林 昕,陳曦貝,石哲萱,王宏偉

(1.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院,近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門市海灣生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361102;2.重慶市九龍坡區(qū)生態(tài)環(huán)境局,重慶 400050)

光合生物通過光合固碳過程,吸收CO2和H2O,產(chǎn)生有機(jī)物并釋放O2,提供地球上幾乎所有生命賴以生存的物質(zhì)和能量,重要意義不言而喻.碳酸酐酶(CA;EC 4.2.1.1)是碳濃縮機(jī)制(CCM)的關(guān)鍵酶,能有效催化HCO3-與CO2間的可逆轉(zhuǎn)換,是決定光合固碳效率的重要因素,也是深入了解藻類光合固碳機(jī)制必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié).CA基因家族具有復(fù)雜的遺傳多樣性,體現(xiàn)為不同的類型、亞細(xì)胞分布和功能多樣性.隨著近年來對(duì)多種模式微藻光合固碳過程認(rèn)識(shí)的逐步加深,藻類中不同類型CA的亞細(xì)胞分布和功能研究屢見突破性進(jìn)展.本文綜述CA的類型、分布及基因家族多樣性,闡述其在不同微藻光合固碳中的作用,進(jìn)而對(duì)其在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中的重要意義及其應(yīng)用轉(zhuǎn)化前景展開討論.

1 海洋藻類的光合固碳與CCM

海洋中的光合藻類是地球上重要的初級(jí)生產(chǎn)者,通過光合作用貢獻(xiàn)了海洋初級(jí)生產(chǎn)力的95%[1]和全球初級(jí)生產(chǎn)力的46%[2],在全球的碳循環(huán)和生態(tài)平衡過程中扮演著重要角色.光合固碳由一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)組成,固碳效率受多種因素制約,其中有兩個(gè)關(guān)鍵因子起著不可忽視的作用,分別是光合作用卡爾文循環(huán)中的關(guān)鍵酶——捕獲CO2執(zhí)行同化反應(yīng)的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO),及其同化反應(yīng)所在微空間內(nèi)底物CO2的濃度.

RuBisCO的特性是它能同時(shí)執(zhí)行雙向催化反應(yīng)——“光合固碳”與“光合呼吸”.前者進(jìn)行羧化反應(yīng),底物CO2被同化;后者進(jìn)行氧化反應(yīng),O2成為競(jìng)爭(zhēng)底物.氧化反應(yīng)形成的磷酸乙醇酸會(huì)抑制RuBisCO羧化反應(yīng)效率,因此羧化反應(yīng)效率極低[3].RuBisCO氧化反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)使得一些植物固定CO2的量?jī)H占RuBisCO單獨(dú)進(jìn)行羧化反應(yīng)時(shí)的55%[4].

已知自然界中存在3種類型的RuBisCO,結(jié)構(gòu)各不相同,催化效率和底物親和力也存在差異.高等植物和綠藻、硅藻、藍(lán)藻等藻類均含有Ⅰ型RuBisCO[5];大部分甲藻均采用Ⅱ型RuBisCO進(jìn)行碳同化,對(duì)CO2和O2分子的特異性識(shí)別能力明顯低于Ⅰ型RuBisCO[6];Ⅲ型RuBisCO迄今只在古菌中發(fā)現(xiàn);此外,在一些細(xì)菌中還發(fā)現(xiàn)了RuBisCO類似蛋白,歸為Ⅳ型RuBisCO,但已有研究顯示它們的催化功能可能與甲硫氨酸循環(huán)、硫代謝和芹菜糖分解代謝有關(guān)[7-8].

CO2是RuBisCO羧化反應(yīng)的底物,其濃度很大程度上影響同化速率,進(jìn)而影響光合效率.在海洋環(huán)境中無機(jī)碳總量較為豐富,約2.2 mmol/L,但99%以上的無機(jī)碳以HCO3-的形式存在[9],海洋中CO2濃度幾乎不會(huì)超過25 μmol/L[10].由于RuBisCO羧化反應(yīng)的低效性和固碳反應(yīng)底物CO2濃度的限制,光合生物演化出CCM[11],通過吸收環(huán)境中的無機(jī)碳,調(diào)控胞內(nèi)無機(jī)碳形式及其轉(zhuǎn)運(yùn),借助分布于不同亞細(xì)胞位點(diǎn)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及CA實(shí)現(xiàn)RuBisCO周圍CO2的富集,提高光合效率.CCM廣泛分布于多個(gè)物種,從單細(xì)胞的藍(lán)藻、硅藻等微藻[5]到紫菜[12]等大型藻類,此外以珊瑚為代表的海洋無脊椎動(dòng)物中也發(fā)現(xiàn)存在CCM[13].

