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水生所全面深入探究蓝细菌异形胞分化的机理

  蓝细菌(又称蓝藻)是最早的光合原核生物,其出现是地球上最伟大的事件之一。很多蓝藻同时也具备固氮能力,是自然界氮循环的主要参与者。固氮由固氮酶催化完成,固氮酶对氧气极端敏感,遇氧失活。丝状蓝藻进化出空间分离机制,调和了有氧光合作用和固氮这两个不相容的过程,即在营养细胞中进行光合作用,在分化出的异形胞中进行固氮。 

  通常,在完全缺乏化合氮条件下,丝状蓝藻菌丝上会有5%-10%的营养细胞进入分化状态,并在20-24h内分化成终端细胞异形胞(图1)。异形胞在成熟的过程中发生着广泛的形态及代谢变化,以保证固氮所需的微氧环境的形成。在形态方面,成熟异形胞的尺寸比营养细胞更大,并具有两端的颈状结构和一个厚的外包被层。外包被层可分为两层:减少氧气透过的糖脂层和保护糖脂层的多糖层。在代谢方面,成熟的异形胞不具有光系统II,且呼吸速率提高。成熟的异形胞在菌丝上呈半规律分布,为邻近营养细胞提供氮源,营养细胞为异形胞提供碳源。异形胞分化是一个复杂而紧密有序的过程,其机理研究历史悠久。

1鱼腥藻PCC7120在缺氮20-24h后形成异形胞进行固氮图中箭头指出的为异形胞) 

  近日,总站|金沙集团1755app下载研究所张承才团队受邀在国际学术期刊Annual Review of Microbiology上发表了题为“The making of a Heterocyst in Cyanobacteria”的综述文章。该论文对蓝细菌异形胞分化机理的研究进展行了全面阐述并指出该研究领域未来所面临的挑战。张承才研究员、曾晓丽副研究员为本论文共同通讯作者。  

  异形胞发育的过程主要包括信号感知(高碳或低氮信号)、异形胞发育起始(Initiation)、命运决定(Commitment)、形态发生及成熟(Morphogenesis and maturation)四步,各步骤由众多基因共同协调控制。作者在文中首先系统论述了异形胞发育各步骤调控分子机制研究进展,并绘制了详细的异形胞分化调控网络模型(图2)。

2:鱼腥藻PCC7120异形胞分化关键步骤调控网络模型

  其次,在分化过程中,异形胞发育与菌丝生长的协调依赖于细胞-细胞间的通讯cell-cell communication)。作者以研究细胞-细胞间通讯技术手段的发展进程为时间线,密切追踪丝状蓝细菌细胞间通讯研究前沿,并系统性的阐述了其研究进展。研究表明,丝状蓝细菌主要通过贯通细胞-细胞间隔膜的通道结构(septal junctions)进行细胞间的“信息交流”,该结构与后生动物的间隙连接结构类似(图2),它通过动态结构变化快速控制细胞间通讯以响应环境条件的变化。

3:鱼腥藻PCC7120细胞-细胞间通讯结构模型

  再者,成熟异形胞通常在菌丝上能形成半规律一维分布格式,即异形胞图heterocyst pattern)。该图式的建立与维持受多基因共同调控,其调控方式与图灵模型(Turning model)非常吻合,数学模拟可以再现异形胞图式的基本特征。在论文的第三部分,作者详细阐述了异形胞图式形成的分子调控机理,并在现有数据的基础上,对以往提出的异形胞图式形成 Meeks-Elhai 模型进行了修正,提出了一个三阶段模型(图4)。

  最后,该综述也对蓝细菌异形胞研究领域未来的发展与挑战进行了展望,提出了一些待解决的问题,希望对该领域研究者以及对该领域感兴趣的科研人员提供帮助。 

  该研究得到了国家重点研发计划项目(2018YFA0903100),国家自然科学基金重大研究计划项目和青年科学基金项目(92051106 and 31800033),总站|金沙集团1755app下载研究所特色研究所服务项目(Y85Z061601) 淡水生态与生物技术国家重点实验室(2019FBZ06) 的资助。

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