综述：从池塘到平台：集胞藻 PCC 6803 如何成为默认的模式蓝藻

《Journal of Bacteriology》：From pond to platform: how Synechocystis sp. PCC 6803 became the default model cyanobacterium

本文系统回顾了集胞藻（Synechocystis sp. PCC 6803）如何凭借其遗传可操作性、兼养生长能力、首例蓝藻全基因组测序等独特优势，成为光合作用、胁迫响应、代谢和行为等研究的默认模式蓝藻的过程，并梳理了其在系统生物学、CRISPR研究和绿色生物技术等前沿领域的关键贡献与未来展望。

　　

引言与早期历史

蓝藻是一类古老的光合原核生物，对地球早期大气氧化和现代生物圈生产力至关重要。它们不仅是光合作用研究的重要模式生物，在绿色生物技术领域也展现出巨大潜力。在众多蓝藻中，集胞藻（Synechocystis sp. PCC 6803）脱颖而出，成为了实验室的默认模型。其故事始于1968年，日裔美国微生物学家 Riyo Kunisawa 从加州伯克利的一个淡水湖中分离出该藻株，最初命名为 Aphanocapsa N-1。该藻株随后被保藏于巴氏菌种保藏中心（PCC 6803）和美国模式培养物集存库（ATCC 27184）。莫斯科国立大学的 Sergey Shestakov 和 Galina Grigorieva 的研究首次证明了包括PCC 6803在内的几种淡水蓝藻具有自然转化能力。一个关键转折点发生在1982年，John Williams 和 Sergey Shestakov 在法国的一次学术会议上讨论了使用集胞藻 PCC 6803 作为研究光系统的模型菌株。随后，Williams 利用从 ATCC 27184 中分离出的耐葡萄糖（GT）非运动型菌株，开发了针对光合基因的靶向诱变方法。正是这个 GT 菌株，在1996年由日本 Kazusa DNA 研究所的团队完成了全基因组测序，使之成为第一个完成全基因组测序的光合生物，也是当时第四个完成全基因组测序的细胞生命形式，从而奠定了其作为模式生物的基因组学基础。

集胞藻 PCC 6803 的独特优势与局限性

集胞藻 PCC 6803 最初因其遗传可操作性和能够在葡萄糖上混合营养或异养生长的能力而被确立为光合作用研究的模型。这些特性使其能够灭活关键光合基因并研究其功能，这对于许多其他蓝藻模型（如用于生物钟研究的聚球藻 PCC 7942）而言是致命的。然而，这些特性并非 PCC 6803 所独有。其成为默认实验室模型的关键里程碑在于1996年完成了首例蓝藻（也是首例光合生物）的全基因组测序。尽管如今已有数百种蓝藻完成了基因组测序，但 PCC 6803 的早期确立意味着其拥有比任何其他蓝藻都更丰富的背景信息，包括转录组、蛋白质组和代谢组数据。当然，蓝藻种类繁多，其他物种在特定领域具有独特优势，例如某些物种生长更快，海洋中的聚球藻和原绿球藻具有更大的生态意义，嗜热蓝藻的热稳定蛋白复合物更适用于结构生物学，而一些物种具备 PCC 6803 所缺乏的固氮、多细胞性或特殊细胞分化能力。

集胞藻 PCC 6803 推动的生物学与技术进展

光合结构与功能的见解

遗传可操作性和易于产生光合突变体的特性，使集胞藻 PCC 6803 成为研究光合功能的主要模型。利用 Williams 开创的方法，研究人员成功创建了缺乏功能性光系统 II、光系统 I 甚至两者皆无的突变体，这得益于 GT 菌株在光激活异养生长（LAHG）条件下的异养生长能力。这些突变体为了解特定光系统亚基的作用、光合装置的塑性以及光系统的组装途径提供了早期见解。近期的研究亮点包括识别了光系统生物合成途径及其关键蛋白、确定 FtsH1 蛋白酶是光系统 II 修复循环的关键因子、发现橙色类胡萝卜素蛋白的光保护能量淬灭作用、表征了向新生反应中心传递叶绿素的复合物、阐明黄素二铁蛋白的光保护作用，以及识别了蓝藻 CO₂浓缩机制（CCM）中的许多参与者。此外，基于 PCC 6803 的诱变方法被广泛用于表征蓝藻中复杂的替代光合、呼吸和混合电子传递途径。随着单颗粒冷冻电镜技术的发展，热稳定性对结构研究的重要性降低，越来越多的研究开始解析 PCC 6803 光合复合物的结构。核心光合复合物在所有产氧光合生物中高度保守，这意味着从集胞藻研究中获得的见解通常也适用于植物叶绿体。

