PNAS｜華中師范大學邱保勝團隊揭示荒漠藍藻獨特的光合策略——“暗夜蓄力奪晨光”

近日，華中師范大學邱保勝教授課題組在PNAS發表了題為Nocturnal hydration prepares desert cyanobacteria for dawn light harvesting by inducing phycoerythrin synthesis，發現了荒漠藍藻獨特的光合策略。

作為荒漠生態系統中的先鋒拓殖生物，荒漠藍藻是生物土壤結皮形成與發育的關鍵基石，被譽為“荒漠生態系統工程師”，在荒漠化防治領域具有廣闊的應用前景。有趣的是，荒漠藍藻具有極強的干旱適應能力，表現出“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特征，受生境水分晝夜變化規律驅動，荒漠藍藻通常依賴夜間非降雨型水分(露水等)輸入，短暫恢復生命活動；而隨著日出后地表溫度升高、光照增強，水分迅速散失，細胞又重新進入脫水休眠狀態。也就是說，真正留給荒漠藍藻進行光合作用的時間，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，是荒漠藍藻在極端環境中維持生存與延續生命的核心命題。盡管色適應是藍藻通過動態調整藻膽體結構來適應弱光、優化光能捕獲的重要進化機制，但荒漠藍藻是否演化出適用于黎明弱光條件的特定色適應策略，以應對“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，黎明紅光可作為關鍵的“環境預警信號”，促使荒漠藍藻提前為即將到來的干燥脫水做好準備（Xu HF, et al. 2025. PNAS 122: e2502034122）。本研究進一步發現，荒漠藍藻對光合作用的預先準備啟動得更早，在夜間吸水后便已提前“備戰”黎明。具體而言，荒漠藍藻發菜能夠在夜間復水后啟動色適應程序，誘導藻紅蛋白（phycoerythrin，PE）合成，從而優化黎明階段的光合作用。研究表明，發菜基因組中的Sigma因子家族發生了顯著擴張，其中sigB1基因缺失會導致PE合成受阻，首次確立了SigB1是調控PE合成所必需的關鍵色適應因子。進一步研究發現，SigB1與激活因子CpeR1協同介導色適應過程，促進富含PE的藻膽體組裝，增強藍藻在弱光條件下的光能捕獲能力。值得注意的是，盡管傳統觀點認為色適應主要受光質調控，但本研究發現，發菜中參與PE合成的相關基因在夜間復水后、黎明光照到來前即被大量誘導表達，表明夜間水分信號在這一過程中發揮了關鍵啟動作用。深入研究表明，位于SigB1/CpeR1調控通路上游的關鍵轉錄因子Hrr1，會在藻細胞夜間吸水后被誘導表達，進而激活sigB1/cpeR1，啟動PE合成相關基因的轉錄。系統進化分析進一步顯示，Hrr1在藍藻中的分布與其耐干燥脫水能力呈正相關，提示其可能是藍藻適應極端干旱生境的重要分子基礎。此外，研究還發現，SigB1受經典色適應調控系統RcaEFC調節，即夜間水分會“提前發令”啟動PE合成，而黎明紅光出現后又可“及時剎車”關閉該過程，使藍藻轉而為后續脫水做好準備。Hrr1-SigB1由此構成一套精密協調的調控機制，通過夜間復水觸發前瞻性的轉錄調控程序，使荒漠藍藻能夠在極短暫的光水共存窗口期內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瞬時環境信號、動態優化捕光裝置的理解，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. 夜間水分驅動藻紅蛋白預期性合成以備戰黎明光合作用

課題組博士生白揚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Aaron Kaplan教授亦對該研究作出了重要貢獻。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.2601363123