C4代謝和景天酸代謝(CAM)是最早詳細(xì)報(bào)道的CCM[14],二者以生物化學(xué)泵的方式通過物質(zhì)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)碳濃縮過程.藻類CCM的報(bào)道多存在于大型藻類[12,15],也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)綠藻中的鈣扇藻(Udoteaflabellum)[16]和硅藻中的威氏海鏈藻(Thalassiosiraweissflogii)[17]具有C4代謝途徑.大多數(shù)藻類的固碳機(jī)制屬于C3類型,通過生物物理泵和化學(xué)泵結(jié)合的方式使CO2在RuBisCO周圍富集以實(shí)現(xiàn)碳濃縮.

2 CA的功能及其多樣性

2.1 CA及其催化功能

CA是光合藻類CCM的重要組成部分,能快速催化HCO3-與CO2的相互轉(zhuǎn)化,促進(jìn)無機(jī)碳在細(xì)胞內(nèi)的跨膜運(yùn)輸,最終在RuBisCO周圍富集CO2[5,18].CA催化的可逆反應(yīng)參與羧化反應(yīng)、酸堿平衡、離子交換、脂肪合成、糖原異生等一系列生理生化過程,有著重要的生理意義[19-20].CA在催化HCO3-和CO2互相轉(zhuǎn)化時(shí),催化活性域兩側(cè)各有一個(gè)疏水腔和親水腔,疏水腔的氨基酸殘基能捕獲CO2分子,親水腔的氨基酸殘基結(jié)合HCO3-,保證可逆反應(yīng)進(jìn)行[20].

作為一種金屬酶,幾乎所有已知的CA都以特定的氨基酸殘基與金屬離子結(jié)合而表現(xiàn)活性.與CA結(jié)合的金屬離子以鋅(Zn)最為常見,也有鎘(Cd)、鈷(Co)和鐵(Fe)[20].以人類的HCAⅡ?yàn)槔?其高效催化效率[Kcat/Km為108L/(mol·s),每秒轉(zhuǎn)換1.4×106個(gè)底物分子][21-22]依賴酶活性中心的Zn2+以及與之連接的氨基酸對(duì)水分子的解離作用[23],而與金屬離子相連氨基酸的改變會(huì)削弱小鼠中CA的催化活性[24].因此,金屬離子結(jié)合域是CA抑制劑和激活劑的作用位點(diǎn),常見的CA抑制劑磺胺類藥物及其異位化合物就是通過磺胺基團(tuán)(SO2NH-)替代水分子或OH-與金屬離子結(jié)合,抑制CA活性.目前也發(fā)現(xiàn)了其他原理的抑制劑,但均作用于活性區(qū)域,比如錨定與金屬離子結(jié)合的配位基團(tuán)或封閉活性位點(diǎn)[20].

2.2 CA的類型

自1933年確定血液中CA的存在以來[25],動(dòng)物、植物、藻類以及細(xì)菌中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)CA[26-29](表1),按照被發(fā)現(xiàn)的順序以希臘字母α～ι命名.不同類型CA的氨基酸序列存在明顯差異,功能也不盡相同.

2.2.1 α-CA

α-CA是最早發(fā)現(xiàn)的CA[25],研究也最為廣泛,在動(dòng)物、植物、藻類和細(xì)菌中均存在.根據(jù)序列相似性,α-CA又可以劃分為兩類:一類主要分布于高等植物、藻類,另一類存在于動(dòng)物、細(xì)菌以及病毒中.

2.2.2 β-CA

1936年在植物中發(fā)現(xiàn)了新的CA[33],但直到1939年其活性才經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)[34].根據(jù)序列差異程度,β-CA可分為6種亞型.2004年在藍(lán)藻中發(fā)現(xiàn)一種新的CA,命名為ε-CA,它不僅起催化作用還是藍(lán)藻羧酶體結(jié)構(gòu)組成的一種輔助蛋白,而進(jìn)一步的晶體結(jié)構(gòu)分析證實(shí)ε-CA是β-CA蛋白家族的一種新亞型,因此該名稱后續(xù)并未再使用[34-36].在萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)中,限制性CO2誘導(dǎo)蛋白B/C(LCIB/LCIC)復(fù)合體能夠捕獲葉綠體蛋白核中溢出的CO2并以HCO3-的形式運(yùn)輸回蛋白核中,其中LCIB基因編碼的也是一種β-CA,位于葉綠體基質(zhì)中,環(huán)繞蛋白核,在CCM中起重要作用[37].

