異形胞（heterocyst）某些絲狀藍(lán)藻（如束毛藻、魚腥藻、念珠藻等）所*的營養(yǎng)細(xì)胞，是由普通營養(yǎng)細(xì)胞在一定的條件下尤其是氮素營養(yǎng)缺乏時分化而成。異形胞一般與營養(yǎng)細(xì)胞同形，單個地間生，一條藻絲上往往有數(shù)個異形細(xì)胞。異形胞與營養(yǎng)細(xì)胞的主要形態(tài)區(qū)別是：個體大，細(xì)胞壁厚，細(xì)胞質(zhì)中的顆粒物質(zhì)溶解成顆粒狀態(tài)，顏色呈淡黃綠色或呈透明狀。

而最為關(guān)鍵的生理功能區(qū)別有兩點：

1.異形胞能進(jìn)行固氮作用，在其高含量固氮酶的催化下，將空氣中的N₂轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>NH₃，NH⁴⁺，進(jìn)而形成氨基酸。

2.異形胞藻膽素含量顯著低于營養(yǎng)細(xì)胞。

正是基于這兩點，則引出了科學(xué)家的兩點疑惑：

3.早期研究證實，藍(lán)藻在固氮過程中也是存在光合放氧的，但固氮酶會被氧氣不可逆地抑制。藍(lán)藻如何保護(hù)固氮酶不被光合作用放出的氧氣破壞？

4.如何直接觀測異形胞與營養(yǎng)細(xì)胞光合特性的差異？

從21世紀(jì)之初，隨著FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)的提出和逐漸完善，科學(xué)家對藍(lán)藻異形胞光合特性的研究達(dá)到前人所不能企及的高度，甚至取得了突破性的進(jìn)展。本文通過相關(guān)文獻(xiàn)案例展示這一研究發(fā)展的過程：

1. 開端：證實固氮和光合作用的時空隔離

FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)于2000年正式提出并實用化，美國羅格斯大學(xué)Berman-Frank與德國康斯坦茨大學(xué)、捷克微生物研究所合作利用FKM技術(shù)對束毛藻Trichodesmium strain IMS101絲狀藻的光合特性進(jìn)行研究，對比固氮酶的活性與分布，發(fā)現(xiàn)固氮和光合作用從時間和空間兩方面被隔離開了。他們推測在光合放氧進(jìn)化的早期階段，固氮酶是厭氧異養(yǎng)機(jī)制的一個電子受體，而光系統(tǒng)I（PSI）為固氮提供了厭氧的微環(huán)境。這一研究成果發(fā)表于2001年《Science》。

之后，他們又合作進(jìn)行更加深入的研究。通過FKM技術(shù)獲得的葉綠素?zé)晒獬上駡D與熒光淬滅動力學(xué)曲線數(shù)據(jù)，再次表明束毛藻光合作用與固氮的協(xié)同作用涉及光合活性狀態(tài)可逆變化的復(fù)雜時空格局。 這些活性狀態(tài)提供了通過PSII的電子傳輸進(jìn)行固氮所需的協(xié)調(diào)和微調(diào)，并將光合放氧對固氮酶的抑制作用降低。這一研究發(fā)表于2004年《Plant Physiology》。

在這一研究結(jié)果通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)最小熒光F₀、可變熒光Fv等，已經(jīng)表明進(jìn)行固氮的藍(lán)藻細(xì)胞其PSII活性已經(jīng)極低，進(jìn)而喪失光合放氧能力。研究者也推測固氮與光合的時空分隔可能與異形胞有關(guān)。但此時的FKM技術(shù)尚不完善，獲得的顯微熒光成像圖不能明確區(qū)分絲狀體上的單個細(xì)胞，因此也沒能獲得進(jìn)一步的支持證據(jù)。

2. 進(jìn)展：證實異形胞PSII功能特性

2007年，FKM技術(shù)迎來了一次全面升級。這次升級之后，FKM從原來主要測量微藻細(xì)胞，擴(kuò)展到能夠測量植物葉片細(xì)胞，同時顯微放大倍數(shù)與成像分辨率進(jìn)一步提升，能夠清晰分辨單個細(xì)胞乃至單個葉綠體。

