编辑推荐：
为深入了解蓝藻在极端环境中的适应机制，来自台湾中山大学和台湾 “中央研究院” 的研究人员，对单细胞蓝藻 Cyanobacterium sp. DS4 进行应激耐受性表征、全基因组测序及比较基因组分析。结果发现其具独特基因特征与耐受机制，为相关研究提供重要资源。
在广袤的地球环境中，蓝藻作为一类古老而神奇的生物，对地球的生态系统有着深远影响。它们不仅是光合作用的重要参与者，在生物固氮以及增加现代大气中氧气含量等方面也发挥着关键作用。经过漫长的进化历程，不同种类的蓝藻适应了从炎热的沙漠土壤到寒冷的极地地区等各种各样的环境。然而，它们在面对诸如光照强度、盐度、温度和水分供应等极端环境时，其适应机制却如同神秘的面纱，尚未被人类完全揭开。
随着全球气候变化，淡水资源日益稀缺，海水蓝藻在生物技术和生物修复领域的潜在应用价值愈发凸显。比如，从海洋中获取的蓝藻及其天然生物产物，像类胡萝卜素、藻胆蛋白和羊毛硫肽（lantibiotics）等，已在众多生物技术应用中崭露头角。在这样的背景下，深入探究蓝藻在极端环境下的适应机制，不仅有助于我们理解生命的奥秘，还能为生物技术的发展提供新的思路和资源。
来自台湾中山大学（Department of Oceanography, National Sun Yat-sen University）和台湾 “中央研究院”（Institute of Plant and Microbial Biology, Academia Sinica）的研究人员，将目光聚焦于从南海东沙岛泻湖分离出的单细胞蓝藻 Cyanobacterium sp. DS4。这个泻湖环境独特，水温、盐度、光照强度和营养供应都处于频繁波动状态，是研究蓝藻适应极端环境的天然实验室。研究人员对 DS4 进行了应激耐受性表征、全基因组测序以及比较基因组分析，试图揭开其在极端环境下生存的奥秘。
最终，研究人员发现 DS4 具有诸多独特的基因特征和应激耐受机制。这些发现不仅加深了我们对蓝藻生理学、生态学、进化以及应激耐受机制的理解，还为未来耐热广盐性海洋蓝藻的功能研究和生物技术应用提供了宝贵的基因组资源。该研究成果发表在《BMC Microbiology》杂志上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是菌株分离技术，从东沙岛泻湖采集海水样本，通过离心、平板培养等操作分离出 DS4 菌株；其次是基因组测序技术，利用 Illumina MiSeq 和 Oxford Nanopore Technologies（ONT）MinION 对 DS4 基因组进行测序；最后运用生物信息学分析技术，对测序数据进行组装、注释，并与相关菌株进行比较分析 。
研究结果
- 应激耐受特性：DS4 展现出卓越的耐热性，能在高达 50℃的环境下保持正常的光合生长，且在 70℃高温下处理 3 小时，细胞死亡率仅为 7.1 ± 1.8% (n=3) 。与之相比，模式嗜温蓝藻 Synechocystis sp. PCC6803 在 43℃以上就无法生长，只能耐受短期 50℃的热应激。同时，DS4 还具有广盐性，能在 0 - 6.6% NaCl 浓度的培养基中生长，盐度对其耐热性有积极影响。
- 细胞形态：通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和光学显微镜观察发现，DS4 细胞呈圆形至椭圆形，长约 2 - 3μm。在 45℃和 BG11 液体培养基中，部分细胞形状伸长，可能是由于细胞分裂受损。其细胞表面覆盖着厚厚的细胞壁，推测为胞外多糖层，细胞内有不规则的类囊体结构和菌毛状突起。
- 基因组序列：DS4 的全基因组包含一个 4,250,085 bp 的环形染色体，G + C 含量为 34.8%，还有四个环形质粒。基因注释显示其含有 43 个 tRNA 基因、三组完整的 16S - 23S - 5S rRNA 基因以及 3,663 个完整的蛋白质编码基因，这些基因组特性与其他相关菌株，尤其是 Cyanobacterium aponinum PCC10605 相似。
- 系统发育定位：基于 16S rRNA 基因系统发育分析，DS4 与来自日本硫磺岛的 Cyanobacterium sp. NBRC102756 和来自印度维佩恩岛的一些菌株亲缘关系最近，在有基因组序列的蓝藻中，它与 Cyanobacterium aponinum PCC10605 的序列相似性最高。
- 与其他菌株的比较：通过平均核苷酸同一性（ANI）分析，DS4 与 PCC10605 共享 81.7% 的基因组片段和 92.9% 的 ANI，低于细菌物种划分的 95% 阈值，表明 DS4 可能不属于 C. aponinum。基因含量比较发现，DS4 有许多独特的基因组特征，如参与固氮、光保护和新型天然产物生物合成的基因簇 。
