藻類對溫度脅迫響應(yīng)機(jī)制的國內(nèi)外研究進(jìn)展

李恬靜薇，鄒瀟瀟，鮑時(shí)翔*

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，河北 秦皇島 066000；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所，海南省海洋生物資源功能性成分研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?571101)

藻類是海洋中初級(jí)生產(chǎn)力的代表，種類豐富，生長迅速。隨著對海洋生物的開發(fā)，人類越來越認(rèn)識(shí)到海藻的價(jià)值，藻類含有許多與人類日?；顒?dòng)相關(guān)的活性物質(zhì)，在醫(yī)藥、美容、化工等行業(yè)都有很好的應(yīng)用前景。藻類也能夠改善水體的富營養(yǎng)化，調(diào)節(jié)海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡。近年來藻類養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，但產(chǎn)量和品質(zhì)參差不齊。溫度是影響海洋藻類生長和品質(zhì)的主要生態(tài)因子，低溫和高溫環(huán)境都會(huì)對藻類的生長造成脅迫，嚴(yán)重影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。

隨著溫室效應(yīng)的加劇，夏季海水的溫度也逐年升高，高溫對海洋藻類的脅迫效應(yīng)越發(fā)嚴(yán)重。一般認(rèn)為當(dāng)溫度高于藻類正常生長溫度5～10℃時(shí)，藻類就會(huì)產(chǎn)生熱激反應(yīng)，長時(shí)間的高溫脅迫會(huì)使藻類機(jī)體產(chǎn)生耐熱性來抵抗高溫環(huán)境[2]。低溫對藻類的影響主要是對細(xì)胞膜系統(tǒng)造成損傷。低溫會(huì)導(dǎo)致藻類的活性氧代謝失衡，造成細(xì)胞內(nèi)活性氧累積，致使蛋白質(zhì)變性，破壞膜的結(jié)構(gòu)，還可以導(dǎo)致脂膜過氧化，破壞細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡等。低溫除了會(huì)對膜系統(tǒng)造成傷害外，也會(huì)導(dǎo)致葉綠素降解，降低光合和呼吸速率等[3]。因此研究藻類溫度脅迫響應(yīng)機(jī)制對了解藻類抵抗溫度脅迫的遺傳機(jī)理，挖掘藻類抵抗溫度脅迫的關(guān)鍵基因和代謝通路具有重要意義。本文討論了藻類溫度脅迫的響應(yīng)機(jī)制，為系統(tǒng)研究溫度脅迫下藻類調(diào)控機(jī)制提供了一些思路。

1 光合系統(tǒng)對溫度脅迫的響應(yīng)

光合作用是植物生長過程中最重要的反應(yīng)，光合速率直接決定著植物的生長力水平。近年來，大多數(shù)研究表明光合系統(tǒng)是植物對溫度脅迫最敏感的部位[4]，在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，光合作用最先受到抑制。這一結(jié)論同樣適用于生活在更為復(fù)雜環(huán)境中的藻類。研究發(fā)現(xiàn)，溫度脅迫下藻類光合作用活性下降的速度快于生長活性[5]。溫度脅迫對藻類光合作用的脅迫主要表現(xiàn)在降低了二氧化碳的固定速率，使光合系統(tǒng)中的電子傳遞速率下降和對葉綠體的結(jié)構(gòu)造成損傷等。

