浮游植物光适应新机制：细胞外超氧化物产生的光保护作用及其对海洋生物地球化学循环的影响

《ISME Communications》：Extracellular superoxide production is a widespread photoacclimation strategy in phytoplankton

本研究针对浮游植物应对光胁迫的生理机制这一关键科学问题，通过系统研究16种代表性浮游植物，首次证实细胞外超氧化物(eO2•?)产生是一种广泛存在的光适应策略。研究人员发现所有测试物种均能根据光照强度动态调节eO2•?产量，且黄素酶抑制剂DPI可抑制eO2•?产生并导致光系统II效率下降和细胞死亡。该研究揭示了eO2•?在维持细胞氧化还原平衡中的关键作用，对准确评估海洋活性氧通量和预测气候变化对生物地球化学循环的影响具有重要意义。

　　

在浩瀚的海洋中，微小的浮游植物扮演着至关重要的角色——它们不仅是海洋食物网的基础，生产地球约一半的氧气，还通过吸收二氧化碳帮助调节全球气候。然而，在人类世全球变化加速的背景下，浮游植物群落正面临着多重环境胁迫，其中海洋环流模式改变导致的光照条件变化尤为突出。海洋的健康状况很大程度上取决于浮游植物对这些胁迫因子的响应能力，但迄今为止，科学界对浮游植物应对光胁迫的生理过程仍知之甚少。

特别令人困惑的是，浮游植物在面对强光时如何维持细胞内氧化还原平衡。当光照超过光合作用所需时，会导致还原胁迫——即细胞内还原型辅酶II(NADPH)相对于氧化型辅酶II(NADP⁺)的比值升高。这种失衡状态若不能及时缓解，将引发光抑制甚至细胞死亡。浮游植物通常采用非光化学淬灭、循环电子流和Mehler反应等机制来消散多余能量，但最近的研究表明，细胞外超氧化物(eO₂^•?)的产生可能是一种尚未被充分认识的光保护策略。

超氧化物作为一种活性氧物种(ROS)，传统上被认为是对细胞有害的分子，因为它能够损伤生物大分子。然而，越来越多的证据表明，ROS在海洋生物中也可能发挥有益作用，如参与生长调节、信号传导和环境适应等生理过程。研究人员前期在海洋硅藻Thalassiosira oceanica中发现，该藻能够通过类似NADPH氧化酶(NOX)的黄素酶将电子从细胞内NADPH传递到细胞外，生成eO₂^•?，且这一过程受光照强度动态调控，有助于防止高光强下的还原胁迫。但这一eO₂^•?驱动的光适应反应是否在浮游植物中普遍存在，仍然是一个悬而未决的科学问题。

为解决这一问题，悉尼·普卢默(Sydney Plummer)等人在《ISME Communications》上发表了题为"细胞外超氧化物产生是浮游植物中广泛存在的光适应策略"的研究论文。该研究系统调查了16种代表性浮游植物，包括蓝细菌和所有主要真核藻类谱系的代表，旨在确定eO₂^•?的光保护作用在浮游植物中的普遍性。

研究人员主要采用了四种关键技术方法：首先通过流式FeLume分析系统结合甲基海萤光素类似物(MCLA)探针，精确测量了细胞外超氧化物产生速率；其次利用改良的光合作用-光强(PI)模型对eO₂^•?的光响应曲线进行拟合；同时应用黄素酶抑制剂DPI处理实验，结合叶绿素荧光技术评估光系统II(PSII)效率；最后通过培养实验监测抑制剂对浮游植物生长的影响。研究还利用夏威夷海洋时间序列站点的环境数据，估算了北大西洋副热带环流区浮游植物驱动的eO₂^•?环境产生速率。

超氧化物产生速率在不同菌株间差异显著

研究发现，16种浮游植物在典型生长光强下的eO₂^•?产生速率差异显著，范围跨越5个数量级(10^-3-10² amol μm^-2 h^-1)。有害藻华物种Karenia brevis ARC5的产生速率最高，而原绿球藻Prochlorococcus marinus MIT9312的速率最低。值得注意的是，同一物种不同菌株间也存在差异，如P. marinus NATL2A的eO₂^•?产生速率比MIT9312高10倍，可能与NATL2A含有更多高光诱导的光保护蛋白有关。

