diào)整代謝狀態(tài)，提升自身的抗逆生存能力。這種“未卜先知”的生存策略對于荒漠藍藻至關(guān)重要，但其分子機制長期以來仍是未解之謎。
近日，華中師范大學生命科學學院邱保勝教授團隊在PNAS上發(fā)表了題為Red-light signaling pathway activates desert cyanobacteria to prepare for desiccation tolerace的研究論文，揭示了紅光信號通路調(diào)控藍藻適應(yīng)干旱環(huán)境的機制。
該研究發(fā)現(xiàn)，黎明時的紅光可作為關(guān)鍵的“環(huán)境預(yù)警信號”，觸發(fā)荒漠藍藻為即將到來的干燥脫水提前做好準備。實驗結(jié)果表明，在黎明紅光刺激下，光合作用相關(guān)基因（如psbAs和ftsH2）顯著上調(diào)表達，并受到轉(zhuǎn)錄因子NfSrr1的正向調(diào)控。同時，鑒定到紅光感受器NfPixJ與NfSrr1形成信號模塊，共同介導(dǎo)紅光信號傳導(dǎo)（圖1）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，NfPixJ-NfSrr1信號通路不僅調(diào)控光系統(tǒng)II的修復(fù)，還控制海藻糖和蔗糖等保護性兼容溶質(zhì)的合成，幫助荒漠藍藻細胞維持滲透平衡（圖1）。這表明，紅光作為一種全局性環(huán)境信號，在荒漠藍藻耐干燥脫水中發(fā)揮核心調(diào)控作用。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，該紅光信號通路的存在與藍藻適應(yīng)干旱環(huán)境的能力密切相關(guān)，它可使藍藻細胞在黎明時感受到紅光信號，提前激活耐干燥脫水機制，為水分散失做好準備，確保在極端環(huán)境中更具生存優(yōu)勢。這一發(fā)現(xiàn)不僅為光誘導(dǎo)的脅迫耐受預(yù)適應(yīng)機制提供了新的生物學視角，也拓展了我們對光合生物環(huán)境適應(yīng)策略的認知，同時也為荒漠化治理以及光控生物技術(shù)提供了新的研究思路。
圖1. 紅光信號觸發(fā)“預(yù)期保護反應(yīng)”增強荒漠藍藻的耐干燥脫水能力
徐海鋒副研究員為論文第一作者，實驗室李任涵、白揚、左艾偉、趙蕾、崔樹仁等研究生，以及戴國政教授、尚金龍博士、馮桂芳副研究員等參與了研究工作。同時，華中農(nóng)業(yè)大學端木德強教授、以色列希伯來大學Aaron Kaplan教授亦對該研究作出了重要貢獻。邱保勝教授為論文通訊作者，華中師范大學為論文的第一完成單位。該研究得到國家自然科學基金重點項目、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.2502034122
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