光合作用与细胞重塑的成本：单细胞红藻Galdieria partita营养转换的机制与进化意义

研究人员针对光合真核生物在有机碳可利用时关闭光合作用的机制这一科学问题，通过比较组学分析揭示了红藻Galdieria partita在光自养和异养状态间的重塑规律。研究发现光自养细胞需要1.5倍氮、1.3倍蛋白质和1.7倍脂肪酸，而异养状态通过抑制光合相关基因表达实现1.6倍更快生长。该研究为理解光合器官演化及资源分配策略提供了新视角。

　　

在生命演化史上，光合真核生物通过内共生事件获得了将光能转化为化学能的非凡能力。然而鲜为人知的是，许多藻类在富含有机碳的环境中会主动关闭这套精密的光合机器，将绿色叶绿体"漂白"成无色状态。这种神秘的营养转换现象背后，隐藏着关于细胞资源分配和器官重塑的深刻生物学问题。日本国立基础生物学研究所的研究团队选择基因可操作的单细胞红藻Galdieria partita作为模型，通过多组学联用技术首次量化了光合作用的真实成本，揭示了营养状态转换的分子开关，相关成果发表在《Communications Biology》上。

研究采用比较转录组、蛋白质组和代谢组分析技术，结合超微结构观察和生理指标测定，系统比较了G. partita在光自养和异养状态的差异。通过构建mVenus荧光标记的细胞器标记株系，实现了细胞器体积的3D定量；利用气相色谱-质谱联用技术完成了脂质组分析；采用RNA-seq结合spike-in标准化方法准确定量了基因表达差异。

"光自养与异养状态的形态学比较"部分显示，异养状态下藻细胞几乎完全失去叶绿素a和藻蓝蛋白，质体体积缩减至1/6，类囊体膜完全消失。有趣的是，这种"漂白"并非主动降解所致，而是由于细胞在抑制光合机器合成的同时加速分裂导致的稀释效应。电镜观察证实异养细胞的质体呈现细丝状结构，与光自养状态下的片层结构形成鲜明对比。

"细胞成分定量比较"部分通过精密测量发现，光自养细胞需要投入更多资源：氮含量高1.5倍，总蛋白高1.3倍，脂肪酸总量高1.7倍。特别值得注意的是，构成类囊体膜的单半乳糖甘油二酯(MGDG)、双半乳糖甘油二酯(DGDG)和硫代异鼠李糖甘油二酯(SQDG)等糖脂在光自养状态下显著富集，而磷脂合成则在异养状态下更为活跃。

"基因表达调控机制"部分揭示，营养状态转换主要发生在转录水平。当葡萄糖存在时，质体编码的光合基因和核糖体RNA表达量骤降4.6-6.2倍，而线粒体和胞质翻译机器活性增强。蛋白质组数据证实，光自养状态下上调的656种蛋白中，72%定位在质体，主要包括光系统组分和卡尔文循环酶；而异养状态下上调的361种蛋白则主要参与细胞增殖和呼吸链功能。

"代谢网络重编程"部分显示，碳代谢流发生显著转变：光自养细胞中磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶(PEPCK)和PEP合成酶(PEPS)活性升高，为脂肪酸合成提供前体；异养细胞则积累糖酵解中间产物如葡萄糖-6-磷酸(G6P)。转运蛋白组分析发现，三碳糖磷酸转运蛋白(TPT)和PEP转运蛋白(PPT)在光自养状态下特异性表达，而部分MFS家族糖转运蛋白在异养状态下激活。

研究结论指出，G. partita采用"代谢感应-资源再分配"的双重策略：当感知到特定糖代谢物浓度升高时，细胞通过下调光合基因表达节省资源，将节约的氮和碳骨架投入增殖系统。这种机制可能代表了早期光合真核生物的普遍适应策略，为理解陆地植物中光合与非光合组织分化的进化起源提供了新线索。该发现对微藻生物技术也有重要启示，通过调控营养状态可能实现光合效率与生长速率的精准优化。