蓝藻Nostoc sp. PCC 7120中磷饥饿与固氮作用之间的相互影响

《Protoplasma》：Mutual interference of phosphorus starvation and diazotrophy in the cyanobacteria Nostoc sp. PCC 7120

蓝细菌Nostoc sp. PCC 7120在氮充足条件下可通过磷/糖原储备应对长期缺磷，恢复供磷后快速复苏。自养条件下缺磷导致固氮减少，部分营养细胞死亡，剩余细胞分为营养缺乏型和休眠型（类似无厚壁artrospores），后者恢复供磷后动员储备加速生长分裂，早于异型细胞形成。该研究揭示了Nostoc的磷胁迫适应机制及氮磷互作对产力的调控作用。

　　

摘要

蓝细菌Nostoc sp. PCC 7120对磷（P）饥饿胁迫的响应及其恢复能力在固氮生长模式和非固氮生长模式下存在显著差异。在氮（N）充足的培养基中，即使经历长时间的磷饥饿，Nostoc sp. PCC 7120细胞也能通过调动细胞内的磷（多磷酸盐）和糖原储备来维持生长，同时积累氮和碳储备（主要是蓝藻色素）。当重新供给无机磷酸盐（P_i）时，这些磷饥饿细胞能够迅速恢复。而在固氮条件下，磷饥饿会显著降低固氮作用，导致大多数构成蓝细菌菌丝的营养细胞死亡并分解；其余细胞虽然保持结构完整但停止分裂。这些未分裂的细胞可分为两类：一类表现出营养缺乏的迹象，另一类则进入休眠状态但无明显饥饿症状。它们既不同于静止细胞（akinetes），也不同于黄化细胞（chlorotic cells），而是类似于缺乏厚壁的节孢子（arthrospores）。重新供给P_i后，休眠的营养细胞会迅速复苏，表现为内部储备的调动、细胞生长和分裂的恢复。这些过程的发生速度比形成具有完整包膜的异形细胞（heterocytes）要快（因此，在重新供给P_i后的第7天，氮酶活性就已恢复）。这些研究结果为深入了解Nostoc sp. PCC 7120的耐逆机制以及氮和磷的可用性如何调节其在自然生态系统和人工培养设施中的生产力提供了新的见解。