徐明昱，白天宇，王佳悅，田立榮,2

（1河北師范大學生命科學學院分子細胞生物學重點實驗室，石家莊 050024；2河北省細胞信號與環(huán)境適應協同創(chuàng)新中心，石家莊 050024）

0 引言

鐵(Fe)是地殼中含量第四豐富的元素[1]，是地球上大多數生物的基本必需元素。盡管地殼中鐵元素含量豐富，然而缺鐵卻是動植物界普遍存在的現象。生物可利用的鐵主要是Fe2+，在開放的含氧環(huán)境中，Fe2+很快被氧化成Fe3+。在生理pH值下，Fe3+只形成不溶性或難溶性的氫氧化物或羥-水絡合物[2]，嚴重降低了鐵在生物體內的利用效率。在開闊的海洋區(qū)域，特別是高氮和磷營養(yǎng)、低葉綠素(High Nutrient Low Chlorophyll,HNLC)的海洋區(qū)域，藻類等浮游植物的生長和營養(yǎng)物質的利用主要受Fe2+含量的限制[3]。已有研究表明，低鐵條件([Fe2+]≈1 nmol/L)在現代淡水和海洋環(huán)境中普遍存在，開放海域的鐵濃度甚至可以降低到0.05 nmol/L以下[4]，鐵缺乏已成為現代淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中藻類生長的主要限制因素。藻類在生物圈處于食物鏈較低底層，最終會通過食物鏈影響人類健康。根據世界衛(wèi)生組織的數據，全世界有30%的人口因缺鐵導致貧血[5]。因此，開展藻類應對鐵缺乏的作用機制研究，對于提高海洋初級生產力和改善人類鐵營養(yǎng)狀況等具有重要意義。

鐵是植物體內超過300種酶的輔助因子，在植物的光合作用、呼吸作用、葉綠素生物合成等重要的生理過程中發(fā)揮著不可替代的作用[6-10]。鐵作為輔因子主要以血紅素、非血紅素和鐵硫簇3種形式存在，使蛋白質能夠執(zhí)行催化、電子轉運和清除活性氧等功能，對呼吸作用和光合作用的能量轉移至關重要[11]。關于鐵在植物體內的分布、吸收、運輸、儲存、代謝以及鐵蛋白結構與功能等已有大量文獻報道[12-17]，李俊成等[18]、董曉雨等[19]、云少君等[20]、張妮娜等[21]已有綜述總結，本研究不再做詳細論述。

光合器官是最富鐵的細胞系統(tǒng)之一[22-23]。葉片中80%的鐵來自于葉綠體，其中60%的鐵位于葉綠體的類囊體膜上，20%貯存在葉綠體基質中[24]。大量研究發(fā)現，環(huán)境缺鐵嚴重破壞藻類的光合電子傳遞反應，造成光合組分的損失等不利影響。然而，目前關于藻類光合器官應答缺鐵脅迫所做出的生理反應方面的綜述還鮮有報道。因此，本研究主要以鐵缺乏對光合電子傳遞系統(tǒng)的破壞為基礎，重點闡述藻類如何響應缺鐵脅迫，包括鐵誘導蛋白的產生、光合系統(tǒng)的結構重置等內容，并討論未來鐵缺乏相關的光合作用機制和逆境脅迫研究方向。

