海洋硅藻應(yīng)對低鐵脅迫的研究綜述

王瑤　單曉慧　徐晨　胡雅婷　李楠

摘要? ? 硅藻在海洋中分布廣泛，適應(yīng)于多種生長環(huán)境。本文對海洋硅藻應(yīng)對低鐵脅迫的策略進(jìn)行綜述，以期為研究海洋藻類在低鐵環(huán)境下的生理代謝狀態(tài)提供參考。

關(guān)鍵詞? ? 海洋硅藻;低鐵脅迫;應(yīng)對策略

中圖分類號? ? S917? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）15-0183-02

Review? on? Response? of? Marine? Diatoms? to? Low? Iron? Stress

WANG Yao? ? SHAN Xiao-hui? ? XU Chen? ? HU Ya-ting? ? LI Nan *

（School of Life and Environmental Sciences，Wenzhou University，Wenzhou Zhejiang 325035）

Abstract? ? Diatoms are widely distributed in the ocean and adapt to a variety of extreme environments.In this paper，the research progress on the response strategies of marine diatoms to the low iron stress was reviewed，so as to provide reference for studying the physiological and metabolic status of marine algae under low iron environment.

Key words? ? marine diatom;low iron stress;response strategy

鐵是所有生物體必需的微量營養(yǎng)元素，在地殼中含量豐富，在原核生物和真核生物的生命活動中具有不可替代的功能。在限制浮游植物生長速度、生物量以及海洋中浮游植物群落構(gòu)建方面，鐵發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，特別是在高營養(yǎng)鹽、低葉綠素（High-nitrate and low-chlorophylla，HNLC）海域[1]。1988年，Martin和Fitzwater首次在HNLC海域進(jìn)行了鐵富集試驗，表明鐵脅迫是限制該海域初級生產(chǎn)力的重要因素之一[2]，并在1990年正式提出“鐵假說”[3]。硅藻參與地球上多種生理生化循環(huán)，包括碳循環(huán)、氮循環(huán)及可溶性硅酸鹽的循環(huán)利用等，占整個海洋環(huán)境初級生產(chǎn)力的30%～40%[4]。海洋硅藻具有很強(qiáng)的極端環(huán)境適應(yīng)能力，并能夠針對多種生物和非生物脅迫因素進(jìn)行相應(yīng)的生理調(diào)節(jié)，在鐵含量低的海域，也可維持一定的生理代謝活動，并在鐵富集后恢復(fù)到正常生理指標(biāo)范圍[5]。

1? ? 鐵對海洋硅藻的重要性

硅藻的生長高度依賴于海洋環(huán)境中鐵的生物可利用率，鐵含量的降低直接導(dǎo)致硅藻生長速率的下降[6]，同時也會使硅藻細(xì)胞過早進(jìn)入程序性死亡。鐵是大多數(shù)海洋浮游藻類細(xì)胞內(nèi)含量最多的微量金屬元素，超過50%的鐵位于光合系統(tǒng)內(nèi)[7]，主要集中在光反應(yīng)Ⅰ、光反應(yīng)Ⅱ和細(xì)胞色素b6/f[8]。硅藻細(xì)胞中，鐵參與多種酶反應(yīng)及代謝反應(yīng)：在光合反應(yīng)的電子傳遞鏈中，鐵是細(xì)胞色素和非血紅素鐵蛋白的重要組成元素[9];鐵在呼吸作用中作為電子載體，負(fù)責(zé)維持電子傳遞鏈的正常傳遞，協(xié)助細(xì)胞色素氧化酶及琥珀酸-Q還原酶等酶發(fā)揮正常的生理功能;同時，在三羧酸循環(huán)中的順烏頭酸酶等需要鐵元素才能發(fā)揮正常生理作用;鐵還參與到所有氮的氧化還原轉(zhuǎn)化過程中，對氮循環(huán)至關(guān)重要[10]。此外，鐵在硅藻細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)氨基酸飽和度、提高抗氧化能力和DNA合成中都具有十分重要的作用，鐵的含量也直接影響硅藻中生成色素的質(zhì)量和數(shù)量[11]。

2? ? 海洋硅藻應(yīng)對低鐵脅迫的策略

在自然界中，鐵元素是人們最早發(fā)現(xiàn)的微量元素，其存在形式眾多，如溶解態(tài)的二價鐵、三價鐵，膠體態(tài)的二價鐵、三價鐵以及顆粒態(tài)鐵，但只有溶解態(tài)的二價鐵離子和三價鐵離子才是生物可直接吸收利用的鐵元素[12]。在地球演化過程中，隨著氧氣濃度逐漸升高，海洋中大量二價鐵離子被氧化形成氫氧化鐵等不可溶解的聚合物形式，再加上海洋中生物、非生物顆粒物質(zhì)和膠體物質(zhì)對游離鐵的吸附和沉降[13]，都使得海洋中可利用的游離態(tài)鐵離子濃度大幅度降低，經(jīng)測定表層海水中鐵離子濃度小于0.5 nmol/L[14]。研究表明，海洋硅藻和多種真核藻類的生長較其他沿海物種更不容易受海洋中鐵元素脅迫的影響[15-16]，并隨著整體環(huán)境的不斷變化，海洋藻類也已進(jìn)化出多種不同的策略來應(yīng)對其可利用鐵元素的稀缺。