2.2.3 γ-CA

γ-CA最初發(fā)現(xiàn)于古菌甲烷八疊球菌(Methanosarcinathermophila)[35],后來在植物和光合細(xì)菌中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)γ-CA[38-39].在部分藻類和其他植物細(xì)胞中鑒定到的γ-CA為線粒體電子傳遞鏈中復(fù)合物Ⅰ的組成部分,并不具有催化功能,推測(cè)其參與線粒體與葉綠體間CO2的傳送過程[4],但具體功能仍有待進(jìn)一步研究[40].

2.2.4 δ-CA

1997年在硅藻威氏海鏈藻中鑒定到δ-CA[41],迄今僅在藻類中報(bào)道發(fā)現(xiàn)此類型CA.δ-CA氨基酸序列與之前發(fā)現(xiàn)的CA差別很大,但其預(yù)測(cè)的二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)域均與α-CA相似[42].X射線吸收光譜法對(duì)δ-CA活性位點(diǎn)的研究進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論[43],同時(shí)δ-CA與α-CA類似,具有酯酶活性[44].此外,δ-CA活性位點(diǎn)處也可結(jié)合Co2+,被認(rèn)為是藻類適應(yīng)低鋅濃度環(huán)境的生存策略[45].γ-CA和δ-CA的活性位點(diǎn)均與α-CA類似,但結(jié)合的金屬離子有所差異.

2.2.5 ζ-CA

最初認(rèn)為ζ-CA僅分布于海洋原生生物中,隨后在威氏海鏈藻中發(fā)現(xiàn)了ζ-CA,命名為CDCA1[46].除Zn2+和Co2+外,ζ-CA也結(jié)合其他金屬離子,最常見的是Cd2+[47].其氨基酸序列與其他類型CA差異很大,但活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)與β-CA類似[45].δ-CA、ζ-CA分別與α-CA、β-CA的活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)存在相似性,這被認(rèn)為是趨同進(jìn)化的結(jié)果[32].

2.2.6 θ-CA

θ-CA是一類新鑒定的CA,目前僅在硅藻、綠藻、藍(lán)藻等藻類中被發(fā)現(xiàn)[48].在硅藻三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)中,已證實(shí)類囊體中的基因Pt43233編碼一種θ-CA,其功能是催化類囊體中的HCO3-轉(zhuǎn)化為CO2以供光合作用.

2.2.7 ι-CA

2019年在硅藻假微型海鏈藻(T.pseudonana)的基因組中首次發(fā)現(xiàn)ι-CA[49].與其他CA不同的是,在ι-CA結(jié)構(gòu)中未發(fā)現(xiàn)金屬離子的存在,但有研究指出Zn2+可引起ι-CA活性改變,這表明在ι-CA中金屬離子行使的可能不是催化功能,而是結(jié)構(gòu)功能[50].

2.3 藻類CA的多樣性

CA在光合生物CCM中起著重要作用.在已報(bào)道的8大類CA中,目前在藻類中已發(fā)現(xiàn)7種,且不同類群擁有不同的類型,呈現(xiàn)復(fù)雜的多樣性,包括活性位點(diǎn)氨基酸殘基和金屬輔因子、蛋白結(jié)構(gòu),以及亞細(xì)胞分布3個(gè)方面(表2)[5,18,32,49-50].

表2 藻類中不同類型CA的活性位點(diǎn)、蛋白結(jié)構(gòu)、亞細(xì)胞分布

1992年聚球藻SynechococcusPCC7942中發(fā)現(xiàn)在固碳過程中起重要作用的β-CA,與高等植物葉綠體CA的蛋白序列相似度約20%,隨后又在藍(lán)藻中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了α-CA和γ-CA[28,35,51-52].隨著基因組學(xué)研究的發(fā)展,近年來在綠藻的青綠藻(Ostreococcuslucimarinus)[53]和小球藻(Chlorellasp. NC64A)[54]、紅藻的紫球藻(Porphyridiumpurpureum)[55],以及硅藻的三角褐指藻和假微型海鏈藻[56-58]的基因組分析中均鑒定到不同類型的CA.

