发现硅藻呈棕色的路径

硅藻是存在于全世界天然水域的微观单细胞藻类。在光合作用过程中，它们吸收大量二氧化碳(人类活动排放的主要温室气体)，并将其转化为生物质。类胡萝卜素岩藻黄质使硅藻能够有效地收获阳光的蓝绿色部分进行光合作用。

德国美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)的研究人员与一个国际研究团队合作，现在发现了藻类是如何产生这种重要且广泛使用的色素的。他们的工作最近发表在美国国家科学院院刊(PNAS)上的一篇科学论文中。

岩藻黄质合成的新见解

硅藻在世界各地的海洋和淡水环境中蓬勃发展，是物种最丰富的藻类群，据估计占全球光合作用二氧化碳固定的五分之一。与陆地植物的光合作用活跃的绿叶相反，硅藻是棕色的。它们独特的颜色是由捕光的类胡萝卜素岩藻黄质引起的，它能够有效吸收和光合作用在许多水生生境中普遍存在的蓝绿色光。岩藻黄质是地球上最丰富的类胡萝卜素之一，也是海洋光合作用的主要驱动力。

在过去的十年中，岩藻黄质也已成为营养保健品和药物应用日益受到关注的主题。早在150年前的科学文献中首次提到作为褐藻中的主要色素，岩藻黄质的化学结构是在1960年代建立的。然而，到目前为止，尚不清楚藻类如何合成这种重要的天然产物。

美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)的MartinLohr博士、美国柯林斯堡科罗拉多州立大学的GrahamPeers教授和中国杭州西湖大学的李晓波教授的研究小组现已公布了岩藻黄质的生物合成途径。硅藻，在PNAS上发表的联合手稿中报道。

使用CRISPR/Cas9基因剪刀，研究人员破坏了硅藻三角褐指藻中的基因，这些基因编码的蛋白质与陆地植物中类胡萝卜素生物合成所涉及的酶具有高度相似性。这些候选酶中的两种被敲除导致绿色突变体缺乏岩藻黄质，而是积累了其他类胡萝卜素，并且光合作用效率大大降低。新型类胡萝卜素和突变体中被敲除的酶的详细生化特征使研究人员能够提出硅藻中岩藻黄质的完整途径。

在棕色硅藻中，岩藻黄质吸收绿光并将能量传递给光合叶绿素，叶绿素以红色荧光的形式发出部分能量(右)。绿色突变体的细胞缺乏岩藻黄素，并且在绿光下显示出更弱的叶绿素荧光(左)，这表明了岩藻黄素对光收集的重要性。

结果证明该途径比预期的要复杂得多，并且包含三种新型类胡萝卜素中间体。基于对新发现的酶及其在藻类中的分布的生物信息学分析，研究人员还能够证明岩藻黄质途径是通过复制催化形成光保护类胡萝卜素的酶的古老基因而进化的。

正如作者解释的那样，光合生物中的类胡萝卜素最初在过度光照下充当保护剂。他们最近的工作表明，硅藻反复复制产生这些光保护色素的酶促工具箱的成分。一些拷贝获得了新的功能，从而能够合成更复杂的类胡萝卜素，这些类胡萝卜素被证明特别适合光合作用的光收集。值得注意的是，进化的年轻褐藻缺少这些额外的酶和新的类胡萝卜素中间体。相反，他们似乎使用了一种通过缩短硅藻中的通路而进化的改良通路。

将完整的岩藻黄质生物合成途径转移到其他生物体中是不可能的。JGU分子生理学研究所(IMP)的MartinLohr博士说：“我们已经确定了所有途径中间体，但其中一些酶仍然未知。”然而，作者希望他们的发现将促进对尚未发现的酶的鉴定。此外，绿色硅藻突变体将为更深入地了解这一具有特殊生态重要性的突出藻类中光合装置的生物发生和调节提供前所未有的研究机会。