鄧仟 高保燕 唐子涵 張成武

(暨南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生態(tài)學(xué)系, 廣東 廣州 510632)

0 引言

在過(guò)去的幾十年里, 人們對(duì)極端環(huán)境(深海、火山凍土、雪地、冰川、海冰)的關(guān)注越來(lái)越多。這些極端環(huán)境70%以上是寒冷的生態(tài)系統(tǒng), 其溫度基本穩(wěn)定在冰點(diǎn)以下或接近冰點(diǎn)[1]。南極擁有全球十分之一的陸地面積, 最顯著的特征是持續(xù)的低溫[2], 最低溫度可以達(dá)到-89.6 ℃[3]; 再加上從冬季到夏季溫度的季節(jié)性波動(dòng)(-80℃～5℃), 高紫外輻射和長(zhǎng)時(shí)間的晝夜交替限制了許多高等植物的生長(zhǎng), 使生物體在南極洲的生存面臨巨大挑戰(zhàn)[4]。隨著更多的研究發(fā)現(xiàn), 各種微型和大型藻類(lèi)成為了南極初級(jí)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者。尤其是微藻在生物量和物種多樣性方面主導(dǎo)著南極洲的陸地生態(tài)系統(tǒng)[5], 不僅是南極洲有機(jī)質(zhì)和能量的主要生產(chǎn)者, 并且在礦物質(zhì)基質(zhì)和初級(jí)土壤形成過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用[6]。雪藻和海冰藻類(lèi)同樣貢獻(xiàn)了南極雪地和海冰生境大部分的生物量, 它們?cè)谧匀粭l件下受到光照、營(yíng)養(yǎng)、溫度、滲透等條件脅迫, 通過(guò)進(jìn)化不同抗高光的色素形成五顏六色的藻[7], 依靠休眠體度過(guò)漫長(zhǎng)的冬季[8], 憑借形態(tài)[9]或生化組成變化[1]等各類(lèi)方式應(yīng)對(duì)極端環(huán)境。這些現(xiàn)象吸引了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。隨著近年來(lái)全球氣候變化異常, 極地藻華季節(jié)性爆發(fā)加劇[10-11], 未來(lái)南極對(duì)氣候的響應(yīng)將會(huì)不斷刺激藻類(lèi)適應(yīng)新的環(huán)境。因此, 了解南極藻類(lèi)生物多樣性和生境分布特征, 闡明溫度對(duì)藻類(lèi)在細(xì)胞水平包括細(xì)胞膜流動(dòng)性、溶質(zhì)擴(kuò)散速率、細(xì)胞活性物質(zhì)生成、酶動(dòng)力學(xué)和分子層面的影響以及了解藻類(lèi)對(duì)低溫的各種適應(yīng)機(jī)制, 為其他生物抵御低溫環(huán)境提供了理論基礎(chǔ), 也有助于提高對(duì)藻類(lèi)生存和環(huán)境響應(yīng)的認(rèn)識(shí)。此外, 低溫環(huán)境中藻類(lèi)合成分泌了多種生物活性物質(zhì), 這些活性物質(zhì)對(duì)生產(chǎn)高價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)品、醫(yī)藥產(chǎn)品以及在抗衰老、酶市場(chǎng)和食品儲(chǔ)存等方面具有寶貴的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 南極藻類(lèi)生物多樣性

隨著極地勘探水平、樣品獲取方法和低溫保存技術(shù)的飛速發(fā)展, 研究人員發(fā)現(xiàn)許多藻類(lèi)可以在極低溫的環(huán)境下生存, 一些南極特有的新物種也逐漸進(jìn)入大家的視野。目前針對(duì)南極藻類(lèi)物種的分類(lèi)和群落結(jié)構(gòu)的描述還比較匱乏。通過(guò)參考Biersma 等[12]編制的南極物種登記冊(cè)(Register of Antarctic Species), 按照不同門(mén)類(lèi)對(duì)已記載的常見(jiàn)南極藻類(lèi)物種進(jìn)行歸類(lèi)和總結(jié), 并對(duì)不同藻類(lèi)的數(shù)量及分布特征進(jìn)行分析(表1)。在南極發(fā)現(xiàn)的藻類(lèi)中, 異鞭藻門(mén)、藍(lán)藻門(mén)和綠藻門(mén)物種豐富度最高,分別有372、283 和218 種, 表1 列舉了常見(jiàn)南極藻的綱或亞綱, 它們?cè)诮M成南極生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和復(fù)雜性中起到了關(guān)鍵作用。其中, 藍(lán)藻門(mén)中念珠藻亞綱、顫藻亞綱和聚球藻亞綱占絕大部分, 且大多在南極淡水環(huán)境中發(fā)現(xiàn)。異鞭藻門(mén)中硅藻綱所占比例最高, 現(xiàn)已記錄267 種,大多生長(zhǎng)在淡水和海洋生境中。綠藻門(mén)主要以綠藻綱、共球藻綱和石莼綱為主, 在各個(gè)生境中都有發(fā)現(xiàn)。定鞭藻門(mén)和紅藻門(mén)大多出現(xiàn)在海洋環(huán)境, 輪藻門(mén)以接合藻綱為主, 大部分在淡水和土壤中。雖然隱藻綱和裸藻綱種類(lèi)不多, 但在南極洲也有分布。這些不同門(mén)類(lèi)的藻分布在南極的不同生境中, 面對(duì)低溫、強(qiáng)紫外線等極端的環(huán)境產(chǎn)生了一系列適應(yīng)性策略,為人類(lèi)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)也為環(huán)境可持續(xù)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)(圖1)。

