海洋硅藻应对低铁胁迫的研究综述

王瑶　单晓慧　徐晨　胡雅婷　李楠

摘要    硅藻在海洋中分布广泛，适应于多种生长环境。本文对海洋硅藻应对低铁胁迫的策略进行综述，以期为研究海洋藻类在低铁环境下的生理代谢状态提供参考。

关键词    海洋硅藻;低铁胁迫;应对策略

中图分类号    S917        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）15-0183-02

Review  on  Response  of  Marine  Diatoms  to  Low  Iron  Stress

WANG Yao    SHAN Xiao-hui    XU Chen    HU Ya-ting    LI Nan *

（School of Life and Environmental Sciences，Wenzhou University，Wenzhou Zhejiang 325035）

Abstract    Diatoms are widely distributed in the ocean and adapt to a variety of extreme environments.In this paper，the research progress on the response strategies of marine diatoms to the low iron stress was reviewed，so as to provide reference for studying the physiological and metabolic status of marine algae under low iron environment.

Key words    marine diatom;low iron stress;response strategy

鐵是所有生物体必需的微量营养元素，在地壳中含量丰富，在原核生物和真核生物的生命活动中具有不可替代的功能。在限制浮游植物生长速度、生物量以及海洋中浮游植物群落构建方面，铁发挥了关键的作用，特别是在高营养盐、低叶绿素（High-nitrate and low-chlorophylla，HNLC）海域[1]。1988年，Martin和Fitzwater首次在HNLC海域进行了铁富集试验，表明铁胁迫是限制该海域初级生产力的重要因素之一[2]，并在1990年正式提出“铁假说”[3]。硅藻参与地球上多种生理生化循环，包括碳循环、氮循环及可溶性硅酸盐的循环利用等，占整个海洋环境初级生产力的30%～40%[4]。海洋硅藻具有很强的极端环境适应能力，并能够针对多种生物和非生物胁迫因素进行相应的生理调节，在铁含量低的海域，也可维持一定的生理代谢活动，并在铁富集后恢复到正常生理指标范围[5]。

1    铁对海洋硅藻的重要性

硅藻的生长高度依赖于海洋环境中铁的生物可利用率，铁含量的降低直接导致硅藻生长速率的下降[6]，同时也会使硅藻细胞过早进入程序性死亡。铁是大多数海洋浮游藻类细胞内含量最多的微量金属元素，超过50%的铁位于光合系统内[7]，主要集中在光反应Ⅰ、光反应Ⅱ和细胞色素b6/f[8]。硅藻细胞中，铁参与多种酶反应及代谢反应：在光合反应的电子传递链中，铁是细胞色素和非血红素铁蛋白的重要组成元素[9];铁在呼吸作用中作为电子载体，负责维持电子传递链的正常传递，协助细胞色素氧化酶及琥珀酸-Q还原酶等酶发挥正常的生理功能;同时，在三羧酸循环中的顺乌头酸酶等需要铁元素才能发挥正常生理作用;铁还参与到所有氮的氧化还原转化过程中，对氮循环至关重要[10]。此外，铁在硅藻细胞内调节氨基酸饱和度、提高抗氧化能力和DNA合成中都具有十分重要的作用，铁的含量也直接影响硅藻中生成色素的质量和数量[11]。

2    海洋硅藻应对低铁胁迫的策略

在自然界中，铁元素是人们最早发现的微量元素，其存在形式众多，如溶解态的二价铁、三价铁，胶体态的二价铁、三价铁以及颗粒态铁，但只有溶解态的二价铁离子和三价铁离子才是生物可直接吸收利用的铁元素[12]。在地球演化过程中，随着氧气浓度逐渐升高，海洋中大量二价铁离子被氧化形成氢氧化铁等不可溶解的聚合物形式，再加上海洋中生物、非生物颗粒物质和胶体物质对游离铁的吸附和沉降[13]，都使得海洋中可利用的游离态铁离子浓度大幅度降低，经测定表层海水中铁离子浓度小于0.5 nmol/L[14]。研究表明，海洋硅藻和多种真核藻类的生长较其他沿海物种更不容易受海洋中铁元素胁迫的影响[15-16]，并随着整体环境的不断变化，海洋藻类也已进化出多种不同的策略来应对其可利用铁元素的稀缺。