2.1? ? 上調(diào)與鐵相關(guān)基因的表達(dá)

在低鐵環(huán)境下，假微型海鏈藻（Thalassiosira pseudonana）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum Bohlin）中的三價鐵螯合還原酶（Ferric chelate reductase，F(xiàn)RE）顯著上調(diào)，利用血紅素從NADH轉(zhuǎn)移電子將不可直接利用的三價鐵還原成可以直接利用的溶解態(tài)的二價鐵[17-19]。上調(diào)銅-酪氨酸酶（Coppe-tyrosinase，TYR1）的表達(dá)量，增強(qiáng)對鐵離子的吸收和結(jié)合能力[20]。

此外，假微型海鏈藻還通過上調(diào)表達(dá)多銅氧化酶（Multi-copper ferroxidase，TpFET3）和2種鐵透性酶（Iron permeases，TpFTR1和TpFTR2）來提高對鐵的攝取[21]。硅藻細(xì)胞通過上調(diào)表達(dá)鐵結(jié)合域蛋白中的鐵饑餓誘導(dǎo)蛋白（Iron-starvation indeucedprotion，ISIP）以直接增強(qiáng)細(xì)胞對周圍鐵元素的富集能力[22]，鐵饑餓誘導(dǎo)蛋白首次在三角褐指藻中發(fā)現(xiàn)，后續(xù)也在大洋海鏈藻（Thalassiosira oceanica）和圓柱擬脆桿藻（Fragilariopsis cylindrus）中發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)構(gòu)的蛋白[23]。在三角褐指藻中存在與ZIP家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)相近的功能蛋白，負(fù)責(zé)協(xié)助細(xì)胞內(nèi)二價鐵離子的運(yùn)輸[18]。

Ryo Yoshinaga等[24]通過分析三角褐指藻中與鐵相關(guān)的20個基因的轉(zhuǎn)錄水平變化發(fā)現(xiàn)，其中有18個基因在低鐵脅迫下顯著上調(diào)，但各基因的上調(diào)反應(yīng)階段及作用時間各不相同。硅藻細(xì)胞在通過上調(diào)表達(dá)相關(guān)基因以獲得大量鐵元素時，也要避免高價鐵離子堆積產(chǎn)生對細(xì)胞的毒害作用。三角褐指藻通過上調(diào)線粒體交替氧化酶（Mitochondrial alternative oxidase，AOX）來緩解由鐵限制引起電子傳遞鏈損傷而產(chǎn)生的活性氧簇（Reactive oxygen species，ROS）對細(xì)胞的氧化損傷[25]。

2.2? ? 激活補(bǔ)償機(jī)制

在低鐵環(huán)境中，海洋藻類可以利用在代謝過程中不需鐵元素的蛋白質(zhì)等價物代替需鐵蛋白質(zhì)來降低對鐵的需求，如藍(lán)藻（Cyanobacteria）和綠藻（Chlorophyta）通過合成不含鐵的黃素氧還蛋白（Flavodoxin）代替鐵氧還原蛋白（Ferredoxin）來維持光合電子傳遞鏈[26]，對比在鐵富集和鐵限制條件下硅藻中黃素氧還蛋白和鐵氧還原蛋白的含量發(fā)現(xiàn)，多數(shù)硅藻都會采取這個策略來應(yīng)對低鐵的脅迫[27];大洋海鏈藻通過合成含銅的質(zhì)體藍(lán)素（Plastocyanin，PC）替代細(xì)胞色素c6（Cytochrome c6）作為細(xì)胞中細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物和光合系統(tǒng)之間的電子傳遞蛋白[28]。海洋硅藻主要是通過光合作用來獲得營養(yǎng)和能量，在環(huán)境中當(dāng)鐵含量不足以供應(yīng)光合作用時，硅藻細(xì)胞可以通過自身合成視紫紅質(zhì)（Proteorhodopsins，PR）來生成ATP用以維持正常的生理代謝活動[29]。