光强驱动超氧化物产生

所有测试的浮游植物均表现出光强依赖的eO₂^•?产生模式。大多数物种(15/16)的eO₂^•?光响应曲线符合典型的光合作用-光强模型特征：在低光强下线性增加，在中光强下达到饱和，在高光强下因光抑制而下降。唯一例外的是寡营养型聚球藻Synechococcus WH8102，其eO₂^•?产生随光强增加而增加，但未出现光抑制现象。这些结果支持了光合过程调控多种浮游植物eO₂^•?产生的假说。

黄素酶介导超氧化物产生

黄素酶抑制剂DPI处理实验显示，14种浮游植物的eO₂^•?产生受到显著抑制，表明黄素酶在此过程中起主要作用。DPI可在数分钟内快速抑制eO₂^•?产生，但通常不能完全消除，提示除黄素酶外还有其他酶类参与。Emiliania huxleyi CCMP374和沿海型聚球藻WH5701对DPI不敏感，表明这些生物可能采用不同的eO₂^•?产生机制。

黄素酶/eO₂^•?抑制剂损害光合健康和生存能力

光系统II效率(F_v/F_m)测定显示，DPI在14种浮游植物中抑制了光合效率，且这种抑制效应具有光依赖性——在光照适应条件下更为明显。生长实验进一步证实，DPI在15种浮游植物中抑制生长并最终导致细胞死亡，且效应呈浓度依赖性。特别值得注意的是，DPI对硅藻T. oceanica的毒性作用具有光依赖性，在全生长光强下24小时内即导致死亡，而在10%生长光强下死亡时间延迟至48小时后。

细胞外超氧化物产生通过维持氧化还原平衡促进浮游植物健康

研究结果表明，在14种表现出DPI可抑制eO₂^•?产生的浮游植物中，DPI处理均降低了光合效率和生长，最终导致细胞死亡。结合eO₂^•?产生的光合作用精细调控，这些发现支持了eO₂^•?产生通过防止光损伤来维持大多数浮游植物健康的假说。例外情况包括杜氏藻Dunaliella sp. 15-1a，其中DPI抑制eO₂^•?产生但不影响光合健康或生长，表明eO₂^•?在该物种中可能不具光保护功能。

对海洋环境中光驱动超氧化物产生的启示

研究团队进一步估算了北大西洋副热带环流区ALOHA站点的浮游植物驱动eO₂^•?环境产生速率。在黑暗条件下，模型估算的群落eO₂^•?产生速率(9 nM d^-1)与实测值(2.6-6 nM d^-1)吻合良好，其中原绿球藻和聚球藻分别贡献87%和11%。在典型年光强和混合层深度下，光驱动的原绿球藻eO₂^•?产生速率估计为14±7 nM d^-1，比黑暗条件下高约50%。

研究还预测，到2200年气候变化导致的混合层变浅(20米)将使光依赖的eO₂^•?产生速率增加至21±10 nM d^-1，比历史平均水平增加50%。这一估计可能偏保守，因未考虑原绿球藻丰度可能的气候驱动增加。在全球范围内，增强的水柱分层和极地海冰消失导致的光照增加，可能通过浮游植物光适应过程进一步改变环境eO₂^•?水平，进而影响氧、碳和金属的耦合循环。

该研究首次系统证实了eO₂^•?产生作为一种光保护策略在浮游植物中的广泛存在性，揭示了黄素酶在此过程中的关键作用。研究结果对准确评估海洋活性氧通量、理解浮游植物光适应机制以及预测气候变化对海洋生物地球化学循环的影响具有重要科学意义。同时，该研究强调未来需在光照条件下测量生物eO₂^•?产生，以避免低估白天海洋环境中的生物超氧化物生产速率。