海洋固氮蓝藻红海束毛藻（Trichodesmium erythraeum）IMS101 对铁有效性适应的转录组重塑机制及意义

本文研究了海洋固氮蓝藻红海束毛藻（Trichodesmium erythraeum）IMS101 对铁有效性的适应机制。通过模拟铁施肥实验，发现转录组重塑是其适应铁有效性的主要驱动力，该研究有助于理解海洋固氮生物适应铁变化的机制，并为监测环境铁状态提供指标基因。

　　### 引言
红海束毛藻（Trichodesmium erythraeum）IMS101 是热带和亚热带海洋中重要的固氮生物，在全球碳氮循环里扮演关键角色。海洋中溶解铁（Fe）浓度极低，严重限制浮游植物生长，“Fe 施肥” 实验证实了 Fe 对浮游植物生长的重要性。

Fe 是光合作用和 N₂固定等细胞过程不可或缺的成分。在束毛藻中，这两个过程在光期同时发生，虽存在对细胞内 Fe 的竞争以及光合作用产生的 O₂对固氮酶的抑制，但束毛藻进化出多种保护固氮酶的机制，如细胞内的空间分隔、改变光合蛋白活性等。

束毛藻还进化出在 Fe 限制条件下获取和高效利用 Fe 的策略，像改变菌落形态收集富 Fe 尘埃颗粒、调整细胞大小和表面面积等。尽管此前研究有进展，但关于束毛藻适应 Fe 有效性仍有许多问题未解决，比如基因组注释有限、未来海洋 Fe 浓度难以预测等。本研究通过在实验室模拟海洋 Fe 施肥条件培养 IMS101，结合生理性能监测和转录组分析，探究其对 Fe 有效性的适应机制。

结果

1. IMS101 对 Fe 添加的生理反应：实验设置低（LFe）、中（MFe）、高（HFe）三种 FeCl₃添加浓度，分别为 0、10、100 nM，并与 20 μM 乙二胺四乙酸（EDTA）络合。结果显示，与 LFe 相比，MFe 和 HFe 处理下，IMS101 基于叶绿素 a（Chl a）的比生长速率和 N₂固定速率显著增加，最大光利用系数（α）和最大光合速率（P_max）也明显提高。同时，Fe 应激指标基因 idiA 和 isiA 的转录水平在 LFe 和 MFe 处理下相对 HFe 处理显著升高，且 Fe 消耗速率与生长速率呈正相关。
2. IMS101 的整体转录组重塑：利用 Illumina RNA-Seq 测序技术对不同 Fe 添加处理的 IMS101 进行全基因组基因表达分析。在 4989 个蛋白质编码基因中，共有 199 个基因在不同处理间差异表达。HFe 与 LFe 处理比较，上调基因包括编码小热休克蛋白 Hsp20、Fe-S 结合铁氧还蛋白（fdxB）等的基因，下调基因有 Fe 应激基因 isiA 及其同源基因等。
3. Fe 获取和稳态相关基因的表达：HFe 处理下，编码细胞内 Fe 稳态全局转录调节因子的 furA 基因转录水平增加两倍，而另一个 Fe 稳态调节基因 furC 下降 86%。铁转运相关基因如 futA/idiA、futBC、feoAB 以及参与细胞外颗粒 Fe 吸收和铁载体吸收系统的基因转录均显著下调。Fe-S 簇组装基因 iscS、iscA 和 sufRBCDS 呈现相反表达模式，且 Fe 储存基因 ftn 和 bfr 表达上调。
4. 碳氮循环相关基因的表达：随着添加 Fe 浓度增加，几乎所有参与 N₂固定的基因均上调，尤其是对铁需求高的 nifHDK 基因簇。同时，钼酸盐转运相关的 modAB 基因和 H₂摄取氢化酶编码基因 hupSL 也上调，而氨（amt）、硝酸盐 / 亚硝酸盐（nrt）、尿素（urtABCDE）转运基因以及硝酸盐（narB）和亚硝酸盐（nirA）还原酶基因下调。在光合作用相关基因中，多数基因在 Fe 充足条件下上调，但部分基因如编码 D1 蛋白的三个 psbA 基因拷贝下调。
5. 叶绿素 a、血红素和维生素 B₁₂生物合成相关基因的表达：HFe 处理下，血红素从头合成相关基因表达上调 2 - 3 倍，维生素 B₁₂合成基因下调 60% - 80%。编码钴螯合酶的两个 cbiX 基因和编码甲硫氨酸合酶的两个基因 metE、metH 也呈现相反表达模式。

讨论

1. 响应 Fe 有效性增加的关键代谢基因转录上调：在 Fe 限制时，束毛藻为维持其他代谢途径功能，会下调 N₂固定。随着培养基中 Fe 增加，N₂固定相关基因表达上调，增强固氮酶活性，产生氨（NH₃）和氢（H₂），同时 hupSL 基因簇转录上调，有助于 H₂的再利用和能量产生。此外，关键光合基因表达上调，Fe 充足对维持光合途径结构和功能完整性至关重要，Fe 缺乏会导致光合途径重构。
2. 通过 isiA 基因家族扩展增强光捕获能力：研究发现 isiA-like 基因簇 Tery_2483/2484/2485 在 LFe 和 HFe 处理间表达变化最大，该基因簇与淡水蓝藻 Leptolyngbya JSC-1 中的 isiA2-isiA3-isiA4-cpcG2-isiA5 基因簇相似。这些基因编码的蛋白可能参与围绕光合系统形成超复合物，增加光捕获和能量转移效率。多个 isiA 基因的存在使蓝藻在 Fe 缺乏条件下具有优势，如积累 IsiA 产物、提高光合效率等。
3. 根据 Fe 有效性灵活替换基因表达：蓝藻可通过不同基因拷贝或编码功能等效蛋白质的基因替换表达来适应环境。如不同 psbA 基因拷贝在不同 Fe 浓度下表达不同，调控 D1 蛋白合成，维持光合装置稳定性。在 Calvin 循环中，编码果糖 - 1,6 - 二磷酸醛缩酶（FBA）的基因也会根据 Fe 有效性切换表达。此外，在 Fe 限制时，会用含铜质体蓝素（PC）和黄素氧还蛋白（IsiB）替代含铁细胞色素 c₆（Cyt c₆）和铁氧还蛋白（Fdx），还存在卟啉化合物合成的权衡。
4. Fe 稳态的全局调控：Fur 家族参与束毛藻基因表达的全局调控以维持 Fe 稳态。HFe 处理下，FurC 基因下调，表明 Fe 添加缓解了氧化应激。FurA 在 Fe 充足时转录诱导，抑制 Fe 获取基因表达，促进 Fe 储存基因表达，平衡细胞内游离 Fe 离子浓度。FurA 还可能参与 Fe-S 簇和血红素等含 Fe 化合物从头合成基因的调控。但由于 IMS101 基因组注释有限，许多差异表达基因（DEGs）的作用尚不清楚，还需进一步研究。

结论

本研究发现，随着添加 Fe 浓度增加，IMS101 生长、光合作用和 N₂固定增强，转录组发生重塑。转录调节因子 FurA 调控 Fe 稳态相关基因表达，转录组分析揭示了细胞过程在 Fe 资源分配上的可塑性。isiA2/A3/A4 基因簇的发现扩展了对铁应激基因 isiA 的认识，多个 isiA 拷贝可能有助于束毛藻应对 Fe 缺乏。该研究为理解海洋固氮生物适应 Fe 有效性提供了基因组视角，有助于选择监测环境 Fe 波动的指标基因，也为研究其他固氮生物和海洋细菌对 Fe 限制的响应提供了参考。