小球藻（Chlorella ohadii）是一种非常独特的单细胞绿藻，它具有极高的光耐受性，可以在高光强下保持较高的光合作用和生长速率，从而可以在极端的沙漠生物结皮环境中生存【1】。之前的研究已经在生理和代谢水平上对小球藻的高光响应进行了研究。有趣的是，小球藻在高光下可以最小化单线态氧的产生以避免氧化损伤，同时其类囊体丰度和堆积增加，CO2浓缩机制（CCM）激活，以及碳分配发生改变【1,2】，但是目前对于小球藻发生这些变化的调控机制尚不清楚。
近日，德国Max Planck Institute for Molecular Plant Physiology的研究人员在Nature Plants发表了一篇题为Multi-omics reveals mechanisms of total resistance to extreme illumination of a desert alga的研究论文。该研究结合蛋白质组学、转录组学、代谢组学和脂质组学，综合解析了小球藻适应极端光照的响应机制。
该研究发现，与低光照相比，连续高光或者瞬时高光均可以显著促进小球藻的生长和光合速率，表明小球藻对高光的极强适应能力。该研究进一步对小球藻取样并进行了联合组学分析，发现了高光处理下强烈的转录及代谢响应以及高度动态的氧化还原蛋白质响应。
蛋白组学结果表明，小球藻中的约85%氧化还原反应蛋白对高光有较强响应，说明翻译后修饰在强光响应中的重要性。此外，该研究还在单一蛋白质水平上鉴定出NPQ6和VCCN1的同源蛋白（与光耗散和叶绿体质子动能有关）、非磷酸化甘油醛-3-磷酸脱氢酶和NADP-GAPDH和NADP依赖性苹果酸酶（与胞内NADPH平衡有关）以及带有假定信号肽的氧化还原反应蛋白等的显著变化。与之一致的，转录分析鉴定了高光强导致“谷胱甘肽分解代谢过程”、“肽分解代谢过程”和“硫化合物分解代谢过程”等过程的基因差异表达。以上综合揭示了小球藻中进行氧化还原调节的潜力。
该研究还通过代谢组学分析揭示了小球藻的高光代谢响应。研究发现，与低光照相比，短期及连续高光处理均会引起强烈的代谢响应，但是短期和连续高光强引起的响应不同。结果显示，短期光照激发了与糖、呼吸中间代谢物、几种主要氨基酸和甘油有关的代谢而连续高光处理则引起了与胁迫响应、光呼吸以及铵同化有关的代谢产物的积累。此外，碳分配模式分析还发现了高光处理对小球藻中淀粉和脂质的积累。该研究还进行了CCM的功能分析，发现短期高光诱导了CCM并抑制了光呼吸，与之相反，连续高光处理下CCM受损而光呼吸增加。最后，该研究还通过转录、代谢和脂质反应的联合分析发现，短期高光下小球藻中与氧化还原稳态和能量代谢相关的反应被上调，而连续高光照则上调了与类萜生物合成、DNA修复、光呼吸、脂质代谢相关的过程。
Integration of polar metabolites, lipids and transcript responses with common light regimes
综上所述，小球藻可以在极端光照条件下保持代谢和氧化还原平衡能力，从而促进其光合作用和生长。小球藻可以通过翻译后调节调节NADPH穿梭和利用、蛋白激酶激活等，并伴随着转录和代谢变化以调节其高光适应性。该研究为探索光合细胞对极端光照的响应提供了一个新的生物系统。
参考文献
【1】Treves, H. et al. The mechanisms whereby the green alga Chlorella ohadii, isolated from desert soil crust, exhibits unparalleled photodamage resistance. N. Phytol. 210, 1229–1243 (2016).
【2】Ananyev, G. et al. Photosystem II-cyclic electron flow powers exceptional photoprotection and record growth in the microalga Chlorella ohadii. Biochim. Biophys. Acta Bioenerg. 1858, 873–883 (2017).
https://www.nature.com/articles/s41477-020-0729-9
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