已知不同類型的CA廣泛分布于不同藻類中,同一藻類中存在不同類型的CA,數(shù)目也不同,這與不同類型CA的功能差異以及不同藻細(xì)胞的生境有關(guān)(表3).即使是藻類中同一類型的CA,功能也不盡相同.如萊茵衣藻中,同樣分布在葉綠體的CAH3和CAH6同為β-CA,但它們對(duì)磺胺類抑制劑的敏感性相差100倍,蛋白功能也存在差異[68].藻類中同一類型的CA也存在不同亞型,其分子特征、蛋白結(jié)構(gòu)以及亞細(xì)胞分布和功能均有差異[10].同時(shí)不同類型的CA在不同藻類中可能執(zhí)行相同功能,如萊茵衣藻中由α-CA實(shí)現(xiàn)HCO3-和CO2的轉(zhuǎn)化,而三角褐指藻中θ-CA也能行使這一功能[32].

表3 部分藻類中的CA分布

3 微藻模式種的CA與CCM

在不同光合藻類中,光合質(zhì)體內(nèi)共生過程造成細(xì)胞中光合質(zhì)體膜結(jié)構(gòu)有所不同[69](圖1),參與無機(jī)碳輸送的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在不同種類的各級(jí)膜結(jié)構(gòu)上分布不同,進(jìn)而使得CA的類型與分布呈現(xiàn)多樣性,這是構(gòu)成藻類CCM復(fù)雜特質(zhì)的重要生物學(xué)基礎(chǔ).雖然研究人員對(duì)于CA的催化活性早有認(rèn)識(shí),但是對(duì)于多種類型CA在各類群CCM中的具體作用尚未完全闡明,目前僅對(duì)個(gè)別微藻模式種有較為深入的了解,下文對(duì)具有不同光合質(zhì)體的典型微藻CCM及CA在其中的作用進(jìn)行概述.

紅色虛線框?yàn)楦骷?jí)內(nèi)共生的過程,粗紅色虛線(中左側(cè))表示該內(nèi)共生過程尚存在爭(zhēng)議;紅色光合質(zhì)體起源于紅藻,綠色光合質(zhì)體起源于綠藻;光合質(zhì)體中的實(shí)線表示已證實(shí)存在的膜結(jié)構(gòu),虛線表示尚未證實(shí)的膜結(jié)構(gòu).圖1 藻類光合質(zhì)體內(nèi)共生演化示意圖(參照文獻(xiàn)[69]繪制,有修改)Fig.1 Schematic depicting the endosymbiotic events of plastid (modified from Ref.[69])

3.1 藍(lán)藻(原始光合質(zhì)體)

藍(lán)藻早在20億年前就已出現(xiàn)[70],為原核生物,擁有最原始的光合固碳系統(tǒng),不具光合質(zhì)體,由類囊體執(zhí)行光合作用.藍(lán)藻CCM通過無機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將胞外無機(jī)碳運(yùn)輸進(jìn)細(xì)胞,最后在含有RuBisCO的微室(羧酶體)實(shí)現(xiàn)羧化反應(yīng)(圖2)[5,71].無機(jī)碳通過多種方式跨越細(xì)胞質(zhì)膜和類囊體膜,CO2通過自由擴(kuò)散,而HCO3-通過轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)穿過質(zhì)膜.質(zhì)膜上HCO3-的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白包括與Na+同向轉(zhuǎn)運(yùn)的低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和低CO2脅迫誘導(dǎo)下表達(dá)的高親和力蛋白,其中后者需消耗ATP完成轉(zhuǎn)運(yùn).ε-CA(β-CA的亞型)不僅作為羧酶體的結(jié)構(gòu)組成蛋白分布于類囊體中,同時(shí)催化HCO3-轉(zhuǎn)化為CO2,促使羧酶體中的RuBisCO執(zhí)行光合固碳反應(yīng);而同為羧酶體組裝蛋白的γ-CA和CcmM不具催化活性[5].此外在羧酶體中還鑒定到具有催化活性的β-CA——CcaA和CsoSCA,同樣為羧酶體組裝蛋白[52].

A、D、E為高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),B、C為低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng);NADP為氧化型鋪酶Ⅱ,ATP為三磷酸腺苷.圖2 藍(lán)藻CCM示意圖(參照文獻(xiàn)[5,71]繪制,有修改) Fig.2 Schematic diagram of CCM in cyanobacteria (modified from Ref.[5,71])

3.2 綠藻(一次內(nèi)共生)