2.1    上调与铁相关基因的表达

在低铁环境下，假微型海链藻（Thalassiosira pseudonana）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum Bohlin）中的三价铁螯合还原酶（Ferric chelate reductase，FRE）显著上调，利用血红素从NADH转移电子将不可直接利用的三价铁还原成可以直接利用的溶解态的二价铁[17-19]。上调铜-酪氨酸酶（Coppe-tyrosinase，TYR1）的表达量，增强对铁离子的吸收和结合能力[20]。

此外，假微型海链藻还通过上调表达多铜氧化酶（Multi-copper ferroxidase，TpFET3）和2种铁透性酶（Iron permeases，TpFTR1和TpFTR2）来提高对铁的摄取[21]。硅藻细胞通过上调表达铁结合域蛋白中的铁饥饿诱导蛋白（Iron-starvation indeucedprotion，ISIP）以直接增强细胞对周围铁元素的富集能力[22]，铁饥饿诱导蛋白首次在三角褐指藻中发现，后续也在大洋海链藻（Thalassiosira oceanica）和圆柱拟脆杆藻（Fragilariopsis cylindrus）中发现了类似结构的蛋白[23]。在三角褐指藻中存在与ZIP家族转运蛋白结构相近的功能蛋白，负责协助细胞内二价铁离子的运输[18]。

Ryo Yoshinaga等[24]通过分析三角褐指藻中与铁相关的20个基因的转录水平变化发现，其中有18个基因在低铁胁迫下显著上调，但各基因的上调反应阶段及作用时间各不相同。硅藻细胞在通过上调表达相关基因以获得大量铁元素时，也要避免高价铁离子堆积产生对细胞的毒害作用。三角褐指藻通过上调线粒体交替氧化酶（Mitochondrial alternative oxidase，AOX）来缓解由铁限制引起电子传递链损伤而产生的活性氧簇（Reactive oxygen species，ROS）对细胞的氧化损伤[25]。

2.2    激活补偿机制

在低铁环境中，海洋藻类可以利用在代谢过程中不需铁元素的蛋白质等价物代替需铁蛋白质来降低对铁的需求，如蓝藻（Cyanobacteria）和绿藻（Chlorophyta）通过合成不含铁的黄素氧还蛋白（Flavodoxin）代替鐵氧还原蛋白（Ferredoxin）来维持光合电子传递链[26]，对比在铁富集和铁限制条件下硅藻中黄素氧还蛋白和铁氧还原蛋白的含量发现，多数硅藻都会采取这个策略来应对低铁的胁迫[27];大洋海链藻通过合成含铜的质体蓝素（Plastocyanin，PC）替代细胞色素c6（Cytochrome c6）作为细胞中细胞色素b6/f复合物和光合系统之间的电子传递蛋白[28]。海洋硅藻主要是通过光合作用来获得营养和能量，在环境中当铁含量不足以供应光合作用时，硅藻细胞可以通过自身合成视紫红质（Proteorhodopsins，PR）来生成ATP用以维持正常的生理代谢活动[29]。

2.3    其他应对措施

硅藻可以通过调整光合反应各阶段中对铁需要量不同的光合复合物的比例来减少整体对铁含量的需求，如大洋海链藻减少在光合系统Ⅰ和细胞色素b6/f中分别需要12个和6个铁原子的络合物，增加在光合反应Ⅱ中需2个铁离子的络合物，因而大洋海链藻中PSⅡ/PSⅠ为2∶1，而威氏海链藻（Thalassiosira weissflogii）中PSⅡ/PSⅠ为10∶1，与其相比，大洋海链藻仅需要1/10的铁就可以维持正常的生理代谢活动[30]。

