FKM多光谱荧光动态显微成像技术：蓝藻异形胞光合特性研究

异形胞（heterocyst）某些丝状蓝藻（如束毛藻、鱼腥藻、念珠藻等）所特有的变态营养细胞，是由普通营养细胞在一定的条件下尤其是氮素营养缺乏时分化而成。异形胞一般与营养细胞同形，单个地间生，一条藻丝上往往有数个异形细胞。异形胞与营养细胞的主要形态区别是：个体大，细胞壁厚，细胞质中的颗粒物质溶解成颗粒状态，颜色呈淡黄绿色或呈透明状。

而最为关键的生理功能区别有两点：

1.异形胞能进行固氮作用，在其高含量固氮酶的催化下，将空气中的N₂转变为NH₃，NH⁴⁺，进而形成氨基酸。

2.异形胞藻胆素含量显著低于营养细胞。

正是基于这两点，则引出了科学家的两点疑惑：

3.早期研究证实，蓝藻在固氮过程中也是存在光合放氧的，但固氮酶会被氧气不可逆地抑制。蓝藻如何保护固氮酶不被光合作用放出的氧气破坏？

4.如何直接观测异形胞与营养细胞光合特性的差异？

从21世纪之初，随着FKM多光谱荧光动态显微成像技术的提出和逐渐完善，科学家对蓝藻异形胞光合特性的研究达到前人所不能企及的高度，甚至取得了突破性的进展。本文通过相关文献案例展示这一研究发展的过程：

1. 开端：证实固氮和光合作用的时空隔离

FKM多光谱荧光动态显微成像技术于2000年正式提出并实用化，美国罗格斯大学Berman-Frank与德国康斯坦茨大学、捷克微生物研究所合作利用FKM技术对束毛藻Trichodesmium strain IMS101丝状藻的光合特性进行研究，对比固氮酶的活性与分布，发现固氮和光合作用从时间和空间两方面被隔离开了。他们推测在光合放氧进化的早期阶段，固氮酶是厌氧异养机制的一个电子受体，而光系统I（PSI）为固氮提供了厌氧的微环境。这一研究成果发表于2001年《Science》。

之后，他们又合作进行更加深入的研究。通过FKM技术获得的叶绿素荧光成像图与荧光淬灭动力学曲线数据，再次表明束毛藻光合作用与固氮的协同作用涉及光合活性状态可逆变化的复杂时空格局。 这些活性状态提供了通过PSII的电子传输进行固氮所需的协调和微调，并将光合放氧对固氮酶的抑制作用降至最低。这一研究发表于2004年《Plant Physiology》。

在这一研究结果通过叶绿素荧光参数最小荧光F₀、可变荧光Fv等，已经表明进行固氮的蓝藻细胞其PSII活性已经极低，进而丧失光合放氧能力。研究者也推测固氮与光合的时空分隔可能与异形胞有关。但此时的FKM技术尚不完善，获得的显微荧光成像图不能明确区分丝状体上的单个细胞，因此也没能获得进一步的支持证据。

2. 进展：证实异形胞PSII功能特性

2007年，FKM技术迎来了一次全面升级。这次升级之后，FKM从原来主要测量微藻细胞，扩展到能够测量植物叶片细胞，同时显微放大倍数与成像分辨率进一步提升，能够清晰分辨单个细胞乃至单个叶绿体。

于是，捷克科学院和南波西米亚大学、德国康斯坦茨大学再次合作，使用升级后的FKM系统对鱼腥藻Anabaena sp. strain PCC 7120异形胞进行更深入研究。研究人员明确观测到随着氮素缺乏胁迫程度的加重，丝状体细胞开始分化，营养细胞和异形胞的叶绿素参数F₀、Fm、Fv等都逐渐下降，表明光合色素的下降。但这一过程中，营养细胞的最大光化学效率Fv/Fm和持续电子流（量子产额）ΦPSII基本稳定，表明其维持了PSII活性，但形成中的异形胞这两项参数则显著下降。更出人意料地，成熟的异形胞PSII天线色素含量显著降低（F₀显著降低），但其PSII本身却是完整的（Fv/Fm恢复）。至此，科学家终于直接观测到异形胞PSII的分化过程与功能变化。

3. 突破：异形胞也能够维持藻胆素含量

之前的研究表明，为了维持固氮这一高耗能过程，蓝藻异形胞主要通过光系统I（PSI）合成ATP为其功能。藻胆素虽然是藻类光合最重要的光合色素之一，但由于其主要作为PSII的天线色素，而PSII光合过程中通过放氧复合体释放的氧气会使固氮酶失活。因此异形胞虽然具备完整的PSII，但其藻胆素含量显著下降，从而吸收的光能很少进入PSII，使其失去光合放氧的能力，从而维持固氮酶活性。但这种机制的缺点是用于固氮的能量也由于藻胆素的缺失而受到限制。

美国华盛顿大学与PSI公司、中科院水生生物研究所合作，通过一种基因修饰系统对Anabaena 33047进行处理。通过MC1000八通道藻类培养监测系统模拟不同波长的高光培养环境，同步实时监测其OD730，表明这种蓝藻可以在高光条件下具有良好的适应性。

通过特殊定制的FKM系统，研究人员直接测量了营养细胞和异形胞的藻胆素荧光。结果表明，Anabaena 33047 ΔnblA突变株中异形胞的藻胆素荧光与营养细胞接近，但野生型异形胞则远远低于影响细胞。通过FKM荧光动态分析，ΔnblA突变株异形胞的藻胆素荧光是野生型异形胞的大约8倍高。这样高含量的藻胆素，也就表明其可以为固氮过程提供远高于野生型的ATP，显著提高其固氮能力。这一最新研究成果发表于2021年《mBio》。

未来，科学家还会运用FKM多光谱荧光动态显微成像技术在异形胞、微藻细胞分化领域确定什么样的突破呢？请拭目以待。如果您希望了解更多关于FKM多光谱荧光动态显微成像技术的内容，请联系我们。

参考文献：

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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