解锁微藻 “密码”：加氏伪菱形藻 TOR 信号通路如何调控光合与脂质代谢？

为解决加氏伪菱形藻中 TOR 信号通路作用不明的问题，中国科学院水生生物研究所的研究人员开展其对光合生长和脂质分配调控的研究。结果发现 TOR 信号通路影响多种代谢，双向调节光合。该研究为微藻研究奠基，推荐科研读者阅读。

　　

研究背景

在神奇的微观世界里，微藻可是个 “宝藏选手”！它富含脂肪、多糖、蛋白质、类胡萝卜素等各种生物活性物质，就像一个装满宝贝的魔法盒子。这些物质不仅能在食品和饲料领域大显身手，有望成为农产品的潜在替代品，还能作为生物工厂生产药物。然而，微藻的生长却受到诸多因素的 “刁难”，比如光照条件、能量转换效率以及二氧化碳固定效率等。就好像微藻在成长路上遇到了重重关卡，难以顺利 “升级”。

在众多影响因素中，光照对光合作用的影响至关重要。而提高微藻的光合作用效率，就像是给微藻成长路上开了 “加速器”，能大大提升它们的生物质产量。说到这，不得不提一个关键角色 ——TOR（雷帕霉素靶蛋白）。TOR 在真核生物中高度保守，它就像细胞里的 “大管家”，能感知营养和能量状态，调控细胞生长。在植物领域，研究人员发现调节 TOR 信号通路基因可以增强光合作用效率，提高生物质产量。比如在拟南芥中，TOR 基因的过表达能减少叶绿素在压力条件下的降解，让拟南芥更能抵抗外界压力；相反，抑制 TOR 相关基因则会导致植物生长停滞，各种 “身体指标” 下降。

在藻类研究方面，虽然已经知道藻类和植物一样拥有 TOR 蛋白，但目前的研究主要集中在模式微藻莱茵衣藻上。对于海洋单细胞藻类 —— 加氏伪菱形藻（Nannochloropsis gaditana），它在水产养殖和生产二十碳五烯酸（EPA）方面有着重要的经济价值，而且其基因组小，便于进行代谢工程操作。可关于它的 TOR 信号通路，还有很多未知等待探索。比如 TOR 在加氏伪菱形藻中是如何调控光合作用、生长和脂质积累的，这些问题就像一团团迷雾，笼罩着科研人员。为了揭开这些谜底，中国科学院水生生物研究所的研究人员展开了深入研究，并在《Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology》期刊上发表了名为 “Target of rapamycin signaling modulates photosynthetic growth and lipid partitioning in Nannochloropsis gaditana” 的论文。研究发现，加氏伪菱形藻中的 TOR 信号通路在调节光合作用、碳代谢和脂质代谢方面起着关键作用，这一发现为进一步研究该藻类的光合自养和脂质代谢途径奠定了基础，对微藻在生物能源等领域的应用具有重要意义。

研究方法

研究人员为了深入了解加氏伪菱形藻中 TOR 信号通路的奥秘，采用了多种先进的技术方法。他们运用生物信息学分析，在加氏伪菱形藻中寻找 TOR 蛋白复合体相关基因，探究其结构和进化关系；利用转录组测序（RNA-seq）技术，全面分析基因表达变化，找出受 TOR 信号通路调控的关键基因和代谢途径；通过荧光定量 PCR 技术，对特定基因的表达水平进行精准检测，验证转录组数据的准确性；借助透射电子显微镜，直观观察细胞内部结构，特别是叶绿体的形态变化；还使用了各种生理指标测定方法，比如测量细胞生长密度、叶绿素荧光参数、脂质含量等，从不同角度了解 TOR 信号通路对加氏伪菱形藻生理功能的影响。

