海洋微藻碳酸酐酶研究進展

林 昕,陳曦貝,石哲萱,王宏偉

(1.廈門大學海洋與地球學院,近海海洋環境科學國家重點實驗室,廈門市海灣生態保護與修復重點實驗室,福建 廈門 361102;2.重慶市九龍坡區生態環境局,重慶 400050)

光合生物通過光合固碳過程,吸收CO2和H2O,產生有機物并釋放O2,提供地球上幾乎所有生命賴以生存的物質和能量,重要意義不言而喻.碳酸酐酶(CA;EC 4.2.1.1)是碳濃縮機制(CCM)的關鍵酶,能有效催化HCO3-與CO2間的可逆轉換,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制必不可少的關鍵環節.CA基因家族具有復雜的遺傳多樣性,體現為不同的類型、亞細胞分布和功能多樣性.隨著近年來對多種模式微藻光合固碳過程認識的逐步加深,藻類中不同類型CA的亞細胞分布和功能研究屢見突破性進展.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,進而對其在生態系統碳循環過程中的重要意義及其應用轉化前景展開討論.

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生產者,通過光合作用貢獻了海洋初級生產力的95%[1]和全球初級生產力的46%[2],在全球的碳循環和生態平衡過程中扮演著重要角色.光合固碳由一系列復雜的生化反應組成,固碳效率受多種因素制約,其中有兩個關鍵因子起著不可忽視的作用,分別是光合作用卡爾文循環中的關鍵酶——捕獲CO2執行同化反應的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO),及其同化反應所在微空間內底物CO2的濃度.

RuBisCO的特性是它能同時執行雙向催化反應——“光合固碳”與“光合呼吸”.前者進行羧化反應,底物CO2被同化;后者進行氧化反應,O2成為競爭底物.氧化反應形成的磷酸乙醇酸會抑制RuBisCO羧化反應效率,因此羧化反應效率極低[3].RuBisCO氧化反應的競爭使得一些植物固定CO2的量僅占RuBisCO單獨進行羧化反應時的55%[4].

已知自然界中存在3種類型的RuBisCO,結構各不相同,催化效率和底物親和力也存在差異.高等植物和綠藻、硅藻、藍藻等藻類均含有Ⅰ型RuBisCO[5];大部分甲藻均采用Ⅱ型RuBisCO進行碳同化,對CO2和O2分子的特異性識別能力明顯低于Ⅰ型RuBisCO[6];Ⅲ型RuBisCO迄今只在古菌中發現;此外,在一些細菌中還發現了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、硫代謝和芹菜糖分解代謝有關[7-8].

CO2是RuBisCO羧化反應的底物,其濃度很大程度上影響同化速率,進而影響光合效率.在海洋環境中無機碳總量較為豐富,約2.2 mmol/L,但99%以上的無機碳以HCO3-的形式存在[9],海洋中CO2濃度幾乎不會超過25 μmol/L[10].由于RuBisCO羧化反應的低效性和固碳反應底物CO2濃度的限制,光合生物演化出CCM[11],通過吸收環境中的無機碳,調控胞內無機碳形式及其轉運,借助分布于不同亞細胞位點的轉運蛋白以及CA實現RuBisCO周圍CO2的富集,提高光合效率.CCM廣泛分布于多個物種,從單細胞的藍藻、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物中也發現存在CCM[13].

C4代謝和景天酸代謝(CAM)是最早詳細報道的CCM[14],二者以生物化學泵的方式通過物質轉換實現碳濃縮過程.藻類CCM的報道多存在于大型藻類[12,15],也有報道發現綠藻中的鈣扇藻(Udoteaflabellum)[16]和硅藻中的威氏海鏈藻(Thalassiosiraweissflogii)[17]具有C4代謝途徑.大多數藻類的固碳機制屬于C3類型,通過生物物理泵和化學泵結合的方式使CO2在RuBisCO周圍富集以實現碳濃縮.

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的相互轉化,促進無機碳在細胞內的跨膜運輸,最終在RuBisCO周圍富集CO2[5,18].CA催化的可逆反應參與羧化反應、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互相轉化時,催化活性域兩側各有一個疏水腔和親水腔,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合HCO3-,保證可逆反應進行[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合而表現活性.與CA結合的金屬離子以鋅(Zn)最為常見,也有鎘(Cd)、鈷(Co)和鐵(Fe)[20].以人類的HCAⅡ為例,其高效催化效率[Kcat/Km為108L/(mol·s),每秒轉換1.4×106個底物分子][21-22]依賴酶活性中心的Zn2+以及與之連接的氨基酸對水分子的解離作用[23],而與金屬離子相連氨基酸的改變會削弱小鼠中CA的催化活性[24].因此,金屬離子結合域是CA抑制劑和激活劑的作用位點,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(SO2NH-)替代水分子或OH-與金屬離子結合,抑制CA活性.目前也發現了其他原理的抑制劑,但均作用于活性區域,比如錨定與金屬離子結合的配位基團或封閉活性位點[20].