于是，捷克科學(xué)院和南波西米亞大學(xué)、德國康斯坦茨大學(xué)再次合作，使用升級后的FKM系統(tǒng)對魚腥藻Anabaena sp. strain PCC 7120異形胞進(jìn)行更深入研究。研究人員明確觀測到隨著氮素缺乏脅迫程度的加重，絲狀體細(xì)胞開始分化，營養(yǎng)細(xì)胞和異形胞的葉綠素參數(shù)F₀、Fm、Fv等都逐漸下降，表明光合色素的下降。但這一過程中，營養(yǎng)細(xì)胞的最大光化學(xué)效率Fv/Fm和持續(xù)電子流（量子產(chǎn)額）ΦPSII基本穩(wěn)定，表明其維持了PSII活性，但形成中的異形胞這兩項參數(shù)則顯著下降。更出人意料地，成熟的異形胞PSII天線色素含量顯著降低（F₀顯著降低），但其PSII本身卻是完整的（Fv/Fm恢復(fù)）。至此，科學(xué)家終于直接觀測到異形胞PSII的分化過程與功能變化。

3. 突破：異形胞也能夠維持藻膽素含量

之前的研究表明，為了維持固氮這一高耗能過程，藍(lán)藻異形胞主要通過光系統(tǒng)I（PSI）合成ATP為其功能。藻膽素雖然是藻類光合最重要的光合色素之一，但由于其主要作為PSII的天線色素，而PSII光合過程中通過放氧復(fù)合體釋放的氧氣會使固氮酶失活。因此異形胞雖然具備完整的PSII，但其藻膽素含量顯著下降，從而吸收的光能很少進(jìn)入PSII，使其失去光合放氧的能力，從而維持固氮酶活性。但這種機(jī)制的缺點是用于固氮的能量也由于藻膽素的缺失而受到限制。

美國華盛頓大學(xué)與PSI公司、中科院水生生物研究所合作，通過一種基因修飾系統(tǒng)對Anabaena 33047進(jìn)行處理。通過MC1000八通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)模擬不同波長的高光培養(yǎng)環(huán)境，同步實時監(jiān)測其OD730，表明這種藍(lán)藻可以在高光條件下具有良好的適應(yīng)性。

通過特殊定制的FKM系統(tǒng)，研究人員直接測量了營養(yǎng)細(xì)胞和異形胞的藻膽素?zé)晒?。結(jié)果表明，Anabaena 33047 ΔnblA突變株中異形胞的藻膽素?zé)晒馀c營養(yǎng)細(xì)胞接近，但野生型異形胞則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于影響細(xì)胞。通過FKM熒光動態(tài)分析，ΔnblA突變株異形胞的藻膽素?zé)晒馐且吧彤愋伟拇蠹s8倍高。這樣高含量的藻膽素，也就表明其可以為固氮過程提供遠(yuǎn)高于野生型的ATP，顯著提高其固氮能力。這一新的研究成果發(fā)表于2021年《mBio》。 

未來，科學(xué)家還會運用FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)在異形胞、微藻細(xì)胞分化領(lǐng)域確定什么樣的突破呢？請拭目以待。如果您希望了解更多關(guān)于FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)的內(nèi)容，請聯(lián)系我們。

參考文獻(xiàn)：

1.Berman-Frank I, et al. 2001. Segregation of Nitrogen Fixation and Oxygenic Photosynthesis in the Marine Cyanobacterium Trichodesmium. Science, 294: 1534-1537

2.Küpper H, Ferimazova N, Šetlík I, et al. 2004. Traffic Lights in Trichodesmium. Regulation of Photosynthesis for Nitrogen Fixation Studied by Chlorophyll Fluorescence Kinetic Microscopy. Plant Physiology, 135: 2120-2133

3.Ferimazova N, et al. 2013. Regulation of photosynthesis during heterocyst differentiation in Anabaena sp. strain PCC 7120 investigated in vivo at single-cell level by chlorophyll fluorescence kinetic microscopy. Photosynthesis Research, 116(1): 79-91

4.Bandyopadhyay A, et al. 2021. Antenna Modification Leads to Enhanced Nitrogenase Activity in a High Light-Tolerant Cyanobacterium. mBio, 12(6): e03408-21

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