研究结果

1. 加氏伪菱形藻 TOR 复合体成分保守：研究人员发现，在加氏伪菱形藻中，只有一个保守的 TOR 蛋白（NgTOR），它和 PtTOR 蛋白的相似度最高能达到 50.5%。同时，还检测到了 TORC1 的关键组成部分 RAPTOR 和 LST8，但没找到 TORC2 的重要蛋白 RICTOR 和 SIN1。从结构上看，NgTOR 有着 N 端 HEAT 重复序列、FAT、FRB、催化结构域和 FATC 结构域等。通过构建系统发育树，发现不同物种的 TOR 蛋白既有进化上的相似性，又有各自的特点。就像不同的 “家族成员”，虽然有着共同的 “祖先特征”，但在漫长的进化过程中也发展出了独特的 “个性”。这表明 TOR 在真核生物中高度保守，但不同物种间存在差异，这些差异可能和藻类适应不同的生态环境有关。
2. 加氏伪菱形藻对 RAP 高度敏感：研究人员在加氏伪菱形藻的对数生长期，用不同浓度的雷帕霉素（RAP）对其进行 “考验”。结果发现，当 RAP 浓度在 0 - 50 nM 之间时，10 nM 的 RAP 对加氏伪菱形藻的生长抑制效果最明显。经过 RAP 处理后，藻细胞的生长速度明显减慢，细胞个头也变小了。而且，叶绿素荧光分析显示，处理后的藻细胞叶绿素荧光大幅下降，这意味着叶绿素合成受到了影响，光合作用也 “打了折扣”。不过，让人惊喜的是，这种生长抑制是可逆的，藻细胞并没有 “一命呜呼”，就像只是在成长路上暂时 “歇了口气”。
3. TOR 对加氏伪菱形藻光合作用的影响：为了进一步探究 TOR 对光合作用的影响，研究人员用 10 nM 的 RAP 处理藻细胞，然后测定光合作用相关参数。他们发现，处理后的加氏伪菱形藻，最大光化学效率（Fv/Fm）和实际光合量子产量（Y(II)）在 24 - 96 小时内显著下降。从 OJIP 曲线来看，实验组在 J 相后的荧光值明显落后于对照组，这说明 PSII 的初级电子响应性能受到了抑制。另外，随着 RAP 处理时间的增加，相对电子传递速率（rETR）也逐渐降低。这些结果都表明，TOR 信号通路对加氏伪菱形藻的光合作用有着重要的调节作用，一旦 TOR 被抑制，光合作用就会出现各种 “小故障”。
4. TOR 信号对加氏伪菱形藻叶绿体形态和脂质积累的影响：研究人员通过透射电子显微镜观察发现，正常培养的加氏伪菱形藻细胞有着完整的叶绿体结构，但经过 TOR 抑制处理（添加 10 nM RAP）3 天后，细胞的叶绿体形态消失了，取而代之的是大量的淀粉颗粒和各种形状的脂滴。同时，叶绿素含量也大幅下降，只有对照组的四分之一。这说明 TOR 活性降低不仅影响了叶绿素合成，还破坏了叶绿体结构。有趣的是，RAP 处理还诱导了细胞内脂质的积累，96 小时后脂质生产率显著高于对照组。这表明 TOR 信号通路在调节叶绿素合成、脂质代谢以及叶绿体形态方面都起着关键作用，它就像一个 “总指挥”，协调着这些重要的生理过程。
5. 光合作用抑制剂 DCMU 对 TOR 信号的影响：研究人员使用光合作用抑制剂 DCMU（二氯苯基二甲基脲）处理加氏伪菱形藻，发现浓度为 0.05 μM 的 DCMU 就能抑制藻细胞生长，降低 Fv/Fm 和Y(II) 值，明显抑制光合作用。而且，经过 48 小时处理后，TOR 信号通路相关基因的转录水平显著下调。这说明光合作用被抑制后，会影响 TOR 信号通路的功能，两者之间存在着某种相互调控的关系，就像一对相互影响的 “伙伴”。
6. 转录组分析 TOR 抑制调控的靶向代谢途径：研究人员对野生型和 RAP 处理后的加氏伪菱形藻进行转录组测序。通过分析，他们发现了 10225 个基因，包括 9616 个已知基因和 309 个预测的新基因。主成分分析显示实验重复性很好，不同处理组之间区分明显。进一步分析发现，处理 6 - 12 小时后，核糖体生物合成等途径下调，而一些代谢和环境响应途径上调；处理 18 - 24 小时后，进入光周期，与光合作用和基础物质代谢相关的途径下调，环境响应和防御机制相关途径上调。这表明 TOR 信号通路在不同阶段对加氏伪菱形藻的代谢途径有着不同的调控作用，影响着光合作用和营养分配。
7. TOR 信号调节加氏伪菱形藻的光合作用和营养能量分配：通过对转录组数据的深入分析，研究人员发现，处理 18 小时后，当细胞进入光周期，大多数与光合作用相关的基因，如编码光捕获蛋白复合体和叶绿素 a/b 结合蛋白的基因，以及参与光合系统 II 核心复合体和电子传递的基因，都显著下调。同时，参与碳代谢途径的限速酶基因表达也下降，这可能会降低碳固定效率，限制光合作用和细胞生长。相反，与糖酵解、脂肪酸合成等相关的基因表达上调，说明更多的碳被导向淀粉和脂质合成途径，促进了能量储存。这一系列结果表明，TOR 信号通路就像一个 “开关”，协调着加氏伪菱形藻的光合生长和代谢分配，影响着细胞的能量供应和生长。

研究结论与意义

这项研究首次对加氏伪菱形藻中的 TOR 信号通路进行了较为全面的探究，发现它在调节光合作用、碳代谢和脂质代谢方面起着至关重要的作用。研究表明，TOR 信号通路和光合作用之间存在双向调节关系，当 TOR 被 RAP 抑制时，会导致光合作用相关基因下调，影响光合作用效率，同时促进脂质积累；而当光合作用被 DCMU 抑制时，又会反过来影响 TOR 信号通路的功能。这些发现为我们理解微藻的生长和代谢调控机制提供了新的视角，就像为我们打开了一扇通往微藻神秘世界的新大门。

从应用角度来看，加氏伪菱形藻在水产养殖和生物能源领域具有重要价值，了解 TOR 信号通路的调控机制，有助于通过生物技术手段优化微藻的生长和代谢，提高生物质产量和脂质含量，为生物燃料生产和水产养殖提供理论支持。不过，目前的研究也存在一些局限性，比如化学抑制剂可能存在非特异性效应，TOR 信号通路的具体调控机制还需要进一步明确。未来的研究可以结合遗传和生化方法，深入探究 TOR 信号通路的奥秘，这将有助于我们更好地利用微藻，推动相关产业的发展，为实现可持续发展目标贡献力量。