2.2 CA的類型

自1933年確定血液中CA的存在以來[25],動物、植物、藻類以及細菌中陸續發現CA[26-29](表1),按照被發現的順序以希臘字母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是最早發現的CA[25],研究也最為廣泛,在動物、植物、藻類和細菌中均存在.根據序列相似性,α-CA又可以劃分為兩類:一類主要分布于高等植物、藻類,另一類存在于動物、細菌以及病毒中.

2.2.2 β-CA

1936年在植物中發現了新的CA[33],但直到1939年其活性才經實驗證實[34].根據序列差異程度,β-CA可分為6種亞型.2004年在藍藻中發現一種新的CA,命名為ε-CA,它不僅起催化作用還是藍藻羧酶體結構組成的一種輔助蛋白,而進一步的晶體結構分析證實ε-CA是β-CA蛋白家族的一種新亞型,因此該名稱后續并未再使用[34-36].在萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)中,限制性CO2誘導蛋白B/C(LCIB/LCIC)復合體能夠捕獲葉綠體蛋白核中溢出的CO2并以HCO3-的形式運輸回蛋白核中,其中LCIB基因編碼的也是一種β-CA,位于葉綠體基質中,環繞蛋白核,在CCM中起重要作用[37].

2.2.3 γ-CA

γ-CA最初發現于古菌甲烷八疊球菌(Methanosarcinathermophila)[35],后來在植物和光合細菌中也陸續發現γ-CA[38-39].在部分藻類和其他植物細胞中鑒定到的γ-CA為線粒體電子傳遞鏈中復合物Ⅰ的組成部分,并不具有催化功能,推測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],迄今僅在藻類中報道發現此類型CA.δ-CA氨基酸序列與之前發現的CA差別很大,但其預測的二級結構和三級結構域均與α-CA相似[42].X射線吸收光譜法對δ-CA活性位點的研究進一步驗證了上述結論[43],同時δ-CA與α-CA類似,具有酯酶活性[44].此外,δ-CA活性位點處也可結合Co2+,被認為是藻類適應低鋅濃度環境的生存策略[45].γ-CA和δ-CA的活性位點均與α-CA類似,但結合的金屬離子有所差異.

2.2.5 ζ-CA

最初認為ζ-CA僅分布于海洋原生生物中,隨后在威氏海鏈藻中發現了ζ-CA,命名為CDCA1[46].除Zn2+和Co2+外,ζ-CA也結合其他金屬離子,最常見的是Cd2+[47].其氨基酸序列與其他類型CA差異很大,但活性位點結構與β-CA類似[45].δ-CA、ζ-CA分別與α-CA、β-CA的活性位點結構存在相似性,這被認為是趨同進化的結果[32].

2.2.6 θ-CA

θ-CA是一類新鑒定的CA,目前僅在硅藻、綠藻、藍藻等藻類中被發現[48].在硅藻三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)中,已證實類囊體中的基因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)的基因組中首次發現ι-CA[49].與其他CA不同的是,在ι-CA結構中未發現金屬離子的存在,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,而是結構功能[50].

2.3 藻類CA的多樣性

CA在光合生物CCM中起著重要作用.在已報道的8大類CA中,目前在藻類中已發現7種,且不同類群擁有不同的類型,呈現復雜的多樣性,包括活性位點氨基酸殘基和金屬輔因子、蛋白結構,以及亞細胞分布3個方面(表2)[5,18,32,49-50].