在溫度脅迫的條件下，光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)都會(huì)受到不同程度的抑制。對于光反應(yīng)來說，一些藻類(如麒麟菜、紫菜、節(jié)旋藻)中發(fā)現(xiàn)了溫度脅迫會(huì)對藻類的光合效率和葉綠素含量產(chǎn)生影響，且脅迫程度越大，影響越顯著[6-8]。光反應(yīng)主要是依靠類囊體上的光系統(tǒng)一(PSI)和光系統(tǒng)二(PSII)兩個(gè)反應(yīng)中心來進(jìn)行的。研究表明，光系統(tǒng)二(PSII)在溫度脅迫條件下更為敏感，更容易受到損傷。PSII的電子受體側(cè)最先受到影響，同時(shí)，捕獲光色素(chl-a和Car)和反應(yīng)中心(RC/CSm)也被破壞。在溫度脅迫下，與PSII相關(guān)的基因表達(dá)水平發(fā)生變化(編碼PsbO、PsbP、PsbQ、PsbR和Psb28等)，組成放氧復(fù)合體的外在亞基PsbO、PsbP、PsbQ、PsbV會(huì)在高溫下釋放，進(jìn)而導(dǎo)致位于PSII類囊體膜腔表面的放氧復(fù)合體構(gòu)象發(fā)生改變[9]，這也是高溫脅迫造成光合速率下降的主要原因。同時(shí)反應(yīng)中心的D1蛋白失活并產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，但若在反應(yīng)中心被激活后，D1蛋白可以通過不斷從頭合成來修復(fù)損傷，從而在PSII的光損傷和其再生之間取得平衡[10]。在強(qiáng)光照射下，PSII的修復(fù)速率常數(shù)隨著溫度的升高而增加，微藻菌株也可以通過世代適應(yīng)對極端溫度進(jìn)行生理適應(yīng)[11]。PSII修復(fù)的三個(gè)關(guān)鍵步驟對溫度脅迫非常敏感，即光損傷PSII中D1蛋白的分解、pre-D1的產(chǎn)生和向成熟D1蛋白的轉(zhuǎn)化，這表明，溫度脅迫可能不會(huì)直接增加光損傷，而是通過阻礙D1的重新合成而影響PSII修復(fù)過程[12]。

PSII的反應(yīng)中心被中心天線(CP47和CP43)和外部天線所包圍，外部天線包括數(shù)量較少的小捕光復(fù)合體I(LHCI)和主要捕光復(fù)合體II(LHCII)，LHCII的主要作用是接收和傳遞能量到PSII的反應(yīng)中心，并參與控制PSII和PSI之間激發(fā)能的供應(yīng)。藻類通過調(diào)控核基因編碼捕光蛋白(LHCa、LHCb)的表達(dá)，從而控制天線的大小。高溫和低溫脅迫都會(huì)對藻類的捕光蛋白造成影響，但其對高溫和低溫脅迫的響應(yīng)模式并不相同。在大葉藻光系統(tǒng)一(PSI)的捕光蛋白基因中，lhca3基因在低溫和高溫脅迫條件下表達(dá)量都顯示出上調(diào)趨勢，lhca1基因只在高溫脅迫條件下表達(dá)量增加；光系統(tǒng)二(PSII)捕光蛋白基因中，lhcb1.1在高溫和低溫脅迫條件下表達(dá)量都顯示出上調(diào)趨勢，lhcb3、lhcb5 、lhcb6基因只有在高溫脅迫下才顯示出上調(diào)趨勢，lhcb1.2、lhcb4基因在高溫脅迫和低溫脅迫下都沒有表現(xiàn)出明顯的上調(diào)或下調(diào)趨勢[13]。

暗反應(yīng)是二氧化碳固定反應(yīng)，簡稱碳固定反應(yīng)。CO2的光合作用固定對藻類的發(fā)育和生長至關(guān)重要，它提供新陳代謝所需的碳水化合物，以及結(jié)構(gòu)成分和細(xì)胞結(jié)構(gòu)單元。溫度脅迫會(huì)導(dǎo)致與類囊體膜相關(guān)的氧化還原反應(yīng)的明顯變化和細(xì)胞糖等級(jí)的調(diào)整。與二氧化碳固定有關(guān)的關(guān)鍵酶，如核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)在光合作用暗反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[14]。RubisCO亞基的基因表達(dá)水平會(huì)受到溫度脅迫的顯著影響，如在硬毛藻中編碼RubisCO大亞基的rbcL在溫度升高到20℃時(shí)上調(diào)，但隨著溫度進(jìn)一步升高，其表達(dá)下調(diào)[15]。

2 抗氧化系統(tǒng)對溫度脅迫的響應(yīng)

在溫度脅迫條件下，細(xì)胞中的許多代謝通路會(huì)受到抑制并產(chǎn)生大量的活性氧，包括超氧化物陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫、脂質(zhì)過氧化物和單線態(tài)氧等。過量活性氧和自由基的累積會(huì)對蛋白質(zhì)、DNA、脂質(zhì)和其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)造成氧化損傷影響其正常的生理功能。過量的活性氧會(huì)激活藻類的抗氧化系統(tǒng)，使其具備有效的清除活性氧的能力來抵抗溫度變化產(chǎn)生的脅迫。許多研究表明，植物所具有的酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)在藻類中同樣存在[16]。