2.3? ? 其他應(yīng)對措施

硅藻可以通過調(diào)整光合反應(yīng)各階段中對鐵需要量不同的光合復(fù)合物的比例來減少整體對鐵含量的需求，如大洋海鏈藻減少在光合系統(tǒng)Ⅰ和細(xì)胞色素b6/f中分別需要12個和6個鐵原子的絡(luò)合物，增加在光合反應(yīng)Ⅱ中需2個鐵離子的絡(luò)合物，因而大洋海鏈藻中PSⅡ/PSⅠ為2∶1，而威氏海鏈藻（Thalassiosira weissflogii）中PSⅡ/PSⅠ為10∶1，與其相比，大洋海鏈藻僅需要1/10的鐵就可以維持正常的生理代謝活動[30]。

藍(lán)藻能通過細(xì)菌鐵蛋白（Bacterioferritin，Bfr）儲存從環(huán)境中獲得的鐵，防止細(xì)胞中的鐵與各種具有氧化活性能力的物質(zhì)反應(yīng)[31]。擬菱形藻（Pseudo-nitzschia）在環(huán)境中鐵含量豐富時利用鐵蛋白（Ferritins）儲存鐵，并在鐵稀缺時，合理控制體內(nèi)鐵的儲存和分布，減少氧化活性及氧化應(yīng)激對細(xì)胞的損傷[32]。擬菱形藻也可分泌一種與植物體內(nèi)的鐵載體麥根酸（Mugineic acid）結(jié)構(gòu)類似的軟骨藻酸（Domoic acid，DA），其可能促進(jìn)擬菱形藻從沿海海域的陸地沉積層中獲取鐵元素[33]。

海洋藻類也可以通過自身合成鐵載體類化合物并在其應(yīng)對低鐵脅迫時起到重要作用，1983年從海洋藻類中分離得到了第一個鐵載體Prorocentrin[34]。藍(lán)藻細(xì)胞刺激鐵載體螯合物的分泌和釋放，從而利用鐵載體從環(huán)境中螯合的三價鐵離子[35]。在三角褐指藻中存在一種與細(xì)菌中鐵色素結(jié)合蛋白（FhuD）同源的FBP基因，為其利用鐵-鐵載體復(fù)合物（Iron-siderophore complexes）獲得鐵提供了可能。FRE基因和FBP基因在該過程中可能起著重要的作用，作為協(xié)助還原鐵-鐵載體復(fù)合物或直接攝取該復(fù)合物來獲得鐵元素的關(guān)鍵酶[5]。

3? ? 結(jié)語

海洋硅藻應(yīng)對低鐵脅迫表現(xiàn)出顯著的耐受性，成為研究鐵限制海域下海洋浮游生物的典型模型。同時，隨著全基因組測序工作的不斷展開，結(jié)合生物信息學(xué)及多種科學(xué)研究技術(shù)，海洋硅藻在低鐵環(huán)境下的響應(yīng)機(jī)制將會陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，對海洋資源的開發(fā)和利用及海洋環(huán)境中新型穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)具有重要的意義。

4? ? 參考文獻(xiàn)

[1] MOORE J，DONEY S C，GLOVER D，et al.Iron cycling and nutrient-limitation patterns in surface waters of the world[J].Deep-Sea Research Part Ⅱ，2001，49（1）：463-507.

[2] MARTIN J H，F(xiàn)ITZWATER S E.Iron deficiency limits phytoplankton growth in the north-east Pacific subarctic[J].Nature，1988，331（6154）：341-343.

[3] MARTIN J H.Glacial interglacial CO2 change：the iron hypothesis[J].Paleoceanography，1990，5（1）：1-13.

[4] MAHESWARI U，JABBARI K，PETIT J L，et al.Digital expression profiling of novel diatom transcripts provides insight into their biological functions[J].Genome Biology，2010，11（8）：85.

[5] MORRISSEY J，BOWLER C.Iron utilization in marine Cyanobacteria and eukaryotic algae[J].Frontiers in Microbiology，2012，3（43）：43.

[6] SANDA W G，HUNTSMAN S A.Iron uptake and growth limitation in oceanic and coastal phytoplankton[J].Marine Chemistry，1995，50（50）：189-206.

[7] HO T Y，QUIGG A，F(xiàn)INKEL Z V，et al.The elemental composition of some marine phytoplankton[J].Journal of Phycology，2010，39（6）：1145-1159.

[8] HARRISON P J，STRZEPEK R F.Photosynthetic architecture differs in coastal and oceanic diatoms[J].Nature（London），2004，431（7009）：689-692.

[9] 李合生.現(xiàn)代植物生理學(xué)[M].3版.北京：高等教育出版社，2006.

[10] MOREL F M M.The Biogeochemical cycles of trace metals in the oceans[J].Science（Washington D C），2003，300（5621）：944-947.

[11] KOSAKOWSKA A，LEWANDOWSKA J，STON J，et al.Qualitative and quantitative composition of pigments in Phaeodactylum tricornutum（Bacillariophyceae）stressed by iron[J].Biometals，2004，17（1）：45-52.