1 鐵是葉綠素和藻膽素生物合成及光合電子傳遞反應所必需的輔助因子

首先，鐵參與光合生物中重要的捕光色素—葉綠素和藻膽素的生物合成過程。已有研究表明，鐵是葉綠素和藻膽素合成過程中眾多酶的活化劑。例如，葉綠素和藻膽素的合成前體都是δ-氨基乙酰丙酸(δaminolevulinic acid，ALA)，ALA合成酶需要鐵氧還原酶進行活化。此外，ALA合成葉綠素過程中的α-氨基乙酰丙酮酸合成酶(ALA synthase)、糞卟啉原氧化脫羧酶(coprpporphyrinogen)的活化，以及鎂-原卟啉(Mg protoporphyrin)合成原葉綠素酸酯(protochlorophyllide)等過程均需要鐵的參與[25]。缺鐵脅迫時葉綠素合成相關酶活性顯著被抑制，從而限制了葉綠素的合成。藻膽素的合成是由血紅素轉化為膽綠素IXa(biliverdin IXa)，膽綠素IXa被特定的酶部分還原異構形成藻膽素，這個過程是由還原的鐵氧還蛋白驅動的過程[26]。缺鐵會影響鐵氧還蛋白的活性和血紅素的合成，進而影響藻膽素的合成。葉綠素和藻膽素不僅作為光合色素捕獲太陽能，而且是藻膽體、PSI和PSII等重要蛋白復合物的結構成分，葉綠素和藻膽素含量的降低將直接導致光合效率的下降。

其次，鐵是光合電子傳遞反應中不可缺少的輔因子，鐵主要存在于血紅素(heme)或者鐵硫簇（4Fe-4S簇和2Fe-2S簇）中。以藍細菌的光合電子傳遞反應為例，鐵是類囊體膜上光系統(tǒng)II(Photosystem II,PSII)、光系統(tǒng)I(Photosystem I,PSI)、細胞色素b6/f復合物(Cyt b6/f)、細胞色素c6(Cyt c6)和鐵氧化還原蛋白(Ferredoxin，Fd)等重要蛋白復合物的輔因子[27]（圖1）。在整個光合電子傳遞鏈中，PSI的鐵含量最高，每個PSI核心包含3個4Fe-4S簇，即12個鐵原子；藍藻PSI以核心三聚體復合物形式存在，PSI復合物中鐵原子的數量達到36個。因此，鐵作為光合作用電子傳遞鏈上重要蛋白質復合物的關鍵元素，鐵元素的缺乏將直接影響光合電子傳遞的順利進行。

圖1 藍細菌光合電子傳遞鏈上Fe原子的存在形式

2 鐵缺乏對光合作用的破壞

鐵是藻類重要的營養(yǎng)物質，鐵元素與光合作用有著密不可分的關系，缺鐵會對光合作用產生破壞，使光合作用效率降低，從而導致藻類產量下降。缺鐵對光合作用的破壞包括以下幾個層次。

2.1 破壞藻類光合元件的形成

鐵是光合作用裝置中含量豐富的成分，生活在鐵營養(yǎng)缺乏的海洋或淡水藻類必須及時調整細胞代謝才能適應低鐵環(huán)境。藻類在適應缺鐵環(huán)境時進化出不同的光合響應機制，筆者對國內外已經報道的藻類應對缺鐵環(huán)境的光合元件進行了匯總（表1），并將藍細菌和藻類在鐵脅迫時光合系統(tǒng)的應答調控進行總結（圖2）。可以看出，光合生物處于不同的生態(tài)環(huán)境時，其應對缺鐵環(huán)境的光合響應機制不盡相同。例如海洋硅藻(Thalassiosira oceanica)主要通過顯著降低細胞內富鐵的光合電子傳遞組分的含量來適應低鐵水平，這些組分包括Cyt b6/f和PSI[28]。在陸地和淡水環(huán)境中，藍細菌則通過保持較低的PSI:PSII的比率，以適應低鐵的陸生或淡水環(huán)境[29]。

表1 光合生物響應缺鐵脅迫相關的光合元件及其功能

圖2 藻類光合系統(tǒng)響應鐵脅迫的模式圖

PSI是整個線性電子傳遞鏈中含鐵量最高的光合裝置，在多個物種中的研究都表明，缺鐵對PSI的結構和活性破壞最嚴重。在萊茵衣藻中，缺鐵導致光合器官的重建，除了導致PSI核心亞基的含量顯著降低之外，還會造成外周捕光天線的缺失、表達下調或者截短，降低LHCI的結構穩(wěn)定性，導致LHCI與PSI核心之間的激發(fā)能轉移效率下降[41-42]。除此之外，在水稻(Oryza sativaL.)中也發(fā)現了缺鐵對PSI的核心亞基和捕光天線的含量和結構破壞[48]。

