中科院武漢水生所、華盛頓大學(xué)、歐洲PSI公司（易科泰公司合作伙伴）合作，采用FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像技術(shù)及MC1000多通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為項(xiàng)圈藻異形胞中的藻膽蛋白含量對(duì)于固氮酶活性的影響提供了直接證據(jù)：適應(yīng)缺氮環(huán)境不一定需要藻膽蛋白降解；而藻膽蛋白含量高則有利于維持固氮酶活性，原因是藻膽蛋白能夠捕獲光能、從而為固氮作用提供更多的ATP。該研究結(jié)果于2021年12月發(fā)表于mBio雜志上。

固氮藍(lán)藻的異形胞在其絲狀體的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞鏈上間隔分布，固定大氣中的N₂。異形胞的固氮反應(yīng)耗能很高，關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)力是ATP；生成ATP的能量則來自光系統(tǒng)中以藻膽蛋白為主的天線色素復(fù)合體所捕獲的光能。營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中的藻膽蛋白在缺氮時(shí)降解、有氮時(shí)重新合成；但是異形胞中的藻膽蛋白的含量規(guī)律和功能至今尚無定論。本研究制作出項(xiàng)圈藻33047的突變株ΔnblA，該突變株在缺氮環(huán)境中藻膽蛋白不會(huì)降解所以可維持高含量。將其與野生株在加氮/缺氮條件下同時(shí)用不同光強(qiáng)培養(yǎng)，測(cè)量二者生長(zhǎng)速度、藻膽蛋白含量、環(huán)式電子傳遞等指標(biāo)變化，證實(shí)了本研究結(jié)論。

42℃恒溫、加氮和缺氮條件下、分別設(shè)置光強(qiáng)梯度培養(yǎng)項(xiàng)圈藻33047，自動(dòng)記錄各個(gè)樣品在特定光強(qiáng)下的生物量變化。全部工作使用MC1000 8通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成。（A）加氮，（B）缺氮。(藍(lán), 500; 綠, 1000; 黃, 1500; 紅, 2000μmol m^-2 s^-1)。

可見無論施氮與否，藻株生長(zhǎng)速度都很快，并且隨著光強(qiáng)的增加而增加。施氮藻株增長(zhǎng)速度受到抑制時(shí)（倍增時(shí)間為3.18±0.16h）的光強(qiáng)在1500-2000μmol m^-2 s^-1之間。小于500μmol m^-2 s^-1時(shí)加氮和缺氮藻株生長(zhǎng)速度都顯著受限。

缺氮培養(yǎng)時(shí)，突變株ΔnblA的異形胞和營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中始終保持大量的藻膽蛋白；野生株的異形胞和營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞中的藻膽蛋白都在缺氮時(shí)降解，加氮后營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞藻膽蛋白恢復(fù)，而異形胞中含量仍低。應(yīng)用FKM（Fluorescence Kinetic Microscope)多光譜顯微熒光動(dòng)態(tài)研究系統(tǒng)，不僅可對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行直觀的圖像觀察，并且能夠得到定量分析數(shù)據(jù)。

（A）野生株明視場(chǎng)圖像；（B）野生株藻膽蛋白成像；（C）突變株明視場(chǎng)圖像；（D）突變株藻膽蛋白成像。二者都在缺氮環(huán)境中培養(yǎng)。重新施氮后，野生株的異形胞藻膽蛋白含量未見恢復(fù)；而突變株異形胞藻膽蛋白含量不變，如箭頭所示。

（E）和（F）野生株和突變株的異形胞藻膽蛋白成像對(duì)比。（G）野生株和突變株的藻膽蛋白含量對(duì)比，后者是前者的8倍。

參考文獻(xiàn)：

Anindita Bandyopadhyay, Zi Ye, Zuzana Benedikty, Martin Trtilek, Himadri B. Pakrasi, Antenna Modification Leads to Enhanced Nitrogenase Activity in a High Light-Tolerant Cyanobacterium., [J] mBio., 2021 Volume 12 Issue 6 e03408-21

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