FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)：藍(lán)藻異形胞光合特性研究

異形胞（heterocyst）某些絲狀藍(lán)藻（如束毛藻、魚腥藻、念珠藻等）所*的營養(yǎng)細(xì)胞，是由普通營養(yǎng)細(xì)胞在一定的條件下尤其是氮素營養(yǎng)缺乏時分化而成。異形胞一般與營養(yǎng)細(xì)胞同形，單個地間生，一條藻絲上往往有數(shù)個異形細(xì)胞。異形胞與營養(yǎng)細(xì)胞的主要形態(tài)區(qū)別是：個體大，細(xì)胞壁厚，細(xì)胞質(zhì)中的顆粒物質(zhì)溶解成顆粒狀態(tài)，顏色呈淡黃綠色或呈透明狀。

而最為關(guān)鍵的生理功能區(qū)別有兩點：

1.異形胞能進(jìn)行固氮作用，在其高含量固氮酶的催化下，將空氣中的N₂轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>NH₃，NH⁴⁺，進(jìn)而形成氨基酸。

2.異形胞藻膽素含量顯著低于營養(yǎng)細(xì)胞。

正是基于這兩點，則引出了科學(xué)家的兩點疑惑：

3.早期研究證實，藍(lán)藻在固氮過程中也是存在光合放氧的，但固氮酶會被氧氣不可逆地抑制。藍(lán)藻如何保護(hù)固氮酶不被光合作用放出的氧氣破壞？

4.如何直接觀測異形胞與營養(yǎng)細(xì)胞光合特性的差異？

從21世紀(jì)之初，隨著FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)的提出和逐漸完善，科學(xué)家對藍(lán)藻異形胞光合特性的研究達(dá)到前人所不能企及的高度，甚至取得了突破性的進(jìn)展。本文通過相關(guān)文獻(xiàn)案例展示這一研究發(fā)展的過程：

1. 開端：證實固氮和光合作用的時空隔離

FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)于2000年正式提出并實用化，美國羅格斯大學(xué)Berman-Frank與德國康斯坦茨大學(xué)、捷克微生物研究所合作利用FKM技術(shù)對束毛藻Trichodesmium strain IMS101絲狀藻的光合特性進(jìn)行研究，對比固氮酶的活性與分布，發(fā)現(xiàn)固氮和光合作用從時間和空間兩方面被隔離開了。他們推測在光合放氧進(jìn)化的早期階段，固氮酶是厭氧異養(yǎng)機制的一個電子受體，而光系統(tǒng)I（PSI）為固氮提供了厭氧的微環(huán)境。這一研究成果發(fā)表于2001年《Science》。

之后，他們又合作進(jìn)行更加深入的研究。通過FKM技術(shù)獲得的葉綠素?zé)晒獬上駡D與熒光淬滅動力學(xué)曲線數(shù)據(jù)，再次表明束毛藻光合作用與固氮的協(xié)同作用涉及光合活性狀態(tài)可逆變化的復(fù)雜時空格局。 這些活性狀態(tài)提供了通過PSII的電子傳輸進(jìn)行固氮所需的協(xié)調(diào)和微調(diào)，并將光合放氧對固氮酶的抑制作用降低。這一研究發(fā)表于2004年《Plant Physiology》。

在這一研究結(jié)果通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)最小熒光F₀、可變熒光Fv等，已經(jīng)表明進(jìn)行固氮的藍(lán)藻細(xì)胞其PSII活性已經(jīng)極低，進(jìn)而喪失光合放氧能力。研究者也推測固氮與光合的時空分隔可能與異形胞有關(guān)。但此時的FKM技術(shù)尚不完善，獲得的顯微熒光成像圖不能明確區(qū)分絲狀體上的單個細(xì)胞，因此也沒能獲得進(jìn)一步的支持證據(jù)。

2. 進(jìn)展：證實異形胞PSII功能特性

2007年，FKM技術(shù)迎來了一次全面升級。這次升級之后，FKM從原來主要測量微藻細(xì)胞，擴展到能夠測量植物葉片細(xì)胞，同時顯微放大倍數(shù)與成像分辨率進(jìn)一步提升，能夠清晰分辨單個細(xì)胞乃至單個葉綠體。