除了PSI之外，關于缺鐵脅迫對PSII的電子傳遞活性也進行了相關研究。例如，鐵缺乏會造成水分子的氧化和PSII最大量子產率的降低，同時缺鐵還會引起PSII的捕光天線LHCII的顯著減少，導致PSII活性的下降[49]。同時，在萊茵衣藻中缺鐵會誘導產生一種脅迫誘導的捕光天線蛋白LhcSR3(Light Harvesting Complex Stress Related3)。LhcSR3參與萊茵衣藻的非光化學淬滅(NPQ)過程，在缺鐵條件下LhcSR3的表達會導致NPQ的增加[50-51]。

2.2 產生氧化應激

PSII和PSI是產生活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)的主要位置（圖1），3種活性氧包括超氧陰離子O2·-、單線態(tài)氧1O2和過氧化氫H2O2。缺鐵導致光合電子傳輸受損，極大的影響PSII和PSI，從而使其產生大量的ROS。而且，有關ROS解毒酶，如過氧化氫酶、過氧化物酶和一些超氧化物歧化酶均以鐵作為輔因子，因此鐵限制將導致ROS解毒酶能力的下降，從而加劇氧化應激[52]。同時，在諸多色素蛋白復合物中PSI含鐵量最多，因此PSI是受缺鐵條件損害最嚴重的光合結構。藻類缺鐵時，PSI及LHCI的蛋白含量、蛋白結構、穩(wěn)定性均受到影響，P700的光氧化活性顯著降低。由于PSI相比其它光合裝置（如PSII）受損更嚴重，由此會造成整個光合線性電子流在PSI處產生瓶頸。

綜上，鐵作為輔因子為許多蛋白質提供氧化還原電位。缺鐵脅迫會引起類囊體膜結構的變化，破壞光合元件的形成，引起光合性能的下降，最終導致植物體活性氧的產生，從而對光合作用產生破壞。

3 藻類應對缺鐵脅迫的光合響應機制

由于鐵是構成光合電子傳遞鏈上各種光合元件的重要金屬元素，光合作用裝置受到環(huán)境中“游離”鐵的強烈限制。如上所述，環(huán)境缺鐵會導致藻類缺綠（葉綠素減少），生長變緩，光合作用效率降低[53]。盡管如此，缺鐵并不會造成藻類或植物的直接死亡。這是由于光合生物對鐵的強烈需求導致其在適應鐵缺乏的過程中，不斷調整光合作用過程，以盡量減少缺鐵環(huán)境對光合作用造成的破壞。

3.1 藍細菌應對缺鐵脅迫的調控機制

藍細菌提供了地球上初級生產總量的一半以上，大多數藍細菌生活在海洋和淡水環(huán)境中。鐵缺乏是水生生態(tài)系統(tǒng)中藍細菌生長的主要限制因素，在缺鐵條件下，藍細菌中PSI和Fd的含量大幅下降。為了適應低鐵水平的環(huán)境，藍細菌發(fā)展了一套應對缺鐵脅迫的調控機制，平衡體內的鐵預算和減輕鐵消耗，其中最主要的表現是通過降低PSI:PSII比值[54]和表達鐵壓力誘導蛋白（iron-stress induced proteins A and B，簡稱IsiA和IsiB）和鐵缺失誘導蛋白A(iron deficiency induced proteinA,IdiA)應對鐵缺乏。

