近日，维多利亚老品牌vic3308近海海洋环境科学国家重点实验室史大林教授团队在原绿球藻的生长和光合系统组成对铁和光变化的响应方面取得新的研究进展，相关成果以“Extreme plasticity in the photosystem composition of a low-light Prochlorococcus ecotype in response to iron and light”为题发表于Limnology and Oceanography Letters.
原绿球藻（Prochlorococcus）是全球寡营养海区丰度最高的光合自养生物，对初级生产具有重要贡献。其中，低光适应型原绿球藻对光强变化的适应能力较强，广泛分布于不同水层，且在叶绿素最大层（DCM）附近具有较高丰度。浮游植物光合系统中含有大量的铁原子，因而光照强度的变化可通过调控光合作用进而影响藻细胞对铁的需求。已有的研究表明，由于DCM的光强和铁浓度极低，生活在该水层的浮游植物可能受到光和铁的共同限制。然而，低光适应型原绿球藻的生理过程如何响应光强变化和铁限制，以适应并分布在包括DCM的不同水层，仍有待充分了解。
针对上述科学问题，研究团队选取低光适应型原绿球藻NATL1A作为研究对象，开展了一系列光照强度和铁营养盐浓度耦合变化的洁净室内受控培养实验，并测定了NATL1A的生长速率、细胞Fe:C比值、铁吸收速率、含铁光合蛋白含量和相关基因的转录水平。
结果显示，原绿球藻NATL1A可在极低的光强（15 μmol photons m-2 s-1，低于1%正午光强）和铁浓度（~ 1 pM Fe’）下生存（图1a）。此外，原绿球藻NATL1A的生长速率随着铁浓度的降低而降低，这一效应受光照强度的影响，即在高光抑制下细胞受到铁限制时，其生长速率降低幅度更为显著(图1a)。导致光抑制效应的原因主要有两个方面：（1）相较于最适光，光抑制时细胞的铁吸收速率降低（图1c），进而导致细胞Fe:C比值降低（图1b）；（2）支持生长所需的细胞Fe:C随着光强的增加而增加，即光抑制时胞内铁需求增加（图1d）。
图1. 原绿球藻NATL1A在不同光照强度和铁营养盐浓度下的生长速率（a）、细胞Fe:C比值（b）、铁吸收速率（c）和细胞铁需求(d)
其中，蓝色圆点为光限制 （低光，15 μmol photons m-2 s-1），绿色圆点为最适光（30 μmol photons m-2 s-1），红色圆点为光抑制（高光，130 μmol photons m-2 s-1）。
对不同光、铁条件下原绿球藻NATL1A的光合系统Ⅱ（PSⅡ）和光合系统Ⅰ（PSⅠ）的标志性含铁光合蛋白PsbA和PsaC含量的测定发现，PSII:PSI比值的变化幅度高达23倍（图2）。这是迄今为止浮游植物中已发现的最大变化，远高于在不同光铁条件下聚球藻（3倍）和海洋硅藻（7倍）的PSII:PSI比值变化幅度，表明原绿球藻NATL1A的光合系统组成具有极强的可塑性。这种高度可变的PSII:PSI比值有利于电子传递链不同组分之间电子流的变化，可能是原绿球藻NATL1A能够适应光和铁广泛变化的环境并能够在寡营养海区广泛分布和生存的原因。
图2. 原绿球藻NATL1A中归一化到细胞碳量的PsbA蛋白（a，b）、PsaC蛋白（c，d）含量和PSII:PSI比值（e，f）。
条形图代表不同的光强（LL，低光；ML，最适光；HL，高光）和铁浓度（HFe，铁充分，26–31 pM Fe’；LFe，铁限制，LL的Fe’浓度为1.34 pM，ML的Fe’浓度为1.48 pM，HL的Fe’浓度为3.31 pM）。不同字母表示处理间差异显著（p < 0.05）。
本研究表明，低光适应型原绿球藻NATL1A能够在极低的光和铁条件下生存，也能够通过自身灵活变化的光合系统组成以适应随深度和垂直混合变化的光照条件和铁营养盐水平。该研究发现强调了具有强可塑性的光合系统在区分原绿球藻生态型，进而在影响其相对分布中可能存在的重要作用。
该论文共同第一作者为维多利亚老品牌vic3308博士生张昕和美国北卡罗来纳大学William G. Sunda教授，通讯作者为维多利亚老品牌vic3308史大林教授和洪海征教授。该研究得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大计划集成项目和共享航次计划项目、“111”计划以及科学探索奖等的联合资助。
X. Zhang, W. G. Sunda, H. Hong*, D. Shi* 2024. Extreme plasticity in the photosystem composition of a low-light Prochlorococcus ecotype in response to iron and light. Limnol. Oceanogr. Lett.
https://doi.org/10.1002/lol2.10441