表2 藻類中不同類型CA的活性位點、蛋白結構、亞細胞分布

1992年聚球藻SynechococcusPCC7942中發現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%,隨后又在藍藻中陸續發現了α-CA和γ-CA[28,35,51-52].隨著基因組學研究的發展,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,數目也不同,這與不同類型CA的功能差異以及不同藻細胞的生境有關(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、蛋白結構以及亞細胞分布和功能均有差異[10].同時不同類型的CA在不同藻類中可能執行相同功能,如萊茵衣藻中由α-CA實現HCO3-和CO2的轉化,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,光合質體內共生過程造成細胞中光合質體膜結構有所不同[69](圖1),參與無機碳輸送的轉運蛋白在不同種類的各級膜結構上分布不同,進而使得CA的類型與分布呈現多樣性,這是構成藻類CCM復雜特質的重要生物學基礎.雖然研究人員對于CA的催化活性早有認識,但是對于多種類型CA在各類群CCM中的具體作用尚未完全闡明,目前僅對個別微藻模式種有較為深入的了解,下文對具有不同光合質體的典型微藻CCM及CA在其中的作用進行概述.

紅色虛線框為各級內共生的過程,粗紅色虛線(中左側)表示該內共生過程尚存在爭議;紅色光合質體起源于紅藻,綠色光合質體起源于綠藻;光合質體中的實線表示已證實存在的膜結構,虛線表示尚未證實的膜結構.圖1 藻類光合質體內共生演化示意圖(參照文獻[69]繪制,有修改)Fig.1 Schematic depicting the endosymbiotic events of plastid (modified from Ref.[69])

3.1 藍藻(原始光合質體)

藍藻早在20億年前就已出現[70],為原核生物,擁有最原始的光合固碳系統,不具光合質體,由類囊體執行光合作用.藍藻CCM通過無機碳轉運系統將胞外無機碳運輸進細胞,最后在含有RuBisCO的微室(羧酶體)實現羧化反應(圖2)[5,71].無機碳通過多種方式跨越細胞質膜和類囊體膜,CO2通過自由擴散,而HCO3-通過轉運系統穿過質膜.質膜上HCO3-的轉運蛋白包括與Na+同向轉運的低親和力轉運蛋白和低CO2脅迫誘導下表達的高親和力蛋白,其中后者需消耗ATP完成轉運.ε-CA(β-CA的亞型)不僅作為羧酶體的結構組成蛋白分布于類囊體中,同時催化HCO3-轉化為CO2,促使羧酶體中的RuBisCO執行光合固碳反應;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為高親和力轉運系統,B、C為低親和力轉運系統;NADP為氧化型鋪酶Ⅱ,ATP為三磷酸腺苷.圖2 藍藻CCM示意圖(參照文獻[5,71]繪制,有修改) Fig.2 Schematic diagram of CCM in cyanobacteria (modified from Ref.[5,71])

3.2 綠藻(一次內共生)

真核藻類中CCM最早報道于綠藻[72].與藍藻不同,綠藻作為真核生物,葉綠體、線粒體等細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藻羧酶體的結構——蛋白核,富集RuBisCO和CA以實現最大化羧化反應效率.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].萊茵衣藻細胞外間質中有多種CA[76],質膜上還具有無機碳轉運系統用來轉運HCO3-,胞質中的無機碳則通過葉綠體膜上的轉運系統進入質體內[77].萊茵衣藻的一種β-CA(CAH6)分布于細胞鞭毛上,作用可能為感應外界無機碳濃度;而另一種α-CA(CAH3)分布于貫穿蛋白核的類囊體中,承擔最終富集生成CO2供給RuBisCO的任務[74,78].此外,在萊茵衣藻線粒體中發現了2種β-CA和3種γ-CA[75,79-80],它們對CCM的貢獻尚需進一步驗證.

HLA3.高光激活蛋白3;ACA4.自抑制Ca2+依賴性腺苷三磷酸酶4;LCI1.質膜無機碳轉運蛋白.圖3 萊茵衣藻CCM示意圖(參照文獻[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(二次內共生)

硅藻是分布最廣泛的初級生產者,其光合質體經歷了二次內共生后具有4層膜結構(圖1),包括2層葉綠體-內質網膜(CER)以及2層葉綠體被膜(CEV),因此硅藻的CCM研究極具挑戰性.目前三角褐指藻和假微型海鏈藻中不同CA的亞細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碳,最終將其富集于RuBisCO周圍的過程,但是兩者胞內CA的類型和亞細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];同時在兩種硅藻的線粒體中均發現CA,但其具體功能尚不清楚,有待進一步研究[9,48]

紅色橢圓中的CA定位和活性均已證實;黑色橢圓中的CA定位已被證實,但尚未證實活性;灰色橢圓中的CA來自基因組數據,尚未驗證定位和活性;PPT為穿透蛋白核的類囊體;SLC4為溶質轉運蛋白4.圖4 三角褐指藻(a)和假微型海鏈藻(b)中不同類型CA的亞細胞分布(參照文獻[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化[32].假微型海鏈藻中δ-CA和ζ-CA分布于細胞外周質空間,其催化活性已在同屬的威氏海鏈藻中被證實.最新研究發現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合區[58].

