实验室中甲藻光合自养性的自发丧失：从叶绿体基因组碎片化到异养演化的直接观察

《Current Biology》：Spontaneous evolution of heterotrophy in cultured dinoflagellate algae

本期推荐一项突破性研究：为解析光合作用丧失的早期演化机制，Barbrook团队以共生甲藻Symbiodinium microadriaticum为模型，发现其高度碎片化的叶绿体基因组（由多个“微环”构成）在实验室培养中可自发丢失编码光系统II（PSII）关键亚基（PsbE/PsbI）的微环，导致PSII功能部分或完全丧失，而光系统I（PSI）和环式电子流（CEF）得以保留，可能通过产生ATP支持中间态异养生活。该研究为理解藻类反复丢失光合作用的现象提供了直接实验证据，发表于《Current Biology》。

　　

在浩瀚的海洋中，甲藻（Dinoflagellates）是一类兼具光合自养、混合营养和异养生活方式的单细胞真核生物，其中某些种类如虫黄藻（Symbiodinium）更是珊瑚礁生态系统的关键共生伙伴。然而，与大多数光合真核生物不同，甲藻的叶绿体基因组呈现出极其独特的“碎片化”特征：其光合相关基因并非集中于一条环状DNA上，而是分散在多个小型环状DNA分子（称为“微环”，minicircles）中，每个微环通常仅携带1-3个基因。这种不寻常的基因组结构是否使其更容易丢失光合能力？这正是演化生物学中一个长期悬而未决的问题——光合作用的获得已被深入研究，但其“丢失”过程，尤其是在实验室时间尺度上直接观察，却极为困难。

以往对非光合藻类或寄生生物（如顶复门寄生虫Apicomplexa）的研究表明，它们大多在数百万年的演化过程中逐渐丧失了光合能力，其叶绿体基因组严重缩减或完全丢失。但这些古老事件难以揭示过渡阶段的关键变化。Barbrook等人发表在《Current Biology》的研究首次报道，在常规实验室培养条件下，甲藻Symbiodinium microadriaticum能够频繁发生自发突变，丧失光合自养性，为直接观察“光合作用向异养生活转变”的早期事件提供了珍贵模型。

为探究这一问题，研究人员将S. microadriaticum接种于添加葡萄糖和酪蛋白氨基酸的固体培养基，并在光照下培养。28天后，他们从大量漂白（死亡）细胞背景中分离出多个色素异常或形态变异的菌落。通过PCR和二代测序分析，发现其中四个突变株（如GA1、GA2）缺失了特定的叶绿体微环：GA1缺失编码PSII亚基PsbI的微环，GA2缺失编码细胞色素b559组分PsbE的微环。这些微环的丢失直接导致光合功能受损。

关键技术方法

研究采用固体培养基筛选自发突变株；通过PCR和全基因组测序验证微环缺失；利用叶绿素荧光动力学（测量PSII最大量子产量F_v/F_m、相对电子传递速率rETR-PSII）和P700氧化还原光谱（分析PSI量子产量Y(I)、供体侧限制Y(ND)等）评估光合功能；通过电色位移（ECS）相位A信号量化活性光系统比例。样本来源于实验室保存的Symbiodinium microadriaticum CCMP2467株系。

结果

微环缺陷突变株易分离

在添加碳氮源的培养基上，S. microadriaticum形成多态性菌落（图1A）。挑取色素变浅的GA1和GA2株系（图1B）发现，它们在无葡萄糖培养基中生长受阻，而在补充培养基中生长接近野生型（图1C–1E），表明光合能力部分或完全丧失。

微环缺陷株的光合活性

PSII功能分析显示，野生型最大量子产量F_v/F_m为0.55，GA1降至0.25，GA2则为零（图3A）。短期光照下GA1的rETR-PSII与野生型相近，但长期光照下显著降低，表明PsbI缺失导致PSII易光损伤（图3B–3C）。ECS测量证实GA1活性PSII减少，GA2完全缺失PSII，而PSI活性在突变株中均保留（图4）。

PSI功能方面，突变株P700含量正常（图5A），但PSII电子供应中断导致其量子产量Y(I)降低，供体侧限制Y(ND)升高（图5B–5D）。加入PSII抑制剂DCMU和羟胺后，突变株PSI活性受影响较小，说明环式电子流（CEF）独立于PSII运行，可能维持ATP合成。

讨论与意义

本研究首次实验证实，甲藻叶绿体基因组的碎片化特性使其易于通过丢失微环自发丧失光合作用。在分析的7个突变株中，4株缺失PSII相关微环（PsbE或PsbI），且PSII缺陷株可优先存活，因保留的PSI可通过CEF产生ATP，避免PSII单独存在时的光损伤风险。这一发现为理解自然界中甲藻多次丢失或替换叶绿体的现象提供了机制性解释：微环拷贝数低（个别仅存数份/细胞），在细胞分裂时易随机丢失，从而引发强烈选择压力，促使物种转向异养或获取新叶绿体。

此外，该研究提示“先丢失PSII、保留PSI-CEF”可能是光合作用丧失的早期关键步骤。类似现象见于自然界中的UCYN-A蓝细菌、南极罗斯海甲藻的克隆重质体（kleptoplast）及warnowiid甲藻的眼状细胞器，均缺失PSII但保留PSI。实验室可重复获得的突变株体系，为后续研究转录组、蛋白质组在光合作用丧失过程中的动态变化奠定了基础。

总之，Barbrook等人的工作不仅揭示了甲藻叶绿体基因组不稳定性对其演化轨迹的深刻影响，也为在实验室中直接探索光合作用丧失的中间阶段提供了独特模型，对理解藻类适应性演化及珊瑚共生系统稳定性具有重要启示。