真核藻類中CCM最早報(bào)道于綠藻[72].與藍(lán)藻不同,綠藻作為真核生物,葉綠體、線粒體等細(xì)胞器都參與碳濃縮過程,以萊茵衣藻作為模式種,其CCM的研究最為深入(圖3)[73-74].真核生物葉綠體中有功能類似于藍(lán)藻羧酶體的結(jié)構(gòu)——蛋白核,富集RuBisCO和CA以實(shí)現(xiàn)最大化羧化反應(yīng)效率.萊茵衣藻中存在多種類型CA,包括3種α-CA、9種β-CA和3種γ-CA[62,75].萊茵衣藻細(xì)胞外間質(zhì)中有多種CA[76],質(zhì)膜上還具有無機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)用來轉(zhuǎn)運(yùn)HCO3-,胞質(zhì)中的無機(jī)碳則通過葉綠體膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)入質(zhì)體內(nèi)[77].萊茵衣藻的一種β-CA(CAH6)分布于細(xì)胞鞭毛上,作用可能為感應(yīng)外界無機(jī)碳濃度;而另一種α-CA(CAH3)分布于貫穿蛋白核的類囊體中,承擔(dān)最終富集生成CO2供給RuBisCO的任務(wù)[74,78].此外,在萊茵衣藻線粒體中發(fā)現(xiàn)了2種β-CA和3種γ-CA[75,79-80],它們對(duì)CCM的貢獻(xiàn)尚需進(jìn)一步驗(yàn)證.

HLA3.高光激活蛋白3;ACA4.自抑制Ca2+依賴性腺苷三磷酸酶4;LCI1.質(zhì)膜無機(jī)碳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白.圖3 萊茵衣藻CCM示意圖(參照文獻(xiàn)[73-74]繪制,有修改)Fig.3 Schematic diagram of CCM in C.reinhardtii (modified from Ref.[73-74])

3.3 硅藻(二次內(nèi)共生)

硅藻是分布最廣泛的初級(jí)生產(chǎn)者,其光合質(zhì)體經(jīng)歷了二次內(nèi)共生后具有4層膜結(jié)構(gòu)(圖1),包括2層葉綠體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(CER)以及2層葉綠體被膜(CEV),因此硅藻的CCM研究極具挑戰(zhàn)性.目前三角褐指藻和假微型海鏈藻中不同CA的亞細(xì)胞分布研究較為清晰(圖4)[10],CA在兩種硅藻中參與逐步輸送無機(jī)碳,最終將其富集于RuBisCO周圍的過程,但是兩者胞內(nèi)CA的類型和亞細(xì)胞分布存在明顯差異,表明兩者采用的策略可能存在差異[10,48];同時(shí)在兩種硅藻的線粒體中均發(fā)現(xiàn)CA,但其具體功能尚不清楚,有待進(jìn)一步研究[9,48]

紅色橢圓中的CA定位和活性均已證實(shí);黑色橢圓中的CA定位已被證實(shí),但尚未證實(shí)活性;灰色橢圓中的CA來自基因組數(shù)據(jù),尚未驗(yàn)證定位和活性;PPT為穿透蛋白核的類囊體;SLC4為溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4.圖4 三角褐指藻(a)和假微型海鏈藻(b)中不同類型CA的亞細(xì)胞分布(參照文獻(xiàn)[74]繪制,有修改)Fig.4 Subcellular localization of different types of CA in P.tricornutum (a) and T.pseudonana (b) (modified from Ref.[74])

目前三角褐指藻中僅β-CA和θ-CA已明確催化活性,其中θ-CA與綠藻的α-CA相似,位于PPT腔中,在RuBisCO周圍富集CO2,表明在真核藻類中不同類型的CA在功能上存在趨同進(jìn)化[32].假微型海鏈藻中δ-CA和ζ-CA分布于細(xì)胞外周質(zhì)空間,其催化活性已在同屬的威氏海鏈藻中被證實(shí).最新研究發(fā)現(xiàn)假微型海鏈藻基因組中存在θ-CA的新亞型,序列分析顯示其含有葉綠體和類囊體的結(jié)合區(qū)[58].

除上述模式種外,近年來借助于組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,其他藻類CA的研究也有所突破.與硅藻同屬不等鞭毛類的微擬球藻(Nannochloropsisoceanica)光合質(zhì)體結(jié)構(gòu)不具有蛋白核,其CCM的必需α-CA(CAH1)分布于光合質(zhì)體4層膜中最外層的內(nèi)腔,催化HCO3-向CO2的轉(zhuǎn)化[81].紅藻條斑紫菜(Pyropiayezoensis)的無機(jī)碳利用研究表明,其CA家族擴(kuò)張,含α-CA、β-CA、γ-CA這3種類型,其中α-CA在基因組中含有最多基因拷貝數(shù)及多種亞型,分布于胞外的α-CA亞型可促進(jìn)甲殼HCO3-釋放,是其獲取無機(jī)碳的一個(gè)來源[82].

