1.蓝藻胞外多糖和糖原
34亿年前，蓝藻是地球上唯一的光合自养生物，当今，它仍然是很多生境中非常重要的光合植物类群，特别是作为严酷贫瘠生境中最早的初级生产者，对地球生态系统的形成和演化起着非常重要的作用。而它成功拓殖的根源很大部分来自细胞外的胞外多糖(Exopolysaccharides, EPS)，因这部分的存在大大提高了蓝藻抵抗干旱、辐射、风沙和盐碱等多种胁迫的能力。
蓝藻光合作用的初级产物大多数是糖原。虽然糖原不仅调节胞内碳浓度、抵御饥饿，还具有抵抗盐胁迫和氧化损伤的功能，但为了抵御和适应多种胁迫环境，蓝藻还分配相当的能量到胞外，特别地形成由紧密结合的荚膜多糖(Capsular polysaccharides，CPS)和松散结合能分泌到周围环境中的释放多糖(Released polysaccharides，RPS)构成的EPS。而且由于糖原和EPS诱人的工业应用前景，大量研究都只关注其中一方的积累。在沙漠环境中，营养元素的匮乏是极其常见的。
基于此，本文以分布在生物土壤结皮中的蓝藻优势种具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus Gomont)为实验材料，研究其在不同营养元素缺失条件下细胞胞外EPS和胞内糖原合成的规律，以探究具鞘微鞘藻胞外多糖和糖原代谢合成过程中碳流分配规律，从而深入了解结皮蓝藻抵抗逆境的机制。
图1 具鞘微鞘藻
2.研究结果
培养基中NO3－、PO43－和Mg2+的缺乏明显抑制了具鞘微鞘藻的生长和叶绿素a的合成(P<0.05)，而Ca2+和Fe2+的缺乏则对这2个指标无明显影响(P>0.05)。
NO3－、PO43－、Mg2+、Ca2+和Fe2+的缺乏并未刺激释放多糖(RPS)和总EPS的分泌(P > 0.05)，而Ca2+和Fe2+的缺乏明显促进荚膜多糖(CPS)的合成(P<0.05)。NO3－、PO43－、Mg2+、Ca2+和Fe2+的缺乏明显促进糖原的合成(P<0.01)，且EPS/糖原比值在1.7-8.0，明显小于对照组(P<0.01)；尤其在氮缺乏时，EPS/糖原比值最小(P<0.01)，细胞内总糖含量最高(P<0.01)，细胞分配能量更经济。
以上结果表明，在营养缺失时，具鞘微鞘藻倾向存储糖原，但仍将1.7-8.0倍糖原的碳流用于合成EPS(图2)。在胞外合成EPS的过程中，将有限的能量优先合成利于自身生存的CPS，较少向外分泌RPS。营养缺失明显影响具鞘微鞘藻胞外多糖和糖原的分配模式，这种能量分配模式可能十分有利于其抵抗贫瘠沙漠的生长环境。
图2 营养缺失对具鞘微鞘藻EPS/糖原比值的影响
3.总结与展望
营养缺失明显影响了具鞘微鞘藻在合成EPS和糖原方面的能力和物质分配，细胞倾向将固碳产物以糖原形式存储在体内，帮助其抵抗营养缺失时的不良环境。营养缺失明显影响具鞘微鞘藻EPS和糖原的分配模式，这种能量分配模式可能十分有利于其抵抗贫瘠沙漠环境。此研究为深入了解结皮蓝藻抵抗逆境机制提供了理论依据。
4.研究团队及项目资助
本研究藻种由中国科学院水生生物研究所藻种库提供，由湖北工业大学葛红梅和水生生物研究所特殊环境藻类学科联合完成，胡春香研究员为通讯作者。相关研究结果在水生生物学报杂志上网络发表(doi: 10.7541/2021.2020.297)，论文题为“营养缺失对具鞘微鞘藻胞外多糖和糖原分配模式的影响”。
本研究由国家自然科学基金 (31800457，51808416)、中国科学院战略性先导科技专项(XDA17010502)、湖北省大学生创新创业训练计划项目 (S201910500036) 资助。
本文转载自国家水生生物种质库淡水藻种库微信公众号