3.1.1 鐵壓力誘導蛋白IsiA由IsiA基因編碼的IsiA蛋白屬于葉綠素結合蛋白，由于IsiA與PSII的內周天線CP43的氨基酸序列同源，因此也稱為CP43'[55]。在鐵饑餓條件下，不同拷貝數量的IsiA蛋白圍繞在PSI核心三聚體周圍，形成PSI-IsiA超級復合物，從而擴大PSI的吸收截面，補償缺鐵時的光合效率。已有研究表明，在低鐵或者完全缺鐵條件下培養(yǎng)藍藻，PSI周圍可以誘導表達不同數量的IsiA蛋白[56-60]。低鐵條件或者短時間缺鐵時，PSI核心復合物周圍會結合18個IsiA蛋白，形成PSI3-IsiA18超級復合物。但是，缺鐵時間更長就會影響PSI3-IsiA18的穩(wěn)定性，導致在PSI三聚體周圍形成具有13個IsiA拷貝的單環(huán)的復合物[56]。當鐵的濃度在納摩爾每升(nmol)條件下，PSI周圍可能產生更多的IsiA蛋白，最多可以達到43個，在PSI核心周圍形成兩圈環(huán)狀結構[57]。最近結構生物學家分別利用X-射線晶體衍射和單顆粒冷凍電鏡技術解析了完整的PSI3-IsiA18超級復合物的三維結構：PSI-IsiA復合體是一個幾乎為圓形的圓盤，具有三重旋轉對稱性；每個PSI核心三聚體周圍有18個獨立的IsiA蛋白[59-60]，每個IsiA蛋白含有6個跨膜螺旋，結合17個葉綠素(Chls)分子，其中13個Chls的位置與CP43中的Chls是相同的，4個Chls是IsiA所特有的。

圖3 藍細菌PSI3-IsiA18超級復合體的三維結構和IsiA單體結構

目前推測IsiA蛋白的功能主要表現在：IsiA通過在PSI三聚體和單體周圍形成多聚體環(huán)，充當PSI的輔助天線，增加PSI的吸收截面[61-62]；IsiA作為額外的葉綠素儲存庫[63]：IsiA能夠在缺鐵期間儲存高達50%的葉綠素，一旦環(huán)境補充鐵，細胞從含鐵環(huán)境恢復時，葉綠素可以從IsiA復合體中釋放出來，用于光系統(tǒng)的重建。因此，IsiA色素-蛋白質復合物不僅在藍細菌受到鐵脅迫時發(fā)揮作用，而且在支持光合結構從缺鐵狀態(tài)轉變成正常狀態(tài)的恢復中，發(fā)揮關鍵作用[64]；還有研究認為IsiA中含有淬滅的葉綠素分子，可能通過淬滅缺鐵細胞不能利用的過量光能提供光保護。然而，時間分辨熒光光譜顯示，在PSI-IsiA超復合物中由IsiA到PSI之間存在清晰的激發(fā)能量轉移，表明IsiA在超復合物中起著能量供體的作用，而不是能量淬滅劑[60]。

總之，IsiA蛋白在幫助藍細菌適應缺鐵脅迫的生存環(huán)境時發(fā)揮了重要調節(jié)作用。但是，IsiA蛋白僅在進化較低等的藍細菌和原綠藻中存在，在其它真核藻類和植物中并沒有發(fā)現IsiA的同源基因以及類似PSIIsiA的超級復合物。

3.1.2 鐵缺失誘導蛋白A(IdiA)在藍細菌中鐵缺乏時色素-蛋白質復合物的組成發(fā)生了重大變化，會產生與PSII相關的鐵缺失誘導蛋白IdiA。IdiA蛋白分子量為35 kDa，與二聚體的PSII蛋白復合物結合[66]。研究表明，藍細菌能正常表達IdiA蛋白。在缺鐵條件下，IdiA的表達高度上調[67]，可以保護PSII的受體側免受氧化應激。缺乏IdiA的藍細菌突變體在鐵缺乏下更容易被ROS破壞[68-69]。因而，IdiA在保護光系統(tǒng)II受體側免受氧化損傷方面發(fā)揮重要作用?；蛐蛄斜葘偷鞍踪|免疫印跡分析表明，幾乎在所有藍細菌中都存在IdiA的同源蛋白，但是在綠藻或者高等植物中沒有檢測到IdiA的同源物[47-48]。