4 環(huán)境因子對(duì)藻類CA表達(dá)及活性的影響

藻類的CA表達(dá)水平及CCM的活性水平受環(huán)境因子調(diào)控,無機(jī)碳是最直接的影響因素[83].在低CO2濃度下綠藻胞外CA表達(dá)顯著上升,而在高CO2濃度下CA表達(dá)均有下降[84].當(dāng)外界CO2濃度足夠高時(shí),有些藻類的CA會(huì)完全不表達(dá)[5].有趣的是,CO2濃度升高并不會(huì)導(dǎo)致所有CA表達(dá)下降,有些CA表達(dá)甚至上升,反之亦然,CO2濃度下降也伴隨著某些CA表達(dá)下降[75],這與不同類型CA在藻細(xì)胞中的不同功能有關(guān)[27,58,75].除CO2外,HCO3-也是影響CA活性的重要無機(jī)碳形式.隨著HCO3-濃度的升高,綠藻的寡枝剛毛藻(Cladophoraoligoclora)的CA活性呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì):濃度升高起始,藻體獲得的無機(jī)碳供給較充足,不需要過度依賴CCM來獲取CO2,因此CA活性下降;但當(dāng)濃度過高,藻體快速生長(zhǎng),使無機(jī)碳源耗竭,從而誘導(dǎo)CA表達(dá)升高[85-86].

溫度、光強(qiáng)和痕量金屬等因素也會(huì)影響CA的表達(dá)和 CCM 效率[5,87].溫度升高通過抑制CCM可以限制藻類光合固碳[88],光強(qiáng)也會(huì)對(duì)萊茵衣藻的CA表達(dá)以及三角褐指藻的CA活性造成影響[89-90].威氏海鏈藻中的δ-CA(TwCA1)表達(dá)水平不僅受外界CO2濃度影響,也受痕量金屬影響,這與大部分CA必須結(jié)合金屬離子才能發(fā)揮活性有關(guān);此外,TwCA1表達(dá)還存在晝夜差異,夜間表達(dá)量更低[45].

赫氏顆石藻因其獨(dú)特的鈣化功能,成為研究全球變化與海洋碳循環(huán)的經(jīng)典模式微藻.在北太平洋ALOHA觀測(cè)站的原位營養(yǎng)鹽添加培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,相較于磷營養(yǎng)鹽,不同類型CA基因的轉(zhuǎn)錄本在添加氮營養(yǎng)鹽時(shí)呈現(xiàn)更顯著的富集和上調(diào)表達(dá)[65];而當(dāng)環(huán)境參數(shù)的雙因子和多因子發(fā)生變化時(shí),其CA基因的表達(dá)模式更為復(fù)雜.以2100年情景(低營養(yǎng)鹽、高光、升溫和酸化)模擬開展多重環(huán)境因子變化的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示在雙因子和多因子變化實(shí)驗(yàn)中,赫氏顆石藻中分布在細(xì)胞膜上的δ-CA基因表達(dá)均顯著下調(diào),而細(xì)胞內(nèi)的γ-CA基因在不同實(shí)驗(yàn)中均維持相對(duì)穩(wěn)定的表達(dá),同樣分布在細(xì)胞內(nèi)的α-CA基因在不同雙因子和多因子變化實(shí)驗(yàn)中的表達(dá)趨勢(shì)各不相同[66].

5 藻類CA未來研究展望

CA在自然界廣泛存在,其結(jié)構(gòu)與功能多樣性是藻類CCM的重要生物學(xué)基礎(chǔ),也是厘清藻類光合固碳機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié).盡管對(duì)于部分藻類模式種CA的類型和功能差異有所認(rèn)知[74],但CA研究仍然有待學(xué)者進(jìn)一步探究,下文從4個(gè)方面對(duì)未來研究展開討論.

5.1 藻類CA及CCM對(duì)海水升溫與酸化的響應(yīng)機(jī)制

在海洋生態(tài)系統(tǒng)中,光合固碳的微型藻類是全球變化的重要響應(yīng)者,作為初級(jí)生產(chǎn)者對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能有著深遠(yuǎn)的影響.目前藻類CA的研究多聚焦于其生物學(xué)本質(zhì)問題,而在生態(tài)學(xué)視角下對(duì)其如何響應(yīng)海水升溫和酸化的科學(xué)認(rèn)識(shí)仍然十分缺乏.

