PNAS｜华中师范大学邱保胜团队揭示荒漠蓝藻独特的光合策略——“暗夜蓄力夺晨光”

近日，华中师范大学邱保胜教授课题组在PNAS发表了题为Nocturnal hydration prepares desert cyanobacteria for dawn light harvesting by inducing phycoerythrin synthesis，发现了荒漠蓝藻独特的光合策略。

作为荒漠生态系统中的先锋拓殖生物，荒漠蓝藻是生物土壤结皮形成与发育的关键基石，被誉为“荒漠生态系统工程师”，在荒漠化防治领域具有广阔的应用前景。有趣的是，荒漠蓝藻具有极强的干旱适应能力，表现出“干而不死”的耐干燥脱水特征。极端干旱缺水是荒漠生境最突出的生态特征，受生境水分昼夜变化规律驱动，荒漠蓝藻通常依赖夜间非降雨型水分(露水等)输入，短暂恢复生命活动；而随着日出后地表温度升高、光照增强，水分迅速散失，细胞又重新进入脱水休眠状态。也就是说，真正留给荒漠蓝藻进行光合作用的时间，往往只有黎明前后短短一瞬。如何抓住这稍纵即逝的“光水共存窗口”，抢在水分散失前完成高效光合固碳，是荒漠蓝藻在极端环境中维持生存与延续生命的核心命题。尽管色适应是蓝藻通过动态调整藻胆体结构来适应弱光、优化光能捕获的重要进化机制，但荒漠蓝藻是否演化出适用于黎明弱光条件的特定色适应策略，以应对“光—水供给时间分离”的生存模式，仍是未解之谜。

前期研究已揭示，黎明红光可作为关键的“环境预警信号”，促使荒漠蓝藻提前为即将到来的干燥脱水做好准备（Xu HF, et al. 2025. PNAS 122: e2502034122）。本研究进一步发现，荒漠蓝藻对光合作用的预先准备启动得更早，在夜间吸水后便已提前“备战”黎明。具体而言，荒漠蓝藻发菜能够在夜间复水后启动色适应程序，诱导藻红蛋白（phycoerythrin，PE）合成，从而优化黎明阶段的光合作用。研究表明，发菜基因组中的Sigma因子家族发生了显著扩张，其中sigB1基因缺失会导致PE合成受阻，首次确立了SigB1是调控PE合成所必需的关键色适应因子。进一步研究发现，SigB1与激活因子CpeR1协同介导色适应过程，促进富含PE的藻胆体组装，增强蓝藻在弱光条件下的光能捕获能力。值得注意的是，尽管传统观点认为色适应主要受光质调控，但本研究发现，发菜中参与PE合成的相关基因在夜间复水后、黎明光照到来前即被大量诱导表达，表明夜间水分信号在这一过程中发挥了关键启动作用。深入研究表明，位于SigB1/CpeR1调控通路上游的关键转录因子Hrr1，会在藻细胞夜间吸水后被诱导表达，进而激活sigB1/cpeR1，启动PE合成相关基因的转录。系统进化分析进一步显示，Hrr1在蓝藻中的分布与其耐干燥脱水能力呈正相关，提示其可能是蓝藻适应极端干旱生境的重要分子基础。此外，研究还发现，SigB1受经典色适应调控系统RcaEFC调节，即夜间水分会“提前发令”启动PE合成，而黎明红光出现后又可“及时刹车”关闭该过程，使蓝藻转而为后续脱水做好准备。Hrr1-SigB1由此构成一套精密协调的调控机制，通过夜间复水触发前瞻性的转录调控程序，使荒漠蓝藻能够在极短暂的光水共存窗口期内最大化光能捕获效率。该研究加深了我们对耐干燥脱水光合生物如何响应瞬时环境信号、动态优化捕光装置的理解，也为拓展植物弱光高效利用策略以及荒漠化防治提供了新的理论借鉴。

图1. 夜间水分驱动藻红蛋白预期性合成以备战黎明光合作用

课题组博士生白扬与徐海锋副研究员为论文共同第一作者，李任涵、左艾伟、刘葛檐、张晋等研究生，以及戴国政教授、刘珂教授、于晨博士等参与了研究工作。同时，以色列希伯来大学Aaron Kaplan教授亦对该研究作出了重要贡献。邱保胜教授和徐海锋副研究员为论文共同通讯作者，华中师范大学为论文的第一完成单位。

该研究得到国家自然科学基金重点项目、面上项目与湖北洪山实验室项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2601363123