除上述模式種外,近年來借助于組學技術的發展,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)光合質體結構不具有蛋白核,其CCM的必需α-CA(CAH1)分布于光合質體4層膜中最外層的內腔,催化HCO3-向CO2的轉化[81].紅藻條斑紫菜(Pyropiayezoensis)的無機碳利用研究表明,其CA家族擴張,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及多種亞型,分布于胞外的α-CA亞型可促進甲殼HCO3-釋放,是其獲取無機碳的一個來源[82].

4 環境因子對藻類CA表達及活性的影響

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

溫度、光強和痕量金屬等因素也會影響CA的表達和 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],光強也會對萊茵衣藻的CA表達以及三角褐指藻的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必須結合金屬離子才能發揮活性有關;此外,TwCA1表達還存在晝夜差異,夜間表達量更低[45].

赫氏顆石藻因其獨特的鈣化功能,成為研究全球變化與海洋碳循環的經典模式微藻.在北太平洋ALOHA觀測站的原位營養鹽添加培養實驗中,相較于磷營養鹽,不同類型CA基因的轉錄本在添加氮營養鹽時呈現更顯著的富集和上調表達[65];而當環境參數的雙因子和多因子發生變化時,其CA基因的表達模式更為復雜.以2100年情景(低營養鹽、高光、升溫和酸化)模擬開展多重環境因子變化的培養實驗,結果顯示在雙因子和多因子變化實驗中,赫氏顆石藻中分布在細胞膜上的δ-CA基因表達均顯著下調,而細胞內的γ-CA基因在不同實驗中均維持相對穩定的表達,同樣分布在細胞內的α-CA基因在不同雙因子和多因子變化實驗中的表達趨勢各不相同[66].

5 藻類CA未來研究展望

CA在自然界廣泛存在,其結構與功能多樣性是藻類CCM的重要生物學基礎,也是厘清藻類光合固碳機制的關鍵環節.盡管對于部分藻類模式種CA的類型和功能差異有所認知[74],但CA研究仍然有待學者進一步探究,下文從4個方面對未來研究展開討論.

5.1 藻類CA及CCM對海水升溫與酸化的響應機制

在海洋生態系統中,光合固碳的微型藻類是全球變化的重要響應者,作為初級生產者對海洋生態系統的服務功能有著深遠的影響.目前藻類CA的研究多聚焦于其生物學本質問題,而在生態學視角下對其如何響應海水升溫和酸化的科學認識仍然十分缺乏.

顆石藻與硅藻因具有“壓艙”效應,是生物泵與海洋碳循環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實驗中,高CO2濃度和其他環境因子會對細胞表面δ-CA基因表達產生協同負效應,進一步影響細胞的生長速率[66,91].研究表明在高CO2濃度培養多代后,硅藻三角褐指藻可通過調控線粒體中的碳通量以應對海洋酸化,但來源于不同海域的三角褐指藻不同株系調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基因表達情況也有所差異,表明在驅動硅藻對海洋酸化的適應過程中環境適應性特征可能扮演著重要角色[92].因此有必要以生態學視角,探究不同藻類在海水升溫和酸化條件下CA及CCM的響應機制,從而進一步了解全球變化對海洋初級生產力以及碳的生物地球化學循環過程的影響.

5.2 珊瑚礁生態系統中共生藻CA的多樣性與生理生態功能

與刺胞類動物共生的甲藻蟲黃藻(Symbiodiniaceae)是珊瑚礁生態系統中必不可少的初級生產者,可從宿主獲取無機碳進行光合作用,并將光合產物有機碳化合物回饋宿主,二者的互利共生構成了珊瑚礁生態系統的營養基礎[93].珊瑚宿主與蟲黃藻配對組成的多樣性對于珊瑚礁生態系統功能有著重要的影響,諸如生長速度、光合固碳效率與光合產物的運輸交換以及環境適應性等.