作為海洋系統(tǒng)的主要組成部分，已經(jīng)證實(shí)綠藻、褐藻和紅藻形成了抗氧化防御機(jī)制來應(yīng)對活性氧的潛在損害[17]。更有研究表明，在各種藻類中抗氧化劑水平和各種抗氧化酶活性與藻類應(yīng)激耐受性密切相關(guān)[18]。ROS的升高主要誘導(dǎo)ROS清除酶的合成，即抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、超氧化物歧化酶(SOD)和硫氧還蛋白(TRXs)以及參與谷胱甘肽生物合成的酶。作為第一道防線，SOD迅速將O2·-轉(zhuǎn)化為O2和H2O2，生成的H2O2可通過過氧化物酶轉(zhuǎn)化為H2O，如在液泡、細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的APX和GPX[19]。在微藻中有很多關(guān)于在不同非生物脅迫下SODs、APX和GPX的活性被誘導(dǎo)的報(bào)道[20]。高水平的SOD、過氧化物酶(POD)、APX和抗氧化物質(zhì)(還原型谷胱甘肽)有助于提高麒麟菜的耐低溫能力[21]。杜氏鹽藻在熱脅迫條件下，編碼SOD、GPX、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)和抗氧化酶類的抗氧化基因在過氧化物酶體、谷胱甘肽代謝、抗壞血酸和海藻鹽代謝途徑中表達(dá)上調(diào)。此外，谷胱甘肽合成酶編碼基因的上調(diào)和編碼谷胱甘肽水解酶(GHY)和γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶(γ-gtp)的基因下調(diào)將確保谷胱甘肽的積累，谷胱甘肽能夠防止活性氧對重要細(xì)胞成分造成損害[9]。過氧化氫酶(CAT)在抵抗應(yīng)激過程中發(fā)揮重要作用，可以催化H2O2交換為H2O或其他無毒分子，在萊茵衣藻中，CAT可以清除來自光呼吸和脂肪酸氧化的H2O2[22]。錳超氧化物歧化酶(Mn-SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)、谷胱甘肽還原酶(GR)、釩一溴過氧化物酶(V-BPO)、過氧化還原酶V(PrxVl)和CAT是龍須菜抵抗高溫脅迫過程中主要發(fā)揮作用的酶[23]。

此外，與光合作用有關(guān)的抗氧化化合物是類胡蘿卜素和維生素a-生育酚。類胡蘿卜素是藻類的重要光合色素之一。它們主要參與光合作用的光采集過程，保護(hù)光合系統(tǒng)免受光誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激。類胡蘿卜素作為抗氧化劑，能夠從葉綠素中猝滅1O2和激發(fā)能，從而減少1O2的產(chǎn)生和積累。研究發(fā)現(xiàn)，ROS觸發(fā)了杜氏藻中類胡蘿卜素的平行積累[24]；在幾種脅迫條件下，雨生紅球藻中觀察到類胡蘿卜素生物合成相關(guān)基因的擴(kuò)增表達(dá)[25]。此外，生育酚(Toc)在維持氧化還原平衡方面也有重要作用，并且在應(yīng)激時(shí)其生物合成明顯增加。Toc通過抑制光合成過程中類囊體膜產(chǎn)生的ROS(主要是1O2和OH·)，以及通過去除脂質(zhì)過氧化基(LOO·)來抑制脂質(zhì)過氧化[26]。雖然ROS在正常和應(yīng)激條件下都會(huì)產(chǎn)生，基本水平的ROS對于存活細(xì)胞的功能至關(guān)重要，但ROS穩(wěn)態(tài)可能會(huì)受到壓力的影響，從而導(dǎo)致ROS水平升高甚至最終達(dá)到氧化應(yīng)激，細(xì)胞防御機(jī)制通過減少ROS的產(chǎn)生和促進(jìn)ROS的清除來對抗自由基損傷。

溫度脅迫還會(huì)誘導(dǎo)藻類產(chǎn)生藻膽蛋白，藻膽蛋白具有顯著的抗氧化特性，研究發(fā)現(xiàn)藻膽蛋白是藍(lán)藻水提物具有抗氧化特性的直接原因[27]。