作为研究蓝藻胁迫响应的模型

集胞藻 PCC 6803 在蓝藻适应极端环境和波动条件的研究中也扮演了关键角色。它实际上是一种广盐性菌株，能在高达海水两倍的盐度下生长，并通过积累相容性溶质葡萄糖基甘油（GG）来适应高盐。通过筛选盐敏感突变体，首次鉴定了蓝藻中 GG 合成的基因。过去二十年，多种组学技术被用于研究 PCC 6803 的盐适应过程，识别了参与盐感应的双组分系统以及潜在的小调控 RNA（sRNA）的调节作用。

铁可用性是开放海洋中蓝藻生产力的主要限制因素。利用 PCC 6803 作为模型，解析了铁适应过程的许多分子调控方面，包括鉴定转录因子 Fur 是铁调节的关键并描述了整个 Fur 调节子、识别了 IsiA 并解析了三聚体光系统 I-IsiA 环这一最大的光合复合物结构、发现调控 isiA mRNA 的反义 RNA IsrR 以及靶向多个不同 mRNA 的 sRNA IsaR1，并揭示了蛋白酶 FtsH3 作为铁胁迫反应的上位主调节子的主要作用。

针对许多其他金属离子的胁迫反应也以 PCC 6803 为模型进行了分析。其中，对铜的反应尤为重要。在铜充足条件下，含铜的可溶性电子载体质体蓝素（PetE）是首选电子传递体；而在铜缺乏条件下，则切换到含铁的细胞色素 c₆（PetJ）。PCC 6803 通过双组分系统 CopRS 感知铜可用性，从而调节铜摄取和输出基因以及包括 PetE 在内的其他含铜蛋白的表达。petJ 和 petE 启动子因其在不同铜浓度下的严格调控，已被广泛用于蓝藻生物技术中驱动人工基因表达。

行为学研究

实验室菌株可能因培养条件不同而发生表型分化，这在研究行为反应等复杂性状时尤为显著。集胞藻 PCC 6803 具有运动性，能感知光线方向而非光强变化，表现出真正的趋光反应。21世纪初的研究明确了 IV 型菌毛在其运动中的基本作用，并初步阐明了参与运动调节的光感受器和类趋化性基因。进一步研究发现，球形 PCC 6803 细胞利用其微光学特性感知光线方向，为单细胞水平的定向光感知提供了物理基础。第二信使 cAMP 和 c-di-GMP 不仅影响运动，还影响其他行为反应，如聚集、生物膜形成和细胞间通讯。

研究行为反应的一大挑战在于不同实验室使用不同的 PCC 6803 亚株。特别是源自 Williams 的 GT 野生型菌株是非运动性的，且携带与 IV 型菌毛功能相关的突变。而原本具有运动性的菌株（如来自巴氏菌种保藏中心的模式菌株）在不同实验室传代时也容易丧失运动性。选择非运动性亚株的原因之一是运动性菌落在平板上边缘模糊，研究者倾向于挑选边界清晰的圆形菌落。此外，运动性变体在液体培养和光生物反应器中容易粘连聚集，这不适合生物技术应用和许多生理测量。因此，根据研究主题选择合适的亚株至关重要。如果菌株来源不清晰，运动性和葡萄糖耐受性测试是快速鉴定亚株的简易方法。

作为蓝藻代谢研究的模型

蓝藻的中心代谢包括维持光养和夜间代谢的核心生化途径。集胞藻 PCC 6803 代谢多功能性强，是少数能在严格异养条件下生长的蓝藻之一，这使其成为研究蓝藻代谢的首选模型。

中心碳代谢与调控：蓝藻进化出了 CO₂浓缩机制（CCM）以应对大气 CO₂浓度的下降。利用 PCC 6803 作为模型，发现了 CCM 的主要组件，例如高亲和力和低亲和力的 CO₂水合 NDH1 样复合物，以及钠依赖的碳酸氢盐转运蛋白 SbtA。碳酸氢盐扩散进入原核细胞器羧酶体，其中的碳酸酐酶 CcaA 在封装的 RubisCO 附近释放 CO₂。羧酶体壳由多种蛋白质构成，其中六聚体 CcmK1 的结构首次在 PCC 6803 中得到阐明。研究表明，即使在有 CCM 活性的情况下，RubisCO 的加氧酶功能在蓝藻中仍未被完全抑制，利用明确的突变体，在 PCC 6803 中鉴定出了三条解毒光呼吸中间产物 2-磷酸乙醇酸（2-PG）的途径及其关键作用。

