在极端光照条件下进行适应性训练后，研究人员发现这种原本生长在低光照环境中的小球藻（Chlorella）体内存在天然的光保护机制

《Algal Research》：Extreme light acclimation reveals inherent photoprotective mechanisms in a natively low-light Chlorella

本研究对比了极端光照条件下Chlorella ohadii与NIES 642（Chlorella vulgaris）的光保护机制。发现C. ohadii通过高效PSII循环电子流实现快速生长，而NIES 642依赖外源电子受体，两者PSII电子传递速率相当，表明不同光保护策略可达相似光合效率。

　　

格兰特·斯坦纳（Grant Steiner）|德文吉特·萨伊尼（Devinjeet Saini）|科林·盖茨（Colin Gates）

芝加哥洛约拉大学化学与生物化学系，美国伊利诺伊州芝加哥市谢里丹路1068号，邮编60660

摘要

沙漠微藻Chlorella ohadii被认为是光合效率和对强太阳辐射（2000 μmol光子 m^?2?s^?1）抵抗性的模型。其近缘种Chlorella vulgaris的一个水生、低光照（20 μmol光子 m^?2?s^?1）的野生菌株（NIES 642）成功适应了C. ohadii的环境光照条件。这两种藻类都在低光照和强光照条件下进行培养，以观察它们在光保护能力上的差异。Chlorella种类都能利用光系统II的循环电子流来缓解强光照下的光抑制，并在2小时内达到最低的倍增时间。从低光照到强光照的过渡过程中，C. ohadii的PsbA浓度仅增加了2.4%，表明其光系统II保持完整且活跃，尽管光子通量增加了百倍。而在NIES 642中，这种增加为21%，且D1亚基的光活性降低，导致其生长速度相对较慢。在强光照条件下培养的NIES 642使用快速重复率荧光测量法时，除非加入2,5-二甲基-1,4-苯醌作为外源电子受体，否则叶绿素荧光不会表现出振荡行为，这与C. ohadii

不同。这种质体醌库的限制导致NIES 642中光系统II的电子转移速度减慢，增加了光损伤的可能性。尽管如此，通过速率氧化法对光系统II的动力学分析显示，两种藻类在电荷分离后的平均时间均为13.8 ms，这表明这些绿藻在光保护机制的应用上达到了一定的平衡状态。这些不同的光保护方法可能有助于类似绿藻的应用。

引言

自20世纪下半叶以来，科学家们致力于研究缓解全球温度升高、干旱和大气二氧化碳水平上升的方法[1]、[2]、[3]。几十年来，微藻因其在高价值生物燃料和原料的大规模生产[4]、[5]、[6]、从废水中去除毒素[7]、[8]、[9]、[10]以及作为工业微生物联合体的基础[12]、[13]等方面的特性而受到生物技术的关注。开发生长迅速、耐受性强且易于处理的微藻菌株是现代藻类研究的主要目标之一。极端嗜好型绿藻Chlorella ohadii

是生长最快的光养生物之一，同时在其昼夜周期内还具备对常规脱水和强太阳辐射的天然抵抗力[14]、[15]、[16]。C. ohadii

对环境压力的强大反应促使人们对其代谢机制[17]、[18]、[19]、[20]、生理过程[21]、[22]、[23]、[24]、[25]以及主要光合蛋白复合体结构[27]、[28]进行了大量研究。

这种独特光保护能力的主要贡献者似乎是光系统II的循环电子流（PSII-CEF）机制[16]、[29]。光系统II（PSII）是光合电子传递链（PETC）中的第一个主要蛋白复合体，由超过20个亚基组成的异二聚体类囊体膜蛋白[30]、[31]、[32]。在这个与呼吸电子传递链机制不同的电子传递链中，PSII反应中心发生的电荷分离会在一对特殊的叶绿素P680中产生电子空穴，进而催化已知唯一的自然发生的水氧化反应[33]、[34]。PSII是氧气光合作用中两个光系统中对生物物理条件更敏感的，因为它捕获和传递的光波长比光系统I（PSI）更短。对于光养生物来说，适应动态光照条件至关重要，因为光照强度的增加会导致反应中心叶绿素的激发次数增多。如果PSII的电子受体侧在P680进行电荷分离时已经处于还原状态，被激发的叶绿素三重态可能会将能量传递给分子氧，形成活性氧（ROS）。PSII-CEF被认为可以通过减轻PSII受体侧的过度还原来抑制这些ROS的产生。在C. ohadii