研究表明不同藻類的抗氧化系統(tǒng)抵抗高溫和低溫脅迫的機(jī)制并不相同。Yang J J等[28]研究了石莼在高溫和低溫脅迫下的不同抗氧化反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)48 h后，溫度脅迫處理組SOD和CAT活性均有不同程度的提高，與中溫對照相比，高溫脅迫主要增加SOD、CAT和APX的表達(dá)，而低溫脅迫則不增加SOD、CAT和APX的表達(dá)。李虎[29]研究發(fā)現(xiàn)，在輕度低溫和輕度高溫脅迫下，麒麟菜和卡帕藻體內(nèi)的SOD、POD、APX、GPX等抗氧化酶的活性增強(qiáng)，GSH等抗氧化物含量增加，但在重度低溫和重度高溫脅迫條件下，SOD、POD、APX、GPX等抗氧化酶的活性下降、抗氧化物質(zhì)含量降低。說明在輕度溫度脅迫條件下機(jī)體會(huì)啟動(dòng)抗氧化系統(tǒng)以適應(yīng)脅迫環(huán)境，在重度溫度脅迫下抗氧化系統(tǒng)則會(huì)受到損傷，影響機(jī)體正常生理活動(dòng)。

觀察兩組患者的治療效果,并分為分為顯效、有效和無效三種情況。顯效:患者的臨床癥狀基本消失,胸痛、惡心等癥狀得到明顯改善;有效:臨床癥狀得以緩解,發(fā)作頻率減少;無效:臨床癥狀依然存在,患者病情未得到改善,或者胸痛、惡等癥狀更加嚴(yán)重;總有效率為顯效和有效的總和。

3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對溫度脅迫的響應(yīng)

藻類為了在脅迫條件下保持細(xì)胞的完整性，可通過滲透壓調(diào)節(jié)來穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓平衡。在高溫處理的單細(xì)胞藻中觀察到細(xì)胞質(zhì)的可逆收縮，通過測序分析發(fā)現(xiàn)水脅迫誘導(dǎo)蛋白R(shí)ab21和質(zhì)子泵(PPII)表達(dá)上調(diào)。Rab21蛋白只存在于胞質(zhì)溶膠中，可由水分脅迫誘導(dǎo)，PPII能刺激H+-ATP酶活性并產(chǎn)生膜電位，在植物適應(yīng)脅迫條件中發(fā)揮作用。這兩個(gè)蛋白具有共同的相互作用分子-脫落酸(ABA)，可以在鹽脅迫下調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞和根細(xì)胞的H-atp酶活性。這些蛋白的上調(diào)可能與觀察到的細(xì)胞質(zhì)的收縮有關(guān)，說明高溫脅迫也會(huì)導(dǎo)致滲透脅迫和水分脅迫[30]。

在滲透脅迫條件下，藻類會(huì)積累有機(jī)溶質(zhì)如脯氨酸和糖醇。即使在高滲透壓下，這些“相容的溶質(zhì)”也不會(huì)阻礙酶反應(yīng)，而是保護(hù)膜和酶免受破壞穩(wěn)定的離子的致命影響。這些相容的溶質(zhì)由四元氨基酸衍生物組成，包括單糖、二糖類和多糖、糖醇和磺胺化合物。已知脯氨酸的積累發(fā)生在各種極端條件下，如紫外線輻射和低溫。脯氨酸也可以保護(hù)酶免受熱失活[31]。戊二酸途徑的脯氨酸生物合成是通過Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和Δ1-吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR)催化的，后者限制了通過該途徑的通量。在各種植物研究中，P5CS的表達(dá)模式被作為脯氨酸產(chǎn)生的指標(biāo)進(jìn)行了檢測[32]。在紫菜和龍須菜中發(fā)現(xiàn)低溫和高溫均會(huì)影響脯氨酸的含量[33-34]。然而，溫度對微藻脯氨酸水平的影響尚無文獻(xiàn)報(bào)道。

近年來研究發(fā)現(xiàn)在海藻中存在的海藻糖對提高機(jī)體的脅迫耐受性也起到重要作用，海藻糖通過其吸水能力能夠?qū)ι锬ぁ⒌鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用，并能保證酶在逆境條件下不會(huì)失活。此外，它非常穩(wěn)定，可以耐受高溫和酸性條件。海藻糖的增加還可以提高光合速率，減少應(yīng)激引起的光氧化損傷。發(fā)菜在低溫脅迫后，脯氨酸和海藻糖含量顯著上升，光系統(tǒng)Ⅱ的活性被抑制。說明低溫脅迫破壞了質(zhì)膜的完整性并且對光合系統(tǒng)造成損傷，細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)迅速發(fā)揮作用，增強(qiáng)發(fā)菜懸浮細(xì)胞對低溫脅迫的適應(yīng)性[35]。在滲透脅迫下，小球藻中海藻糖含量升高[36]。然而，在受紫外線脅迫的小球藻株中，參與海藻糖合成的基因出現(xiàn)了出人意料的抑制[37]。海藻糖類的紅藻糖苷也具有抗脅迫的能力，在高溫脅迫下，壇紫菜Phgpdh和Phnho1兩個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)合成紅藻糖苷的前體物質(zhì)3-磷酸甘油的合成。說明在高溫脅迫環(huán)境下，壇紫菜可能通過上調(diào)Phgpdh和Phnho1兩個(gè)基因的表達(dá)，刺激3-磷酸甘油和紅藻糖苷的合成，從而提高對溫度脅迫的抵抗能力[38]。