PCC 6803 可以利用外部葡萄糖，早期研究显示葡萄糖主要通过氧化磷酸戊糖（OPP）途径代谢。蓝藻具有进行经典糖酵解途径的酶学能力，该途径为三羧酸（TCA）循环提供有机碳。蓝藻的 TCA 循环是修饰过的，因为缺失了酮戊二酸脱氢酶复合物。在 PCC 6803 中，在某些条件下可通过替代途径将 2-酮戊二酸（2-OG）转化为琥珀酸。因此，TCA 循环的主要功能与产生作为氮同化前体的 2-OG 有关。近期的代谢通量分析表明，在光照下，尤其是在光暗转换或光异养条件下，所有合成和分解代谢碳途径都可能具有活性。

CCM 活性和 CO₂固定受到严格调控。许多 CCM 基因在低碳条件下被激活，涉及转录调节因子 NdhR、CmpR、RbcR 和 SyCRP1。这些转录因子通过小分子信号感知 CO₂可用性，其中 2-PG 和核酮糖-1,5-二磷酸信号指示低碳，而 2-OG 和 cAMP 指示高碳。与 CCM 不同，碳通量似乎主要在生化水平上受到调控。在 PCC 6803 中发现的 PII 样蛋白 SbtB 是一种新的碳适应调节因子，它可以根据结合 AMP 或 cAMP 的情况直接与 SbtA 转运蛋白互作，并能响应第二信使 c-di-AMP 来调节糖原积累。此外，SbtB 有助于 PCC 6803 在可变 CO₂条件下调控基因表达。CBB 循环的活性在不同氧化还原条件下（如光暗变化、葡萄糖添加或不同 CO₂水平）受 CP12 蛋白调控。在 PCC 6803 中还发现了 PirC 蛋白，它是碳通量从 CBB 循环进入下游糖酵解的关键调节因子，在高碳氮（C/N）比导致的 2-OG 信号升高时，可以抑制磷酸甘油酸变位酶。

当光合固定的碳超过细胞的即时合成需求时，多余的碳被导向储存化合物的合成。与大多数通常只合成一种碳储存化合物的细菌不同，集胞藻 PCC 6803 能产生两种化学性质不同的储备物：糖原和聚羟基丁酸酯（PHB）。其中，糖原已被确认为重要的能量和碳储存库，尤其在黑暗期和营养饥饿时至关重要。而 PHB 在蓝藻中的生理作用尚不清楚。PCC 6803 作为模型，被用于研究糖原的生理作用及其生物合成的调控机制。缺乏糖原的突变体揭示，除了作为储备聚合物，糖原还在碳代谢中发挥缓冲作用，并有助于胁迫适应。酶学研究阐明了 PCC 6803 中糖原生物合成的调控，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶和糖原合酶都受到氧化还原调控。最近，磷酸葡萄糖变位酶被确定为连接糖原与中心碳代谢的关键节点，尤其是在胁迫响应期间。

氮同化与碳氮平衡：蓝藻在稳态生长期间维持大约 5:1 的细胞碳氮比，这需要与碳固定过程协调的氮同化。由于集胞藻 PCC 6803 不能固定大气氮（N₂），其生长完全依赖化合态氮源的可用性。主要氮同化途径及其调控机制在蓝藻中高度保守。谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合酶（GS-GOGAT）途径主要负责铵同化。早期关于 PCC 6803 氮代谢的开创性研究聚焦于谷氨酰胺合成酶活性的调控。而蓝藻核心氮代谢的研究在 20 世纪末主要使用鱼腥藻和聚球藻菌株进行，这些研究导致了全局氮调控系统转录因子 NtcA 的发现，以及在聚球藻 PCC 7942 中通过酵母双杂交筛选发现的转录共激活因子 PipX。然而，正是在 PCC 6803 中，以高灵敏度确定了 NtcA 调节子，涵盖 51 个被激活和 28 个被抑制的直接受 NtcA 调控的基