隨著全球氣候變化，土壤鹽漬化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，全球約10億公頃土地正遭受鹽堿化威脅。在廣袤的沙漠里，白天烈日炙烤，致使這里的土壤含鹽量最高可達(dá)普通海水的1.3倍。而在這樣惡劣的環(huán)境中，生物土壤結(jié)皮卻活得有滋有味。它們就像是沙漠的“皮膚”，不僅能固定流沙、保持水分，還能為其他生命的入駐創(chuàng)造條件。作為其中的優(yōu)勢(shì)類群，荒漠藍(lán)藻在我國(guó)西北地區(qū)被廣泛用于生態(tài)修復(fù)，讓荒漠化土地重現(xiàn)生機(jī)。那么，荒漠藍(lán)藻憑什么能在高鹽環(huán)境下生存？它們手中握著怎樣的“生存秘籍”？

近日，蘭州大學(xué)與安徽醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《Cell Reports》發(fā)表了題為“Genomic foundations of salt tolerance in desert cyanobacteria”的研究，首次從基因組層面揭開了荒漠藍(lán)藻的耐鹽之謎。

一個(gè)被忽視的“沙漠特種兵”

研究團(tuán)隊(duì)從騰格里沙漠采集到一株優(yōu)勢(shì)藍(lán)藻（Nostoc sp. FACHB-892）。通過(guò)PacBio三代測(cè)序技術(shù)，他們獲得了高質(zhì)量的完整基因組。這株藍(lán)藻與其近緣物種相比，基因組相似度只有90%左右。這意味著，它很可能是一個(gè)尚未被記錄的新物種，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展出了獨(dú)特的生存策略。

研究的核心突破：荒漠藍(lán)藻的耐鹽能力，既有一套“獨(dú)門絕技”，也具備與其他耐鹽生物共享的“通用本領(lǐng)”。

獨(dú)門絕技：荒漠特有三板斧

第一板斧：給光合系統(tǒng)裝上“備用輪胎”

光合作用是藍(lán)藻儲(chǔ)存能量的重要環(huán)節(jié)，但高鹽環(huán)境會(huì)嚴(yán)重破壞光合系統(tǒng)Ⅱ中的D1蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ACHB-892中負(fù)責(zé)生產(chǎn)D1蛋白的psbA基因發(fā)生顯著擴(kuò)張。更巧妙的是，其中5個(gè)拷貝的關(guān)鍵位點(diǎn)發(fā)生了“H359N”突變，能讓D1蛋白的“維修”效率大大提高。這就像給汽車準(zhǔn)備了多個(gè)備胎，爆胎一個(gè)馬上換上新的，確保光合系統(tǒng)在高鹽環(huán)境下保持運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二板斧：構(gòu)建“環(huán)境感知雷達(dá)網(wǎng)”

沙漠環(huán)境瞬息萬(wàn)變，白天蒸發(fā)加劇，土壤鹽分飆升；夜晚相對(duì)溫和?；哪{(lán)藻如何感知這種變化從而作出應(yīng)對(duì)措施？研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ACHB-892大幅擴(kuò)展了rcp1基因家族，且遠(yuǎn)超其他藍(lán)藻，這是感知黎明光信號(hào)的關(guān)鍵基因。在鹽脅迫下，這些“雷達(dá)”基因被大量激活，協(xié)助藍(lán)藻敏銳感知晝夜交替帶來(lái)的鹽分波動(dòng)，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)對(duì)機(jī)制。值得注意的是，這類感知系統(tǒng)的擴(kuò)張是荒漠藍(lán)藻獨(dú)有的。

第三板斧：多通路協(xié)同作戰(zhàn)

鹽脅迫初期，光合作用和能量代謝被抑制，活性氧（ROS）積累。此時(shí)，硫代謝通路被激活：一方面提供谷胱甘肽用于ROS清除和DNA修復(fù)，另一方面支持鐵硫簇合成。鐵硫簇與磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的NADPH、細(xì)胞色素b6-f復(fù)合物協(xié)同作用，增強(qiáng)光系統(tǒng)Ⅰ的循環(huán)電子流，為光系統(tǒng)Ⅱ的修復(fù)創(chuàng)造條件。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：硫代謝負(fù)責(zé)“清障”，電子傳遞鏈負(fù)責(zé)“供能”，兩者配合，讓受損的光合系統(tǒng)得以恢復(fù)。研究還發(fā)現(xiàn)γ-谷氨酰半胱氨酸、組氨酸、精氨酸等13種氨基酸在鹽脅迫下顯著積累，形成了一個(gè)龐大的“抗逆代謝庫(kù)”。

通用本領(lǐng)：跨越生境的趨同進(jìn)化

除了獨(dú)門絕技，F(xiàn)ACHB-892還與其他生境的耐鹽藍(lán)藻共享一套“通用工具箱”。研究團(tuán)隊(duì)從40株藍(lán)藻中篩選出17株耐鹽“選手”，通過(guò)進(jìn)化分析鎖定16個(gè)受到強(qiáng)烈正向選擇的基因。這些基因涉及DNA合成、抗氧化、光合作用、氨基酸代謝等多個(gè)功能類別。其中4個(gè)基因在轉(zhuǎn)錄組分析中被證實(shí)受鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，成為重點(diǎn)研究對(duì)象（ahpC、uspA、purH、carB）。這4個(gè)基因的耐鹽功能通過(guò)跨物種實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證：在大腸桿菌中分別敲除這四個(gè)基因的同源物，菌株在1 M鹽脅迫下生長(zhǎng)嚴(yán)重受阻（uspA敲除株受影響最顯著）；回補(bǔ)這些基因后，生長(zhǎng)能力恢復(fù)；過(guò)表達(dá)株則表現(xiàn)出比野生型更強(qiáng)的耐鹽能力。這一結(jié)果說(shuō)明：這四個(gè)基因的功能在不同物種間是保守的，均能在鹽脅迫下發(fā)揮保護(hù)作用。值得注意的是，purH和carB此前從未被證實(shí)與耐鹽性直接相關(guān)。這項(xiàng)研究首次揭示了它們?cè)谠松锬望}中的關(guān)鍵作用，為后續(xù)基因工程改造提供了全新靶點(diǎn)。

未竟之路

本研究發(fā)現(xiàn)的這些關(guān)鍵基因的上游調(diào)控因子尚不清楚，它們之間的互作網(wǎng)絡(luò)也有待闡明。從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的路要走。但無(wú)論如何，這項(xiàng)研究為我們打開了一扇窗：透過(guò)這株小小的荒漠藍(lán)藻，我們不僅看到了生命在極端環(huán)境下的生存智慧，也看到了科技服務(wù)生態(tài)修復(fù)的無(wú)限可能。下一次，當(dāng)你想到沙漠時(shí)，或許可以想象：在看不見的地下，這些微小的生命正在用它們的“黑科技”，默默守護(hù)著這片土地的生機(jī)。

該研究以蘭州大學(xué)為第一單位，蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院/草種創(chuàng)新與草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后葉彤為論文第一作者，安徽醫(yī)科大學(xué)王高鴻教授為通訊作者。本研究得到了青年科技人才聯(lián)合培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（25RCKA035）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2025YFF0512900）、國(guó)家自然科學(xué)基金（32422089和32360927）等項(xiàng)目的資助，并依托蘭州大學(xué)超算中心提供的計(jì)算支持。

原文鏈接：Genomic foundations of salt tolerance in desert cyanobacteria

編輯：王文樂(lè)

責(zé)編：彭倩