4 信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)對溫度脅迫的響應(yīng)

藻類在遭受溫度脅迫時(shí)，細(xì)胞會(huì)感受并傳導(dǎo)溫度脅迫信號(hào)，并做出相應(yīng)的生理響應(yīng)，使其能在溫度脅迫的環(huán)境下維持正常的生理活動(dòng)。因此信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)與藻類的抗性有直接的關(guān)系。信號(hào)傳導(dǎo)分子主要包括鈣信號(hào)、磷脂酰肌醇信號(hào)、3-5環(huán)腺苷酸(cAMP)信號(hào)、蛋白酶和蛋白激酶等。

Ca2+作為植物細(xì)胞中的重要信使之一，對許多的生理過程都具有調(diào)控作用。熱激信號(hào)的傳導(dǎo)主要依靠Ca2+-鈣調(diào)素(CaM)系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)。CaM對熱激基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制首先是由Ca2+提高熱激轉(zhuǎn)錄因子(HSF)與DNA的結(jié)合能力，促進(jìn)熱激基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)激活熱激反應(yīng)，而后Ca2+濃度的升高促使CaM基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，使細(xì)胞中CaM的濃度也升高，從而進(jìn)一步促進(jìn)熱激基因的轉(zhuǎn)錄[39]。由質(zhì)膜Ca2+通道產(chǎn)生的Ca2+信號(hào)對壇紫菜響應(yīng)高溫脅迫具有重要意義，高溫脅迫顯著增加了Ca2+內(nèi)流，提高了CaM及其編碼蛋白的表達(dá)水平。當(dāng)質(zhì)膜Ca2+通道被抑制時(shí)，Ca2+內(nèi)流、CaM表達(dá)水平、CaM豐度水平和光合活性顯著降低。這些變化最終降低了壇紫菜的耐熱性。此外，熱休克蛋白基因(HSP22和HSP70)在高溫條件下表達(dá)上調(diào)，而在Ca2+注入率降低后表達(dá)下調(diào)[40]。Ca2+還可以在高溫條件下調(diào)節(jié)海帶體內(nèi)的多種抗氧化酶的活性，提高海帶抵抗高溫脅迫的能力[41]。在高溫脅迫下，滸苔中的鈣依賴型蛋白激酶CDPK可通過激活還原型輔酶(NADPH)氧化酶來調(diào)節(jié)H2O2的含量[16]。

細(xì)胞中的蛋白酶和蛋白激酶共同催化蛋白質(zhì)的可逆磷酸化，是許多信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)中的重要部分。當(dāng)細(xì)胞受到生物或非生物脅迫時(shí)，蛋白質(zhì)的可逆磷酸化會(huì)對絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸殘基產(chǎn)生修飾作用，促進(jìn)多種信號(hào)因子的交聯(lián)反應(yīng)。也可調(diào)節(jié)細(xì)胞膜系統(tǒng)中的離子通道，從而激活在逆境中的抗性。Jiménezc等[42]研究發(fā)現(xiàn)杜氏鹽藻在熱脅迫、紫外脅迫、缺氮脅迫時(shí)p38 MAP kinase(促分裂原活化蛋白激酶)同時(shí)被上調(diào)和磷酸化，使用p38-MAP kinase和c-Jun N-末端激酶(JNK)活性特異性抑制劑處理后，發(fā)現(xiàn)杜氏鹽藻對脅迫的適應(yīng)能力明顯受損。藍(lán)藻為抵抗外界環(huán)境變化產(chǎn)生的信號(hào)傳導(dǎo)識(shí)別機(jī)制——二元系統(tǒng)和磷酸根傳遞系統(tǒng)。其主要過程為：組氨酸蛋白質(zhì)激酶感受域首先感受到外界刺激，并對組氨酸蛋白質(zhì)激酶的活性進(jìn)行調(diào)節(jié)，其二聚化區(qū)域的His殘基在組氨酸蛋白質(zhì)激酶的催化下發(fā)生磷酸化，接下來轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)在反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白(RR)的催化下從磷酸組氨酸轉(zhuǎn)移到它自己的一個(gè)天冬氨酸(Asp)殘基上，反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白(RR)調(diào)節(jié)域的磷酸化使下游的效應(yīng)物區(qū)域激活，從而產(chǎn)生特異的輸出反應(yīng)[43]。在高溫脅迫下的滸苔中也發(fā)現(xiàn)了類泛素蛋白、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶、腺苷酸激酶、鈣依賴型蛋白激酶(CDPK)等多種蛋白和蛋白激酶表達(dá)上調(diào)[16]。