蓝藻能通过细菌铁蛋白（Bacterioferritin，Bfr）储存从环境中获得的铁，防止细胞中的铁与各种具有氧化活性能力的物质反应[31]。拟菱形藻（Pseudo-nitzschia）在环境中铁含量丰富时利用铁蛋白（Ferritins）储存铁，并在铁稀缺时，合理控制体内铁的储存和分布，减少氧化活性及氧化应激对细胞的损伤[32]。拟菱形藻也可分泌一种与植物体内的铁载体麦根酸（Mugineic acid）结构类似的软骨藻酸（Domoic acid，DA），其可能促进拟菱形藻从沿海海域的陆地沉积层中获取铁元素[33]。

海洋藻类也可以通过自身合成铁载体类化合物并在其应对低铁胁迫时起到重要作用，1983年从海洋藻类中分离得到了第一个铁载体Prorocentrin[34]。蓝藻细胞刺激铁载体螯合物的分泌和释放，从而利用铁载体从环境中螯合的三价铁离子[35]。在三角褐指藻中存在一种与细菌中铁色素结合蛋白（FhuD）同源的FBP基因，为其利用铁-铁载体复合物（Iron-siderophore complexes）获得铁提供了可能。FRE基因和FBP基因在该过程中可能起着重要的作用，作为协助还原铁-铁载体复合物或直接摄取该复合物来获得铁元素的关键酶[5]。

3    结语

海洋硅藻应对低铁胁迫表现出显著的耐受性，成为研究铁限制海域下海洋浮游生物的典型模型。同时，随着全基因组测序工作的不断展开，结合生物信息学及多种科学研究技术，海洋硅藻在低铁环境下的响应机制将会陆续被发现，对海洋资源的开发和利用及海洋环境中新型稳态系统的发现具有重要的意义。

4    参考文献

[1] MOORE J，DONEY S C，GLOVER D，et al.Iron cycling and nutrient-limitation patterns in surface waters of the world[J].Deep-Sea Research Part Ⅱ，2001，49（1）：463-507.

[2] MARTIN J H，FITZWATER S E.Iron deficiency limits phytoplankton growth in the north-east Pacific subarctic[J].Nature，1988，331（6154）：341-343.

[3] MARTIN J H.Glacial interglacial CO2 change：the iron hypothesis[J].Paleoceanography，1990，5（1）：1-13.

[4] MAHESWARI U，JABBARI K，PETIT J L，et al.Digital expression profiling of novel diatom transcripts provides insight into their biological functions[J].Genome Biology，2010，11（8）：85.

[5] MORRISSEY J，BOWLER C.Iron utilization in marine Cyanobacteria and eukaryotic algae[J].Frontiers in Microbiology，2012，3（43）：43.

[6] SANDA W G，HUNTSMAN S A.Iron uptake and growth limitation in oceanic and coastal phytoplankton[J].Marine Chemistry，1995，50（50）：189-206.

[7] HO T Y，QUIGG A，FINKEL Z V，et al.The elemental composition of some marine phytoplankton[J].Journal of Phycology，2010，39（6）：1145-1159.

[8] HARRISON P J，STRZEPEK R F.Photosynthetic architecture differs in coastal and oceanic diatoms[J].Nature（London），2004，431（7009）：689-692.

[9] 李合生.現代植物生理学[M].3版.北京：高等教育出版社，2006.

[10] MOREL F M M.The Biogeochemical cycles of trace metals in the oceans[J].Science（Washington D C），2003，300（5621）：944-947.

[11] KOSAKOWSKA A，LEWANDOWSKA J，STON J，et al.Qualitative and quantitative composition of pigments in Phaeodactylum tricornutum（Bacillariophyceae）stressed by iron[J].Biometals，2004，17（1）：45-52.

[12] 袁征，祁建华，张曼平.海水中铁的来源形态及其与浮游植物的相互关系[J].海洋湖沼通报，2003（4）：38-48.

[13] 刘树文.海洋聚球藻对铁限制的生理响应[D].武汉：华中师范大学，2012.

[14] DESAI D K，DESAI F D，LAROCHE J.Factors influencing the diversity of iron uptake systems in aquatic microorganisms[J].Frontiers in Micr-obiology，2012，3：362.

[15] 罗春墡.短期铁限制条件下假微型海链藻细胞氧化应激及程序性死亡机制研究[D].厦门：厦门大学，2014.