[12] 袁征，祁建華，張曼平.海水中鐵的來源形態(tài)及其與浮游植物的相互關(guān)系[J].海洋湖沼通報，2003（4）：38-48.

[13] 劉樹文.海洋聚球藻對鐵限制的生理響應(yīng)[D].武漢：華中師范大學(xué)，2012.

[14] DESAI D K，DESAI F D，LAROCHE J.Factors influencing the diversity of iron uptake systems in aquatic microorganisms[J].Frontiers in Micr-obiology，2012，3：362.

[15] 羅春墡.短期鐵限制條件下假微型海鏈藻細(xì)胞氧化應(yīng)激及程序性死亡機(jī)制研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2014.

[16] SUNDA W G，SWIFT D G，HUNTSMAN S A.Low iron requirement for growth in oceanic phytoplankton[J].Nature，1991，351（6321）：55-57.

[17] KUSTKA A，ALLEN A，MOREL F.Sequence analysis and transcriptio-nal regulation of iron acquisition genes in two marine diatoms[J].Journal of Phycology，2007，43（4）：715-729.

[18] ALLEN A E，LAROCHE J，MAHESWARI U，et al.Whole-cell response of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum to iron starvation[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2008，105（30）：10438-10443.

[19] ROBINSON N J，PROCTER C M，CONNOLLY E L，et al.A ferric-chelate reductase for iron uptake from soils[J].Nature，1999，397（6721）：694-697.

[20] MALDONADO M T，ALLEN A E，CHONG J S，et al.Copper-dependent iron transport in coastal and oceanic diatoms[J].Limnology and Oceano-graphy，2006，51（4）：1729-1743.

[21] ARMBRUST E V，BERGES J A，BOWLER C，et al.The genome of the diatom Thalassiosira pseudonana：ecology，evolution，and metabolism[J].Science，2004，306：79-86.

[22] GRAFF V C S，ROSENWASSER S，LEVIN Y，et al.Chronic iron limit-ation confers transient resistance to oxidative stress in marine diatoms[J].Plant Physiology，2016，172（2）：968-979.

[23] MARKUS L，MICHAEL S，ALEXANDRA-SOPHIE R，et al.Genome and low-iron response of an oceanic diatom adapted to chronic iron limit-ation[J].Genome Biology，2012，13（7）：66.

[24] YOSHINAGA R，NIWA-KUBOTA M，MATSUI H，et al.Characterization of iron-responsive promoters in the marine diatom Phaeodactylum trico-rnutum[J].Marine Genomics，2014，16（1）：55-62.

[25] GRAHAM，QUESNEL，SARAH-ANN，et al.Copper requirements for iron acquisition and growth of coastal and oceanic diatoms[J].Limnology & Oceanography，2005，50（4）：1149-1158.

[26] ERDNER D L，PRICE N M，DOUCETTE G J，et al.Characterisation of ferredoxin and flavodoxin as markers of iron limitation in marine populations[J].Marine Ecology Progress，1999，184（3）：43-53.

[27] ROCHE J L，MURRAY H，ORELLANA M，et al.Flavodoxin expression as an indicator of iron limiation in marine diatoms[J].Journal of Phycolo-gy，2010，31（4）：520-530.

[28] GRAHAM P，PRICE N M.Copper-containing plastocyanin used for ele-ctron transport by an oceanic diatom[J].Nature，2006，441（7091）：341-344.

[29] MARCHETTI A，CATLETT D，HOPKINSON B M，et al.Marine diatom proteorhodopsins and their potential role in coping with low iron availability[J].The ISME Journal，2015，9（12）：2745.

[30] STRZEPEK R F，HARRISON P J.Photosynthetic architecture differs in coastal and oceanic diatoms[J].Nature，2004，431（7009）：689-692.

[31] NIR K，RAJEEV A，PAKRASI H B.Critical roles of bacterioferritins in iron storage and proliferation of Cyanobacteria[J].Plant Physiology，2004， 135（3）：1666-1673.

[32] ADRIAN M，PARKER M S，MOCCIA L P，et al.Ferritin is used for iron storage in bloom-forming marine pennate diatoms[J].Nature，2009，457（7228）：467-470.

[33] RUE E，BRULAND K.Domoic acid binds iron and copper：a possible role for the toxin produced by the marine diatom Pseudo-nitzschia[J].Marine Chemistry，2001，76（1）：127-134.

[34] TRICK C G，ANDERSEN R J，GILLAM A，et al.Prorocentrin：an extra-cellular siderophore produced by the marine dinoflagellate prorocentrum minimum[J].Science，1983，219（4582）：306-308.

[35] VREDE T，TRANVIK L J.Iron constraints on planktonic primary prod-uction in oligotrophic lakes[J].Ecosystems，2006，9（7）：1094-1105.