3.1.3 替代蛋白 一些藻類應對缺鐵環(huán)境時可以產生一些特殊蛋白質，替換或保護受缺鐵影響的功能蛋白，例如在缺鐵條件下，由不含鐵的黃素氧還蛋白(flavodoxin，Fld)在功能上取代含鐵的鐵氧還蛋白Fd。Fld由IsiB基因編碼，是以黃素單核苷酸作為輔基的移動電子載體[70]。Fld的氧化還原性質與Fd性質基本匹配，能夠在大多數反應中替代Fd[71]?；蚪M數據分析表明，缺乏Fld的微生物通常位于富含鐵的沿海地區(qū)，而含有Fld的海洋微生物則位于容易缺鐵的海洋環(huán)境中[72]。

目前，從藍細菌解析到的PSI3-IsiA18-Fld3蛋白復合物三維結構中發(fā)現，Fld與PSI的結合位點與Fd相同，但是，Fld的尺寸比Fd更大，導致PSI-Fld的親和力要高于PSI-Fd。與PSI-Fd較小且相對靈活的結合方式相比，PSI-Fld之間的強結合不利于電子傳遞，因為這需要電子供體與受體之間的快速結合和解離。所以，Fld的效率是低于Fd的[73]。鐵缺乏時Fld取代Fd成為電子受體，應對缺鐵條件下Fd的含量大幅下降，通過防止光合成分的損失使其在有限的鐵條件下維持一定的光合作用，這是藍細菌和部分藻類應對缺鐵環(huán)境的一項重要策略。然而，這種補償機制在陸地植物和衣藻中已經喪失[74]。

3.1.4 環(huán)式電子傳遞 為了優(yōu)化光合性能，最大限度地減少光氧化損傷，光合生物在不斷變化的光照條件和逆境脅迫下進化出一些重要的適應機制，以有效平衡光能吸收與細胞能量需求之間的關系，例如光合電子傳遞的兩種模式之間的轉換：線性電子傳遞(linear electron flow，LEF)和循環(huán)電子傳遞(cyclic electron flow，CEF)。LEF產生ATP和NADPH，而CEF只驅動光合磷酸化提供額外的ATP。CEF具有非常重要的生理意義，不僅能夠增加ATP/NADPH比例，提高卡爾文循環(huán)的效率；而且，CEF還在光保護中起著重要作用，能夠幫助光合生物快速響應環(huán)境變化[75]。

由于缺鐵脅迫會降低葉綠素的生物合成速度，破壞含鐵的色素蛋白復合物（例如PSII和PSI）的結構和功能，尤其PSI受缺鐵條件損害最嚴重，長期缺鐵導致LEF產生大量ROS，并導致整個光合線性電子流在PSI處產生瓶頸。在低鐵條件下，一些藍細菌可能利用CEF途徑減少氧化損傷以及積累在PSI的電子流。研究發(fā)現，在低鐵脅迫條件下，聚球藻7942(Synechococcus sp.PCC7942)的LEF受損，聚球藻可以將部分PSII和PSI之間的電子傳遞解耦聯。電子傳遞主要以圍繞PSI的循環(huán)模式運行，從而產生質子梯度和ATP，NADP+可能少部分被PSII光還原[76]。在聚球藻8102(Synechococcus WH8102)中并不包含IsiA基因，這使得該生物體可能已經進化出適應缺鐵的海洋環(huán)境生存的其它機制。相較于需要12個鐵原子的PSI，聚球藻具有的質體醌末端氧化酶(plastoquinol terminal oxidase，PTOX)僅需2個鐵原子就可以介導CEF，大大降低了光合電子傳遞對鐵的需求[77]。