于是，捷克科學(xué)院和南波西米亞大學(xué)、德國康斯坦茨大學(xué)再次合作，使用升級后的FKM系統(tǒng)對魚腥藻Anabaena sp. strain PCC 7120異形胞進(jìn)行更深入研究。研究人員明確觀測到隨著氮素缺乏脅迫程度的加重，絲狀體細(xì)胞開始分化，營養(yǎng)細(xì)胞和異形胞的葉綠素參數(shù)F₀、Fm、Fv等都逐漸下降，表明光合色素的下降。但這一過程中，營養(yǎng)細(xì)胞的最大光化學(xué)效率Fv/Fm和持續(xù)電子流（量子產(chǎn)額）ΦPSII基本穩(wěn)定，表明其維持了PSII活性，但形成中的異形胞這兩項參數(shù)則顯著下降。更出人意料地，成熟的異形胞PSII天線色素含量顯著降低（F₀顯著降低），但其PSII本身卻是完整的（Fv/Fm恢復(fù)）。至此，科學(xué)家終于直接觀測到異形胞PSII的分化過程與功能變化。

3. 突破：異形胞也能夠維持藻膽素含量

之前的研究表明，為了維持固氮這一高耗能過程，藍(lán)藻異形胞主要通過光系統(tǒng)I（PSI）合成ATP為其功能。藻膽素雖然是藻類光合最重要的光合色素之一，但由于其主要作為PSII的天線色素，而PSII光合過程中通過放氧復(fù)合體釋放的氧氣會使固氮酶失活。因此異形胞雖然具備完整的PSII，但其藻膽素含量顯著下降，從而吸收的光能很少進(jìn)入PSII，使其失去光合放氧的能力，從而維持固氮酶活性。但這種機制的缺點是用于固氮的能量也由于藻膽素的缺失而受到限制。

美國華盛頓大學(xué)與PSI公司、中科院水生生物研究所合作，通過一種基因修飾系統(tǒng)對Anabaena 33047進(jìn)行處理。通過MC1000八通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)模擬不同波長的高光培養(yǎng)環(huán)境，同步實時監(jiān)測其OD730，表明這種藍(lán)藻可以在高光條件下具有良好的適應(yīng)性。

通過特殊定制的FKM系統(tǒng)，研究人員直接測量了營養(yǎng)細(xì)胞和異形胞的藻膽素?zé)晒狻＝Y(jié)果表明，Anabaena 33047 ΔnblA突變株中異形胞的藻膽素?zé)晒馀c營養(yǎng)細(xì)胞接近，但野生型異形胞則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于影響細(xì)胞。通過FKM熒光動態(tài)分析，ΔnblA突變株異形胞的藻膽素?zé)晒馐且吧彤愋伟拇蠹s8倍高。這樣高含量的藻膽素，也就表明其可以為固氮過程提供遠(yuǎn)高于野生型的ATP，顯著提高其固氮能力。這一新的研究成果發(fā)表于2021年《mBio》。 

未來，科學(xué)家還會運用FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)在異形胞、微藻細(xì)胞分化領(lǐng)域確定什么樣的突破呢？請拭目以待。如果您希望了解更多關(guān)于FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)的內(nèi)容，請聯(lián)系我們。

參考文獻(xiàn)：

1.Berman-Frank I, et al. 2001. Segregation of Nitrogen Fixation and Oxygenic Photosynthesis in the Marine Cyanobacterium Trichodesmium. Science, 294: 1534-1537

2.Küpper H, Ferimazova N, Šetlík I, et al. 2004. Traffic Lights in Trichodesmium. Regulation of Photosynthesis for Nitrogen Fixation Studied by Chlorophyll Fluorescence Kinetic Microscopy. Plant Physiology, 135: 2120-2133

3.Ferimazova N, et al. 2013. Regulation of photosynthesis during heterocyst differentiation in Anabaena sp. strain PCC 7120 investigated in vivo at single-cell level by chlorophyll fluorescence kinetic microscopy. Photosynthesis Research, 116(1): 79-91

4.Bandyopadhyay A, et al. 2021. Antenna Modification Leads to Enhanced Nitrogenase Activity in a High Light-Tolerant Cyanobacterium. mBio, 12(6): e03408-21

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