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在光合作用生物中，光对淀粉积累调控机制不明。研究人员以莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii ）为对象，探究蓝光感知与淀粉代谢关系。发现 Phototropin 介导的信号通路，能调节淀粉代谢。这为理解微藻碳代谢提供新视角，助力生物技术应用。
在奇妙的微观世界里，绿藻虽小却蕴含着巨大的能量转化奥秘。光，对于光合生物而言，不仅是能量的来源，更是调控其生长发育和生理活动的重要环境信号。在绿藻中，淀粉作为主要的储存碳水化合物，如同能量的 “储备库”，在白天积累，夜晚分解，以满足细胞的能量需求。然而，长期以来，光质在调节淀粉积累过程中的信号作用却如同被迷雾笼罩，始终未被揭开神秘的面纱。以往研究虽发现光质会影响绿藻碳水化合物的积累和代谢，但其中的分子机制却无人知晓。为了打破这一困境，来自世界各地多个研究机构的科研人员携手合作，展开了一场探索之旅，他们的研究成果发表在《Nature Communications》上。
为了深入探究蓝光感知与淀粉积累之间的关系，研究人员以莱茵衣藻为研究对象。他们运用了多种先进的研究技术，其中包括 CRISPR-CAS9 基因编辑技术（用于构建各种突变体，敲除或修饰特定基因）、蛋白质组学技术（分析不同突变体中蛋白质表达的差异，挖掘潜在的调控蛋白）以及磷酸化分析技术（研究蛋白磷酸化状态的变化及其对功能的影响 ）。
研究结果如下：
- phot 突变体是淀粉超积累体：研究人员对比野生型和缺乏不同蓝光受体的突变体发现，phot 突变体在连续光照下积累的淀粉约为野生型的三倍。通过透射电子显微镜观察发现，其叶绿体充满淀粉颗粒，淀粉鞘异常增厚。在不同光质下，野生型在红光下淀粉积累更高，而 phot 突变体在各种光质下淀粉水平都很高，这表明 PHOT（Phototropin）在莱茵衣藻中起到抑制淀粉积累的作用123。
- GAP1 是淀粉代谢的关键调节因子并受 PHOT 控制：通过基于质谱的定量蛋白质组学分析，研究人员发现与野生型相比，phot 突变体中甘油醛 - 3 - 磷酸脱氢酶（GLYCERALDEHYDE-3-PHOSPHATE DEHYDROGENASE，GAP1）表达上调 27.5 倍。进一步研究表明，PHOT 在光照下抑制 GAP1 表达，且这种抑制依赖于 PHOT 的激酶活性。实验还证实，GAP1 表达水平与淀粉含量呈正相关，过表达 GAP1 可使淀粉积累增加，下调 GAP1 则减少淀粉积累456。
- PHOT 改变光受体介导的信号激酶 1（PHOTOTROPIN-MEDIATED SIGNALLING KINASE 1，PMSK1）的磷酸化状态：通过比较野生型和 phot 细胞的磷酸化蛋白质组，研究人员鉴定出 PMSK1。实验表明，蓝光激活的 PHOT 可使 PMSK1 去磷酸化，且丝氨酸 120（S120）的磷酸化对 PMSK1 的功能至关重要789。
- PMSK1 的丝氨酸 120 磷酸化状态控制淀粉积累：研究人员利用 PMSK1 的磷酸模拟突变（S120D）和非磷酸化突变（S120A）进行研究，发现 S120 的磷酸化状态通过调节 GAP1 的 mRNA 水平来控制淀粉代谢，且 PMSK1 发挥调节作用依赖其激酶活性101112。
- PMSK1 在 PHOT 下游调节淀粉代谢以响应蓝光：研究人员构建 pmsk1 单突变体和 phot pmsk1 双突变体，结果显示，pmsk1 突变体中 GAP1 的 mRNA 水平和淀粉积累受光质影响发生变化，双突变体中 GAP1 的 mRNA 水平和淀粉积累进一步降低。这表明 PMSK1 在传递 PHOT 介导的蓝光信号以调节淀粉代谢中起关键作用131415。
研究结论表明，研究人员发现了一条全新的蓝光信号通路，即 PHOT 感知蓝光后，调节 PMSK1 的磷酸化状态，进而影响 GAP1 的 mRNA 水平，最终调控淀粉代谢。该研究解决了长达四十年关于绿藻在红光下淀粉积累的疑问，揭示了光信号与淀粉代谢之间的联系。此外，研究还发现 PMSK1 属于一个在绿藻和维管植物中保守的激酶家族，但其在莱茵衣藻中控制淀粉代谢的功能与拟南芥中相关蛋白的功能有所不同。
这项研究意义重大，不仅加深了人们对微藻光受体控制碳代谢的理解，揭示了光信号通路在生物体内精细调控的机制，而且为利用微藻生产淀粉的生物技术应用提供了理论基础，有望通过精确的激酶工程来提高淀粉产量。同时，也为后续研究其他光合生物中类似的调控机制提供了重要参考，开启了探索光信号与代谢调控关系的新征程 。
