沙漠藍藻需頻繁經歷與晝夜光照振蕩密切相關的吸水-脫水循環(huán)，其生存高度依賴對干旱脅迫的快速適應，脫水會嚴重損害光合作用系統(tǒng)，因此藍藻需在脫水前激活保護機制以發(fā)菜（Nostoc flagelliforme）為例，其代謝活動僅能在黎明露水等短暫濕潤期啟動，隨后面臨急速脫水傳統(tǒng)應激響應因時間不足難以生效，需依賴對環(huán)境信號的預見性調控研究發(fā)現(xiàn)光（尤其是紅光）可誘導藍藻提前準備抗旱，但從光感知到基因調控的完整信號通路尚未闡明，且沙漠藍藻遺傳操作難度大，限制了對其分子機制的研究近期，華中師范大學生命科學學院邱保勝教授團隊在PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上發(fā)表了題為Red-light signaling pathway activates desert cyanobacteria to prepare for desiccation tolerace的研究論文，揭示了紅光信號通路調控藍藻適應干旱環(huán)境的機制

　　文章中使用英國Hansatech公司生產的Handy PEA便攜式植物效率分析儀測定了不同處理的快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP曲線）和光合系統(tǒng)II（PSII）的最大潛在量子效率（Fv/Fm）結果顯示，紅光處理的藍藻在復水后，PSII的最大潛在量子效率（Fv/Fm）恢復率高達90.5%，遠超其他組別（37.6%-55.6%）（圖1B）這一數據直觀體現(xiàn)了紅光如何“喚醒”藍藻的光合修復能力，為后續(xù)基因調控研究奠定了基礎

　　作者通過酵母單雜交篩選，以NfpsbA2、NfpsbA5和NfftsH2基因的啟動子為誘餌，篩選出轉錄因子NfSrr1；進一步通過EMSA實驗（電泳遷移率變動分析）證實，NfSrr1可直接結合這三個基因的啟動子區(qū)域（圖 2A、B）在探究上游信號分子時，利用Pull-down實驗和酵母雙雜交技術發(fā)現(xiàn)，紅光傳感器 NfPixJ通過其C端的甲基趨化蛋白結構域（MCP）與NfSrr1發(fā)生直接物理互作（圖4A、B），從而明確了NfPixJ-NfSrr1信號模塊的分子互作機制又通過測量快速葉綠素熒光動力學曲線捕捉PSII電子傳遞鏈的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)突變體ΔNfsrr1的OJIP曲線呈現(xiàn)異常，這表明PSII修復通路受損，進而進一步驗證了NfPixJ-NfSrr1信號模塊在其中的重要性（圖3D、6C）另外，作者使用英國Hansatech公司生產的液相氧電極Chlorolab2進行了光合放氧速率的測定，直接量化了光合作用的產能效率結果表明，野生型在紅光處理后，放氧速率顯著高于突變體（復水后野生型61.5%，突變體約40%），說明紅光不僅保護PSII，還促進了整體光合機構功能的恢復（圖6B、3F）

　　綜上所述，沙漠藍藻（如發(fā)菜）通過紅光信號模塊NfPixJ-NfSrr1感知黎明信號，提前激活耐旱機制紅光通過NfPixJ激活轉錄因子NfSrr1，調控PSII修復基因及滲透保護物質合成，增強光合系統(tǒng)穩(wěn)定性與復水后恢復能力該信號通路的發(fā)現(xiàn)為光誘導的預警脅迫響應機制提供了關鍵見解

圖1 紅光在模擬沙漠晝夜循環(huán)中增強N. flagelliforme的耐干燥脫水準備與恢復能力

圖2 在脫水過程中，NfSrr1對光合作用相關基因起正向調控作用

圖3NfSrr1的缺失會導致脫水期間耐旱性降低，增加光系統(tǒng)II（PSII）損傷

圖4 紅光傳感器NfPixJ作為NfSrr1的上游調控因子

圖5NfPixJ缺失會顯著降低發(fā)菜（N. flagelliforme）的耐旱性

圖6NfPixJ-NfSrr1通路對光系統(tǒng)II（PSII）的修復起支持作用

圖7NfPixJ - NfSrr1介導的紅光信號通路示意圖