5 熱激蛋白對溫度脅迫的響應(yīng)

高溫誘導(dǎo)的熱激蛋白的表達(dá)在各種生物體中都很常見。根據(jù)其分子質(zhì)量，熱激蛋白被分為幾類，包括HSP90、HSP70和一些小熱激蛋白等。眾所周知，HSP90通過穩(wěn)定和維持不穩(wěn)定蛋白接近其自然形態(tài)的狀態(tài)，在保持蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)方面具有顯著的作用，此外，HSP90還參與各種信號(hào)和細(xì)胞通路[44]。HSP70伴侶蛋白還參與蛋白質(zhì)加工的其他方面，特別是蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)位和蛋白質(zhì)折疊。高溫脅迫和光照誘導(dǎo)都可以使鹽藻中HSP70 mRNA的含量提高，但高溫脅迫下更為明顯[45]。Chankova等認(rèn)為HSP70B可以作為不同環(huán)境下小球藻的溫度脅迫標(biāo)記，不同環(huán)境下小球藻具有不同的溫度耐受性；在類似的溫度脅迫下，南極小球藻的HSP70B含量比嗜熱小球藻和嗜中溫小球藻高出約30%[46]。在不同種類的紫菜中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，皺紫菜(Porphyracrispata)在31℃高溫處理10 min就可以檢測出其體內(nèi)的HSP70基因表達(dá)水平明顯上調(diào)至最高水平；壇紫菜(Porphyrahaitanensis)和長紫菜(PyropiadentataKjellm)需要31℃高溫處理1 h，其HSP70基因表達(dá)水平才可上調(diào)至最高水平[47]。

此外，一些小熱激蛋白(sHSPs)的表達(dá)在物種特定的閾值溫度下上調(diào)，表明sHSPs與藻類中溫度感知系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。Uji T等[48]在條斑紫菜中鑒定出了5個(gè)小熱休克蛋白(sHSPs)：PysHSP18.8、19.1、19.2、19.5和25.8，并發(fā)現(xiàn)在熱激處理2 h后，5個(gè)PysHSP基因的mRNA顯著增加，4 h后逐漸降低；冷處理8 h后，除PysHSP19.5表達(dá)上調(diào)外，其他PysHSP基因的表達(dá)無明顯影響。在單細(xì)胞藻中，高溫脅迫誘導(dǎo)了葉綠體HSP26.2表達(dá)上調(diào)，發(fā)現(xiàn)它與三磷酸腺苷合酶α、β亞基、大黃體細(xì)胞葉綠素a-b結(jié)合蛋白、PSII的氧釋放增強(qiáng)蛋白和PSI亞基VI蛋白相互作用，說明葉綠體HSP26.2在高溫脅迫下起保護(hù)作用[30]。

6 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控對溫度脅迫的響應(yīng)

轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factors，TF)是一種能與DNA序列結(jié)合的蛋白，可以單獨(dú)或與其他蛋白結(jié)合形成復(fù)合體，提高或者阻斷特異性基因?qū)NA聚合酶的招募，調(diào)控基因的表達(dá)。在高溫脅迫下，在植物體內(nèi)參與植物熱激反應(yīng)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子主要有：熱激因子HSFs(Heat shock transcription factors)、脫水應(yīng)答元件結(jié)合蛋白 DREB(Dehydration-responsive element-binding protein)、多蛋白結(jié)合因子MBF1c(Multiprotein-bridging factor 1c)，WRKY 轉(zhuǎn)錄因子、MYB 類轉(zhuǎn)錄因子、NAC 轉(zhuǎn)錄因子、堿性亮氨酸拉鏈 bZIP(Basic leucine zipper)等。已證實(shí)了在兩種綠藻萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)和金牛鴕球藻(Ostreococcustauri)中存在轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控[49]。也發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子對激活嗜熱紅藻的低溫適應(yīng)性起到主要作用[50]。低溫脅迫下，萊茵衣藻中的轉(zhuǎn)錄因子與對照相比發(fā)生了差異表達(dá)，且差異表達(dá)的TF的數(shù)量隨著冷暴露時(shí)間的增加而穩(wěn)定增加，整個(gè)過程中bZIP家族的差異數(shù)目最多，其次是MYB相關(guān)家族和AP2/EREBP超家族的ERF家族[51]。

在正常生理狀態(tài)下，HSFs以無活性的單體狀態(tài)存在，當(dāng)受到熱脅迫時(shí)，HSFs三聚化并與位于熱激蛋白啟動(dòng)子上的順勢元件-熱激元件結(jié)合，調(diào)控下游基因的表達(dá)，而后，HSFs又與熱激原件解離，恢復(fù)單體狀態(tài)。HSFs家族有三大類，分別為HSFA、HSFB和HSFC。這三種HSF不僅會(huì)協(xié)同發(fā)揮作用，還會(huì)與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用，也可以調(diào)控其他轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平[52]。藻類中的轉(zhuǎn)錄因子對溫度十分敏感。其中萊茵衣藻中的HSF1具有高等植物A類HSFs的特征，HSF1在非應(yīng)激條件下弱表達(dá)，在熱激條件下誘導(dǎo)迅速[53]。脫水應(yīng)答元件結(jié)合蛋白DREB基因的啟動(dòng)子與脫水應(yīng)答元件結(jié)合后調(diào)控?zé)峒は嚓P(guān)基因的表達(dá)，該轉(zhuǎn)錄因子主要通過誘導(dǎo)HSFA表達(dá)來參與熱脅迫應(yīng)答，還可以調(diào)控脫落酸(ABA)信號(hào)系統(tǒng)和游離脯氨酸含量[54]。多蛋白結(jié)合因子MBF1c不僅可以調(diào)控?zé)峒は嚓P(guān)基因的表達(dá)水平，還可以作為轉(zhuǎn)錄共激活因子調(diào)控海藻糖-水楊酸-和乙烯信號(hào)通路[55]。黃一江[56]克隆了微擬球藻的NgAURE01轉(zhuǎn)錄因子并通過序列比對發(fā)現(xiàn)其與無隔藻中的AUREOCHROME轉(zhuǎn)錄因子高度相似，都是由堿性亮氨酸拉鏈bZIP和c端的光氧電位勢傳感(LOV)蛋白組成。

7 其他功能性因子對溫度脅迫的響應(yīng)

近年來許多研究發(fā)現(xiàn)一些功能性因子如不飽和脂肪酸、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)、泛醌氧化酶和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶等在藻類的溫度適應(yīng)性方面也起到非常重要的作用。不飽和脂肪酸(如PUFAs)可以在低溫下保持膜的流動(dòng)性，藻類可以通過增加PUFAs來適應(yīng)低溫。已經(jīng)在大多數(shù)微藻中觀察到極性脂質(zhì)的含量隨著溫度的降低而增加，而溫度的升高則導(dǎo)致更多的非極性脂質(zhì)積累[57]。Zuo Z等[58]研究發(fā)現(xiàn)，在高溫脅迫條件下，滸苔中的CHCl3的釋放量隨溫度的升高而增加，說明藻類在溫度脅迫條件下會(huì)釋放大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，這些化合物可以增加藻類對環(huán)境脅迫的抗性。Monteiro C M M等[59]研究發(fā)現(xiàn)低溫條件下海帶體內(nèi)的泛醌氧化酶可以通過轉(zhuǎn)移電子傳輸鏈中的電子來減少活性氧的產(chǎn)生，同時(shí)發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)在0℃和8℃時(shí)上調(diào)，在15℃時(shí)下調(diào)，說明谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶也可能與溫度適應(yīng)性有關(guān)。