中，观察到电子会被返回到PSII的供体侧。因此，PSII-CEF作为一种进化表型，可以通过减少成功运行PSII所需的水分解量来抵御干旱条件[16]。这种围绕光系统II供体侧的独特生物物理环境显然值得进一步研究。虽然PSII-CEF存在于生命树中不同分支的微藻中[35]，但C. ohadii是已知最活跃的使用这种机制的物种，在其自然光照条件下，超过90%的电荷分离电子都通过这一途径传递[16]。因此，了解为什么这一特定谱系会发展出如此出色的光保护能力以及其近缘物种是否具有类似的能力至关重要。

最近，我们在理解PSII-CEF的作用机制及其对PETC的影响方面取得了进展[29]。在C. ohadii

中，PSII-CEF似乎涉及两种途径的结合：一种是在PSII内部的单电子转移机制，另一种是外部?双电子转移机制。这些发现还揭示了两个光系统周围循环电子流的串联操作，这种现象最近也被认为存在于绿藻谱系中的其他光养生物中[36]。为了进一步阐明这一过程在自然依赖性较低的相关生物中的保守或变化情况，我们研究了从日本茨城县宫田河（平均日照20 μmol光子 m^?2?s^?1）的阴凉区域分离出的温带Chlorella（Beijerinck var. vulgaris，以下简称NIES 642）在强光照（2000 μmol光子 m^?2?s^?1）条件下的适应情况[37]，该藻类是从日本国家环境研究所购买的。这种藻类天然缺乏PSII-CEF发展所需的关键压力因素，如强光照和干燥，因此可以检查这一机制是否存在于整个谱系中。为了更广泛地比较PSII-CEF过程，我们还扩展了关于适应低光照条件的C. ohadii的光合调控机制的知识[15]、[21]、[22]。

实验部分

培养生长

所有培养都在CARON Model 7314-22植物生长箱中进行，温度设定为30°C，大气二氧化碳浓度为1.5%。所有培养都在250毫升的Erlenmeyer烧瓶中，使用100毫升BG-11培养基[38]进行。通过对数生长阶段的OD₇₃₀（730纳米处的光密度）进行测量，使用Thermo-Fisher Genesys 10分光光度计确定生长时间。所有培养测试都在对数生长阶段进行，并将不同物种的OD₇₃₀值标准化。两种Chlorella物种都

生长速率

对于光养生物来说，复制能力在很大程度上取决于来自PETC的化学能量输入，以最大化碳固定。光合作用的主要化学能量产物NADPH和ATP分别来源于线性电子传输和强质子梯度的形成。在C. ohadii

中，由于PSII-CEF的作用，这两个组分的优化最终实现了最低的生物量

讨论

在强光照和高二氧化碳条件下，NIES 642的复制速度使其成为已知生长最快的光养生物之一，例如C. ohadii

和蓝细菌Synechococcus elongatus UTEX 2973 [16]、[61]。这种卓越的生长能力最初被认为是C. ohadii

的独特特性，但可能更广泛地适用于Chlorella谱系，就像（以前属于同一属的）Picochlorum谱系一样

结论

尽管Chlorella ohadii

和Chlorella vulgaris菌株NIES 642的原始环境条件有很大差异，但它们都具备显著的光保护能力。C. ohadii的生物量积累和光合效率略高，这可能是由于其PSII超分子结构的差异，使得C. ohadii能够维持比NIES 642更高的PSII和PSI活性浓度。两种物种似乎都执行PSII-CEF

CRediT作者贡献声明

格兰特·斯坦纳（Grant Steiner）：撰写初稿、可视化处理、验证、实验研究、正式分析。德文吉特·萨伊尼（Devinjeet Saini）：软件开发、实验研究。科林·盖茨（Colin Gates）：撰写、审稿与编辑、可视化处理、监督、软件应用、方法论设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

团队感谢以下人士对我们比较实验的贡献：David Vinyard博士开发了VZAD软件程序，Debashish Bhattacharya博士提供了宝贵的见解，Michael Vaughn博士持续改进了JTS-150荧光分光光度计。