顆石藻與硅藻因具有“壓艙”效應(yīng),是生物泵與海洋碳循環(huán)研究中常見模式物種.在上述赫氏顆石藻雙因子和多因子模擬全球變化的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,高CO2濃度和其他環(huán)境因子會(huì)對(duì)細(xì)胞表面δ-CA基因表達(dá)產(chǎn)生協(xié)同負(fù)效應(yīng),進(jìn)一步影響細(xì)胞的生長(zhǎng)速率[66,91].研究表明在高CO2濃度培養(yǎng)多代后,硅藻三角褐指藻可通過調(diào)控線粒體中的碳通量以應(yīng)對(duì)海洋酸化,但來源于不同海域的三角褐指藻不同株系調(diào)整碳通量的代謝通路各不相同,在酸化條件下不同株系的CA基因表達(dá)情況也有所差異,表明在驅(qū)動(dòng)硅藻對(duì)海洋酸化的適應(yīng)過程中環(huán)境適應(yīng)性特征可能扮演著重要角色[92].因此有必要以生態(tài)學(xué)視角,探究不同藻類在海水升溫和酸化條件下CA及CCM的響應(yīng)機(jī)制,從而進(jìn)一步了解全球變化對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力以及碳的生物地球化學(xué)循環(huán)過程的影響.

5.2 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中共生藻CA的多樣性與生理生態(tài)功能

與刺胞類動(dòng)物共生的甲藻蟲黃藻(Symbiodiniaceae)是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中必不可少的初級(jí)生產(chǎn)者,可從宿主獲取無機(jī)碳進(jìn)行光合作用,并將光合產(chǎn)物有機(jī)碳化合物回饋宿主,二者的互利共生構(gòu)成了珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)基礎(chǔ)[93].珊瑚宿主與蟲黃藻配對(duì)組成的多樣性對(duì)于珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)功能有著重要的影響,諸如生長(zhǎng)速度、光合固碳效率與光合產(chǎn)物的運(yùn)輸交換以及環(huán)境適應(yīng)性等.

蟲黃藻所屬的甲藻,其光合質(zhì)體內(nèi)共生演化歷史更加復(fù)雜多樣(圖1).包括蟲黃藻在內(nèi)的大部分甲藻具有Ⅱ型RuBisCO,對(duì)CO2和O2分子的識(shí)別能力更低[6],因此推測(cè)甲藻更依賴CCM運(yùn)轉(zhuǎn)以確保固碳效率.與綠藻和硅藻等模式藻類相比,受限于龐大的基因組[94-95],過往關(guān)于甲藻CA與CCM的認(rèn)識(shí)僅限于個(gè)別種類的初步研究[67,96-97].隨著高通量測(cè)序的廣泛應(yīng)用,蟲黃藻科中現(xiàn)有5個(gè)屬的7個(gè)種已完成基因組測(cè)序[98-103],并在環(huán)境樣品中發(fā)現(xiàn)甲藻CA基因轉(zhuǎn)錄本的活躍表達(dá)[104-106],這為探討甲藻CA基因家族的多樣性,探索其光合固碳及碳濃縮過程的分子機(jī)制提供了有力支撐.

本課題組在研究中發(fā)現(xiàn),與硅藻和綠藻相比,蟲黃藻基因組中CA基因家族顯著擴(kuò)張,HCO3-轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白顯著富集,這一遺傳適應(yīng)性特征說明無機(jī)碳的輸運(yùn)對(duì)其生長(zhǎng)至關(guān)重要[99].有研究報(bào)道珊瑚體內(nèi)共生藻混合體的CA具有高活性,且在不同珊瑚種類及不同蟲黃藻中存在差異[107].當(dāng)受到環(huán)境脅迫時(shí),共生體中會(huì)出現(xiàn)碳限制,并衍生到光氧化損傷破壞共生[108-110];而在一些適應(yīng)高溫環(huán)境的珊瑚中,蟲黃藻可以傳遞更多的有機(jī)碳給宿主進(jìn)行協(xié)同抗逆[110].

蟲黃藻與宿主之間的“碳-碳”物質(zhì)交換構(gòu)成了珊瑚生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流動(dòng)和能量循環(huán)的營養(yǎng)基石,具有重要生態(tài)意義.蟲黃藻中CA的多樣性與亞細(xì)胞分布決定其從宿主中獲取和運(yùn)送無機(jī)碳的能力,進(jìn)而影響光合固碳、共生關(guān)系的建立與穩(wěn)定,亟需開展進(jìn)一步的鑒定、類型分析及相應(yīng)的生理功能研究.在未來的工作中,建議將蟲黃藻作為甲藻的模式物種開展CA類型鑒定、亞細(xì)胞分布、酶活性和CCM的研究,這不僅在理論上有助于厘清甲藻光合固碳的細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制,而且對(duì)于深入解析珊瑚-蟲黃藻共生體形成和維持的分子機(jī)制具有重要科學(xué)意義.