- 显著遗传差异概述：DS4 拥有许多与 PCC10605 和其他密切相关菌株不同的独特基因组特征，同时也与 PCC10605 共享一些与蓝藻淀粉代谢、中心代谢、氢代谢、耐热性、耐盐性以及羊毛硫肽 / 杀菌剂生物合成和输出系统相关的基因。
- 氮固定：DS4 基因组中存在一个大型固氮基因簇（Dongsha4_16200–16345），包含 29 个预测基因，编码 Mo 依赖的固氮酶系统，而 PCC10605 和其他一些密切相关菌株中则没有该基因簇。
- 光合作用：DS4 光合作用基因的主要结构成分保守，具有编码别藻蓝蛋白核心和藻蓝蛋白亚基的基因，但没有编码藻红蛋白亚基的基因。它还含有一个非典型的 psbA 基因，编码一种哨兵 D1 蛋白，可能在黑暗期保护并使对氧气敏感的固氮和氢化反应得以进行。此外，DS4 和 PCC10605 有两个细胞色素 b6-F 复合物 Rieske 铁硫蛋白（petC）基因拷贝，而大多数蓝藻基因组只有一个拷贝。
- 中心碳代谢：蓝藻的三羧酸（TCA）循环使用 α - 酮戊二酸脱羧酶（KGD）而非典型的 α - 酮戊二酸脱氢酶。DS4 和 PCC10605 有一个在大多数蓝藻基因组中不存在的谷氨酸脱羧酶（GAD）基因，可能能够利用 GABA 旁路途径完成 TCA 循环。同时，它们的基因组中没有苹果酸脱氢酶（MDH）基因，最近的研究表明，在蓝藻中，苹果酸酶（ME）而非 MDH 主要负责 TCA 循环中苹果酸的氧化。
- 蓝藻淀粉代谢：多数蓝藻产生可溶性糖原作为储存多糖，而 DS4 具有与 NBRC102756 和 Cyanothece sp. ATCC51142 中相同的三个分支酶（BE1、BE2 和 BE3）基因同源物，用于合成不溶性的半支链淀粉。
- 氢代谢：DS4 具有双向 NiFe 氢化酶复合物（hoxEFUYH）和 Hyp 蛋白（hypABCDEF）的基因簇，前者可能利用固氮过程产生的氢来还原可溶性电子载体 NADP 或铁氧还蛋白。此外，DS4 还有一个独特的异二硫还原酶复合物（hdrABC）基因簇，其功能有待进一步研究。
- 硫代谢：DS4 基因组有一个独特的硫酸盐 ABC 转运系统（cysPTWA）基因簇用于硫酸盐摄取，而 PCC10605 中没有。DS4 和 PCC10605 都有参与同化硫酸盐还原的全套基因，DS4 还编码一种假定的硫化物醌氧化还原酶（SQR），可能在无氧光合作用或低氧条件下氧化硫化物以解毒外源硫化物。
- 耐热基因：DS4 基因组中有大量的伴侣蛋白基因，如 DnaK、DnaJ 和 GrpE，可能赋予其耐热特性。此外，它还含有角鲨烯 - 藿烯环化酶（SHC）基因，其产物藿烷类化合物能在高温和极端酸性环境中稳定细胞膜。
- 盐和渗透胁迫耐受基因：DS4 具有合成渗透调节剂葡萄糖甘油的葡萄糖甘油 - 磷酸合酶基因（ggpS）以及甘油 - 3 - 磷酸代谢相关基因。它还有多种离子转运蛋白基因，如 NhaS3 型、NhaP 型钠 / 质子（或阳离子 / 质子）反向转运体，多亚基阳离子 / 质子反向转运体（Mrp 系统），高亲和力 Kdp 钾摄取系统（kdpDFABC），另一种钾离子转运体系统（TrkAH）以及 Na - K - Cl 协同转运蛋白（NKCC）基因，这些基因共同参与其对盐和渗透胁迫的适应。
- 光保护：DS4 有四个黄素二铁蛋白同源物（Flv1 - 4），在蓝藻光合作用的光保护中起重要作用，其中 Flv2/Flv4 在其他密切相关物种中不存在。DS4 还有一个编码橙色类胡萝卜素结合蛋白（OCP）和荧光恢复蛋白（FRP）的基因操纵子，参与蓝藻的非光化学荧光淬灭光保护机制，而 PCC10605 中的 OCP 基因是截断的。此外，DS4 和 PCC10605 都有铁型（sodA）和镍型（sodN）超氧化物歧化酶基因，用于清除光合细胞中产生的有害超氧自由基。
- 新型次生代谢物基因：DS4 基因组中存在多种次生代谢物基因 / 基因簇，如非核糖体肽（NRP）、羊毛硫肽 / 杀菌剂、β - 内酯和萜类。它有一个独特的非核糖体肽合成酶（NRPS）基因簇，而 PCC10605 和相关菌株中没有。DS4 和 PCC10605 还有一个新型羊毛硫肽生物合成基因簇，其前体肽富含 Ser/Thr 残基，预计能产生一种新型的线性含 D - 氨基酸的羊毛硫肽。此外，DS4 和 PCC10605 在铁摄取机制上存在差异，PCC10605 有独特的非核糖体肽合成酶（NRPS）非依赖型铁载体合成酶基因簇和更多的铁载体摄取相关基因。
研究结论与讨论
本研究详细阐述了从东沙岛高温泻湖分离出的单细胞蓝藻 DS4 的独特遗传特征和应激耐受机制。通过比较基因组学分析发现，DS4 具有固氮能力，这是其与相关模式菌株的显著差异。此外，它还拥有许多与特殊代谢、应激耐受机制和新型天然产物生物合成相关的独特遗传特征。这些发现对于我们理解蓝藻的生理、生态、进化以及应激耐受机制具有重要意义，为后续深入研究蓝藻在极端环境中的生存策略提供了关键线索。同时，也为耐热广盐性海洋蓝藻在生物技术领域的应用，如生物能源生产、生物修复等，奠定了坚实的理论基础，有望推动相关领域的进一步发展。