[16] SUNDA W G，SWIFT D G，HUNTSMAN S A.Low iron requirement for growth in oceanic phytoplankton[J].Nature，1991，351（6321）：55-57.

[17] KUSTKA A，ALLEN A，MOREL F.Sequence analysis and transcriptio-nal regulation of iron acquisition genes in two marine diatoms[J].Journal of Phycology，2007，43（4）：715-729.

[18] ALLEN A E，LAROCHE J，MAHESWARI U，et al.Whole-cell response of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum to iron starvation[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2008，105（30）：10438-10443.

[19] ROBINSON N J，PROCTER C M，CONNOLLY E L，et al.A ferric-chelate reductase for iron uptake from soils[J].Nature，1999，397（6721）：694-697.

[20] MALDONADO M T，ALLEN A E，CHONG J S，et al.Copper-dependent iron transport in coastal and oceanic diatoms[J].Limnology and Oceano-graphy，2006，51（4）：1729-1743.

[21] ARMBRUST E V，BERGES J A，BOWLER C，et al.The genome of the diatom Thalassiosira pseudonana：ecology，evolution，and metabolism[J].Science，2004，306：79-86.

[22] GRAFF V C S，ROSENWASSER S，LEVIN Y，et al.Chronic iron limit-ation confers transient resistance to oxidative stress in marine diatoms[J].Plant Physiology，2016，172（2）：968-979.

[23] MARKUS L，MICHAEL S，ALEXANDRA-SOPHIE R，et al.Genome and low-iron response of an oceanic diatom adapted to chronic iron limit-ation[J].Genome Biology，2012，13（7）：66.

[24] YOSHINAGA R，NIWA-KUBOTA M，MATSUI H，et al.Characterization of iron-responsive promoters in the marine diatom Phaeodactylum trico-rnutum[J].Marine Genomics，2014，16（1）：55-62.

[25] GRAHAM，QUESNEL，SARAH-ANN，et al.Copper requirements for iron acquisition and growth of coastal and oceanic diatoms[J].Limnology & Oceanography，2005，50（4）：1149-1158.

[26] ERDNER D L，PRICE N M，DOUCETTE G J，et al.Characterisation of ferredoxin and flavodoxin as markers of iron limitation in marine populations[J].Marine Ecology Progress，1999，184（3）：43-53.

[27] ROCHE J L，MURRAY H，ORELLANA M，et al.Flavodoxin expression as an indicator of iron limiation in marine diatoms[J].Journal of Phycolo-gy，2010，31（4）：520-530.

[28] GRAHAM P，PRICE N M.Copper-containing plastocyanin used for ele-ctron transport by an oceanic diatom[J].Nature，2006，441（7091）：341-344.

[29] MARCHETTI A，CATLETT D，HOPKINSON B M，et al.Marine diatom proteorhodopsins and their potential role in coping with low iron availability[J].The ISME Journal，2015，9（12）：2745.

[30] STRZEPEK R F，HARRISON P J.Photosynthetic architecture differs in coastal and oceanic diatoms[J].Nature，2004，431（7009）：689-692.

[31] NIR K，RAJEEV A，PAKRASI H B.Critical roles of bacterioferritins in iron storage and proliferation of Cyanobacteria[J].Plant Physiology，2004， 135（3）：1666-1673.

[32] ADRIAN M，PARKER M S，MOCCIA L P，et al.Ferritin is used for iron storage in bloom-forming marine pennate diatoms[J].Nature，2009，457（7228）：467-470.

[33] RUE E，BRULAND K.Domoic acid binds iron and copper：a possible role for the toxin produced by the marine diatom Pseudo-nitzschia[J].Marine Chemistry，2001，76（1）：127-134.

[34] TRICK C G，ANDERSEN R J，GILLAM A，et al.Prorocentrin：an extra-cellular siderophore produced by the marine dinoflagellate prorocentrum minimum[J].Science，1983，219（4582）：306-308.

[35] VREDE T，TRANVIK L J.Iron constraints on planktonic primary prod-uction in oligotrophic lakes[J].Ecosystems，2006，9（7）：1094-1105.