3.2 杜氏鹽藻產生Tidi蛋白

在單細胞綠藻杜氏鹽藻(Dunaliella salina)中發(fā)現，缺鐵誘導產生約45 kDa的鐵缺乏誘導蛋白(thylakoid iron deficiency-induced protein)，簡 稱Tidi[40]。Tidi與真核生物中的捕光天線LHCI序列高度相似，屬于葉綠素a/b結合蛋白(chlorophyll a/bbinding protein，CAB)家族。生化和光譜數據顯示Tidi可以與PSI-LHCI進行功能連接，即Tidi吸收的能量可以傳遞到PSI的反應中心。因此，Tidi的功能主要是增加缺鐵條件下PSI的功能天線尺寸，與藍細菌中的IsiA蛋白功能相似，二者都是通過擴大PSI的捕光能力幫助藻類適應缺鐵的極端環(huán)境。Tidi是目前在真核藻類中發(fā)現的與鐵調控相關的唯一一個CAB蛋白家族成員，在其它真核藻類和植物中還未發(fā)現類似Tidi或者新的捕光天線蛋白。

3.3 硅藻適應缺鐵脅迫的生存策略

硅藻作為海洋環(huán)境中最主要的浮游植物，貢獻了地球每年20%的原初生產力[78]。在海洋的廣大區(qū)域，特別是在高營養(yǎng)低葉綠素(HNLC)地區(qū)，硅藻的生長和營養(yǎng)物質的利用主要受鐵含量的調節(jié)。已有研究發(fā)現，硅藻可以在極端缺鐵導致大量褪綠的情況下仍能保持光合活性和細胞分裂，說明其光合系統(tǒng)能很好地適應鐵的限制條件[79]。研究表明，硅藻可能通過以下不同的生理策略來減少鐵需求：（1）通過降低細胞色素濃度以降低光捕獲效率[47]；（2）通過降低富含鐵的PSI和Cyt b6f組分改變光合裝置對鐵的需求[28,46]；（3）利用不含鐵的酶替代含鐵的酶，如黃酮氧還蛋白[80]；（4）硅藻還開發(fā)了特定的調節(jié)機制，便于在環(huán)境應激條件下驅散多余的能量[81-82]。

4 展望

環(huán)境中可供藻類吸收利用的有效鐵較少，非常低的生物利用率和高的光合需求使鐵成為限制藻類生產力的主要微量元素之一。鐵作為重要的金屬輔因子，與光合作用有著密不可分的聯系，充分了解缺鐵條件下藻類光合系統(tǒng)的適應機制，對了解藻類逆境生長有著重要意義。在以后的研究中，以下問題值得被關注。

（1）藍細菌應對缺鐵環(huán)境的光合作用方式似乎更加靈活，更加多樣。藍細菌在鐵脅迫條件下不僅可以誘導表達一些特殊的鐵防御蛋白和具有相似生物學功能的替代蛋白，還可以利用一些特殊的光合電子傳遞機制應對不利的缺鐵環(huán)境。真核藻類和植物同樣面臨著環(huán)境缺鐵的挑戰(zhàn)，然而關于真核藻類和植物的光合系統(tǒng)應對環(huán)境中缺鐵的作用機制目前仍不清楚，值得進一步挖掘。

（2）了解光合生物如何利用鐵，以及光合系統(tǒng)如何應對鐵缺乏，對于提高海洋藻類生產力和指導農業(yè)生產至關重要。過去對藻類缺鐵的研究已經揭示了葉綠體中的鐵蛋白是如何應對缺鐵的環(huán)境脅迫；今后應集中研究應對缺鐵的反應調控途徑，例如在藍細菌中觀察到葉綠體對缺鐵的適應很可能受到多重轉錄、轉錄后和翻譯后機制的調節(jié)[82]。缺鐵引起的藻類響應逆境的信號網絡途徑還有待進一步研究，這對揭示光合系統(tǒng)適應鐵缺乏的分子機制具有重要促進作用。