5.3 開放大洋環(huán)境中金屬離子共限制對(duì)CA的影響

CA作為一種金屬酶,需要結(jié)合金屬輔因子發(fā)揮催化活性.CA結(jié)合的金屬輔因子以Zn2+最為常見,也有Cd2+、Co2+和Fe2+等.在北太平洋表層海水中Zn2+濃度不到2 pmol/L[111],大洋環(huán)境中Zn2+常處于限制狀態(tài),CA與其他金屬離子結(jié)合被認(rèn)為是適應(yīng)低Zn2+濃度環(huán)境的生存策略.在威氏海鏈藻的研究中發(fā)現(xiàn)Co2+對(duì)δ-CA(TwCA1)表達(dá)及活性的影響與Zn2+基本相同[45].值得注意的是,δ-CA目前僅在藻類中被發(fā)現(xiàn);而對(duì)于廣泛分布于多類物種中的α-CA,當(dāng)Co2+取代Zn2+與其結(jié)合時(shí),酶活性顯著降低[112].

環(huán)境因子對(duì)CA表達(dá)影響的研究已經(jīng)廣泛開展,其中對(duì)于不同CO2濃度、溫度以及光照等的影響都有了一定認(rèn)識(shí),但對(duì)于金屬離子對(duì)CA的限制以及在大洋環(huán)境中是否存在溶解無機(jī)碳-Zn共限制情況的討論和研究還十分有限.通過不同種類金屬離子及不同濃度梯度培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),探究CA轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的變化及活性差異,進(jìn)一步理解CA中金屬離子潛在的調(diào)節(jié)作用,可為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)海洋浮游植物的CA功能、CCM及其對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的影響提供新視角.

5.4 CA在“碳中和”背景下的應(yīng)用前景

近年來,為實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》1.5～2.0 ℃的控溫目標(biāo),“碳中和”已成為全球應(yīng)對(duì)氣候變化的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)[113].工業(yè)廢氣中CO2的處理被視為一種有效的“碳中和”手段,由于CA的快速催化活性,在工業(yè)上將細(xì)菌CA(工業(yè)固定化酶)應(yīng)用于碳捕獲,采用多種方法對(duì)CA進(jìn)行固定,以獲得具有良好的抗高溫性能和可重復(fù)利用的固定化酶[114-116].藻類CA具備豐富的遺傳多樣性和高效的轉(zhuǎn)化活性,但目前針對(duì)藻類CA的應(yīng)用極為缺乏.通過鑒定篩選藻類中不同類型的CA,可開展工業(yè)固定化藻類來源CA的嘗試,及在光合工程微藻中實(shí)現(xiàn)異源表達(dá),評(píng)估其對(duì)光合作用的促進(jìn)作用,增加光合作用產(chǎn)物的產(chǎn)量,對(duì)于探索微藻在碳捕集以及生物質(zhì)能源開發(fā)中的作用具有重要的科技應(yīng)用價(jià)值.2015年美國能源環(huán)境部提出利用微藻工業(yè)化培養(yǎng)作為吸收器,并通過固定化CA提高反應(yīng)效率,以實(shí)現(xiàn)CO2的高效捕集和利用這一目標(biāo)[117].在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中,珊瑚-蟲黃藻共生體的健康發(fā)展依賴于穩(wěn)定的光合作用,因此有研究者提出可以采用CA活性作為生物標(biāo)記,用于珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)[118].

海洋吸收了工業(yè)革命以來排放至大氣中的26%CO2,海水碳平衡的改變導(dǎo)致海洋酸化[119].在全球氣候變化大背景下,海洋酸化、氣溫上升均會(huì)改變海洋化學(xué)的各種平衡,生存其中的海洋光合藻類是環(huán)境變化的一級(jí)響應(yīng)者,其重要意義不言而喻.任何生態(tài)系統(tǒng)或物種對(duì)未來的適應(yīng)性都在于其所包含的遺傳多樣性及其蘊(yùn)含的生態(tài)適應(yīng)分子機(jī)制,是當(dāng)前海洋生態(tài)研究的前沿主題[120-121].聚焦海洋光合微藻中CA功能多樣性和應(yīng)用潛力的研究與開發(fā),具有重要的科學(xué)理論意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值.