8 “組學(xué)”和基因編輯技術(shù)在藻類抗逆機(jī)制研究中的應(yīng)用及前景

最近，“組學(xué)”(包括基因組學(xué)、蛋白質(zhì)學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué))的進(jìn)展使人們對藻類有了更深入的了解。例如，Grossman A R等匯編了包括萊茵衣藻在內(nèi)的四種藻類的基因組信息，以便更好地理解各種代謝途徑[60]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以從單核苷酸水平對特定物種的整體轉(zhuǎn)錄活動(dòng)進(jìn)行檢測，從而全面快速地獲得該物種在某一狀態(tài)下的幾乎所有轉(zhuǎn)錄本及相應(yīng)的豐度信息。Shin H S等通過對一種耐熱微藻進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序得到26 245個(gè)編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄本，其中83.7%可以被注釋到叚定的功能上，發(fā)現(xiàn)超過681個(gè)基因差異表達(dá)，并揭示了藻類細(xì)胞器對溫度變化的特異性反應(yīng)[61]。蛋白質(zhì)組學(xué)能提供有關(guān)蛋白質(zhì)和細(xì)胞亞基的官能團(tuán)的有價(jià)值的信息。例如Fan M等使用相對和絕對定量同位素標(biāo)記(ITRAQ)結(jié)合液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)對滸苔在高溫脅迫下的反應(yīng)進(jìn)行比較蛋白質(zhì)組學(xué)分析，與對照相比，在高溫條件下共鑒定出1 223個(gè)差異蛋白，其中790個(gè)上調(diào)蛋白，433個(gè)下調(diào)蛋白[16]。此外，代謝組學(xué)可以對活細(xì)胞在特定時(shí)刻的代謝產(chǎn)物進(jìn)行全面和定量的分析，可以揭示蛋白質(zhì)表達(dá)和基因調(diào)控的實(shí)際結(jié)合以及環(huán)境的影響。生物信息學(xué)和分析工具的最新進(jìn)展提高了我們分析大量代謝物、評(píng)估對外部刺激的代謝變化以及解釋代謝途徑的能力?！敖M學(xué)”分析對于理解響應(yīng)非生物脅迫的分子網(wǎng)絡(luò)的完整過程至關(guān)重要。為解釋藻類復(fù)雜的非生物應(yīng)激反應(yīng)，定義新發(fā)現(xiàn)的應(yīng)激反應(yīng)分子的作用是必要的。

此外，各種基因操作或基因編輯方法，如CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)可用于產(chǎn)生耐脅迫藻類[62]。CRISPR/Cas9可以通過NHEJ或HDR突變直接在感興趣區(qū)域精確編輯基因組，從而導(dǎo)致確定的DNA置換、刪除和插入。CRISPR/Cas9技術(shù)已應(yīng)用于藻類的模式物種——萊茵衣藻，實(shí)現(xiàn)了降低Cas9相關(guān)毒性的同時(shí)有效地進(jìn)行靶向基因編輯[63]。利用基因編輯技術(shù)，還可以在與非生物脅迫相關(guān)的藻類蛋白和基因的功能研究、對其生物學(xué)的理解以及對其代謝途徑的描述方面取得進(jìn)一步的成就[62]。雖然CRISPR藻研究技術(shù)還處于起步階段，希望在不久的將來能被更多的應(yīng)用，它有助于提高我們理解藻代謝和對環(huán)境的反應(yīng)，并被用于生產(chǎn)更多的耐脅迫的藻類在工業(yè)中使用。

9 結(jié)語

藻類在溫度脅迫下的響應(yīng)涉及基因表達(dá)、蛋白合成和代謝通路的改變，并會(huì)引起生理和生化過程的改變。隨著高通量技術(shù)的快速發(fā)展，轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)在藻類抗逆性研究中得到了廣泛的應(yīng)用，對藻類溫度脅迫的分子響應(yīng)機(jī)制的研究也逐漸深入，越來越多與溫度脅迫相關(guān)的基因被發(fā)現(xiàn)，但還有很多功能未知的基因和蛋白也參與了藻類對溫度脅迫的響應(yīng)。由于藻類生存在環(huán)境較為復(fù)雜的海洋之中，必然會(huì)形成一套獨(dú)特的抵抗脅迫的能力。與研究較為透徹的陸地植物相比，對藻類響應(yīng)溫度脅迫的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。了解藻類對溫度脅迫的應(yīng)答機(jī)制，對研究植物的遺傳與進(jìn)化、培育抗逆新品種、促進(jìn)海藻養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。