蟲黃藻所屬的甲藻,其光合質體內共生演化歷史更加復雜多樣(圖1).包括蟲黃藻在內的大部分甲藻具有Ⅱ型RuBisCO,對CO2和O2分子的識別能力更低[6],因此推測甲藻更依賴CCM運轉以確保固碳效率.與綠藻和硅藻等模式藻類相比,受限于龐大的基因組[94-95],過往關于甲藻CA與CCM的認識僅限于個別種類的初步研究[67,96-97].隨著高通量測序的廣泛應用,蟲黃藻科中現有5個屬的7個種已完成基因組測序[98-103],并在環境樣品中發現甲藻CA基因轉錄本的活躍表達[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制提供了有力支撐.

本課題組在研究中發現,與硅藻和綠藻相比,蟲黃藻基因組中CA基因家族顯著擴張,HCO3-轉運蛋白顯著富集,這一遺傳適應性特征說明無機碳的輸運對其生長至關重要[99].有研究報道珊瑚體內共生藻混合體的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].當受到環境脅迫時,共生體中會出現碳限制,并衍生到光氧化損傷破壞共生[108-110];而在一些適應高溫環境的珊瑚中,蟲黃藻可以傳遞更多的有機碳給宿主進行協同抗逆[110].

蟲黃藻與宿主之間的“碳-碳”物質交換構成了珊瑚生態系統物質流動和能量循環的營養基石,具有重要生態意義.蟲黃藻中CA的多樣性與亞細胞分布決定其從宿主中獲取和運送無機碳的能力,進而影響光合固碳、共生關系的建立與穩定,亟需開展進一步的鑒定、類型分析及相應的生理功能研究.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胞生物學機制,而且對于深入解析珊瑚-蟲黃藻共生體形成和維持的分子機制具有重要科學意義.

5.3 開放大洋環境中金屬離子共限制對CA的影響

CA作為一種金屬酶,需要結合金屬輔因子發揮催化活性.CA結合的金屬輔因子以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],大洋環境中Zn2+常處于限制狀態,CA與其他金屬離子結合被認為是適應低Zn2+濃度環境的生存策略.在威氏海鏈藻的研究中發現Co2+對δ-CA(TwCA1)表達及活性的影響與Zn2+基本相同[45].值得注意的是,δ-CA目前僅在藻類中被發現;而對于廣泛分布于多類物種中的α-CA,當Co2+取代Zn2+與其結合時,酶活性顯著降低[112].

環境因子對CA表達影響的研究已經廣泛開展,其中對于不同CO2濃度、溫度以及光照等的影響都有了一定認識,但對于金屬離子對CA的限制以及在大洋環境中是否存在溶解無機碳-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實驗,探究CA轉錄和翻譯水平的變化及活性差異,進一步理解CA中金屬離子潛在的調節作用,可為進一步認識海洋浮游植物的CA功能、CCM及其對海洋初級生產力的影響提供新視角.

5.4 CA在“碳中和”背景下的應用前景

近年來,為實現《巴黎協定》1.5～2.0 ℃的控溫目標,“碳中和”已成為全球應對氣候變化的統一認識[113].工業廢氣中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,在工業上將細菌CA(工業固定化酶)應用于碳捕獲,采用多種方法對CA進行固定,以獲得具有良好的抗高溫性能和可重復利用的固定化酶[114-116].藻類CA具備豐富的遺傳多樣性和高效的轉化活性,但目前針對藻類CA的應用極為缺乏.通過鑒定篩選藻類中不同類型的CA,可開展工業固定化藻類來源CA的嘗試,及在光合工程微藻中實現異源表達,評估其對光合作用的促進作用,增加光合作用產物的產量,對于探索微藻在碳捕集以及生物質能源開發中的作用具有重要的科技應用價值.2015年美國能源環境部提出利用微藻工業化培養作為吸收器,并通過固定化CA提高反應效率,以實現CO2的高效捕集和利用這一目標[117].在生態環境監測中,珊瑚-蟲黃藻共生體的健康發展依賴于穩定的光合作用,因此有研究者提出可以采用CA活性作為生物標記,用于珊瑚礁生態系統的環境監測[118].

海洋吸收了工業革命以來排放至大氣中的26%CO2,海水碳平衡的改變導致海洋酸化[119].在全球氣候變化大背景下,海洋酸化、氣溫上升均會改變海洋化學的各種平衡,生存其中的海洋光合藻類是環境變化的一級響應者,其重要意義不言而喻.任何生態系統或物種對未來的適應性都在于其所包含的遺傳多樣性及其蘊含的生態適應分子機制,是當前海洋生態研究的前沿主題[120-121].聚焦海洋光合微藻中CA功能多樣性和應用潛力的研究與開發,具有重要的科學理論意義和實踐應用價值.