表1 南極常見(jiàn)藻類(lèi)物種分類(lèi)與生境特征Table 1. Taxonomic and habitat characteristics of common algae species in Antarctica

圖1 南極藻類(lèi)生境、低溫適應(yīng)機(jī)制與生物資源利用Fig.1. Utilization, cold adaptation mechanism and habitat of Antarctic algae

2 南極藻類(lèi)生境多樣性

2.1 無(wú)冰土壤

雖然土壤環(huán)境僅占南極洲陸地面積的0.18%左右[11], 但卻蘊(yùn)藏著豐富多樣的藻類(lèi)種群, 它們是南極土壤環(huán)境形成和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持中不可或缺的角色。在土壤形成的初始階段, 藻類(lèi)通過(guò)參與巖石風(fēng)化, 在沒(méi)有生命的礦物基質(zhì)上生成初級(jí)有機(jī)質(zhì)。比如藍(lán)藻可以固定大氣中的氮; 一些典型的綠藻通過(guò)種群數(shù)量和生物量的快速增長(zhǎng)成為南極土壤生態(tài)系統(tǒng)中強(qiáng)大的生產(chǎn)者; 異鞭藻門(mén)中的黃藻綱也是土壤群落中的典型代表[13]。這些藻類(lèi)對(duì)南極生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的循環(huán)起到了一定的作用。

2.2 南極海冰

海冰是極地典型的生境之一, 最多可達(dá)到地球表面積的13%, 而南大洋海冰是面積最大的海冰[14], 是海洋在漫長(zhǎng)的冬季被冰覆蓋形成的生態(tài)位, 不僅溫度低, 且鹽度高, 光強(qiáng)波動(dòng)大[15], 特別是由于平流層臭氧損耗, 全球紫外輻射增加, 使南極海冰藻類(lèi)生長(zhǎng)受到了嚴(yán)重影響[16]。即使是如此惡劣的環(huán)境條件, 海冰棲息地同樣發(fā)育了非常多樣化的生物群落。就藻類(lèi)而言, 海冰棲息地主要以硅藻為主[17], 常見(jiàn)的有圓柱擬脆桿藻(Fragilariopsis cylindrus)、短小擬脆桿藻(Fragilariopsiscurta)[18]。綠藻也是該群落的重要組成部分, 此外藍(lán)藻和金藻綱、隱藻綱等其他微藻也能適應(yīng)極地海冰強(qiáng)烈的季節(jié)性波動(dòng)[19]。

2.3 南極雪原

南極雪地生態(tài)系統(tǒng)是由不同的微生物群組成的復(fù)雜生物群落, 包括藻類(lèi)、細(xì)菌、真菌和古細(xì)菌[20]。特別是在春夏季, 極地和高山雪原中會(huì)出現(xiàn)一種常見(jiàn)的“彩色雪”現(xiàn)象, 這是由于大量的微藻繁殖形成了紅色、橙色、粉色、綠色甚至黃色的雪塊[21-22], 也稱(chēng)雪藻。雪藻是生長(zhǎng)在極地和高山雪原地中的一組淡水微藻, 冬季在厚厚的雪層下休眠。等到冰雪融化, 一旦擁有合適的位置和生境條件, 雪藻就會(huì)爆發(fā)性生長(zhǎng), 通過(guò)調(diào)整胞內(nèi)主要的色素積累, 將雪地染上各種顏色。最顯著的雪藻是綠藻門(mén)中的衣藻屬(Chlamydomonas),它通過(guò)產(chǎn)生高水平的次生類(lèi)胡蘿卜素——蝦青素致使細(xì)胞變成紅色, 形成十分常見(jiàn)的紅色雪斑[21];此外, 真核雪藻屬以及擬衣藻屬(Chloromonas)、軟殼藻屬(Microglena)、小球藻屬(Chlorella)和柵藻屬(Scenedesmus)也時(shí)常出現(xiàn)[23], 這些微藻對(duì)該生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)和碳循環(huán)發(fā)揮著重要作用。

2.4 液態(tài)水環(huán)境

南極大陸約98%的地區(qū)(包括陸地土壤)被冰覆蓋, 只有近2%的液態(tài)水環(huán)境[24], 且大多位于南極的沿海和冰邊緣地帶, 包括被冰覆蓋的淡水湖、咸水湖、溪流等。它們每年至少有9 個(gè)月的時(shí)間被冰覆蓋, 到了夏季冰雪融化, 又暴露于強(qiáng)烈的紫外線輻射中[25]。Hernando 等[26]發(fā)現(xiàn)許多綠藻和藍(lán)藻在永久性覆冰的南極湖泊中占主導(dǎo)地位, 包括1 種真核綠藻——羅登衣藻UWO241 (ChlamydomonasraudensisUWO241)。它最先是從南極洲麥克默多干谷中分離出來(lái)[27], 藍(lán)藻門(mén)的念珠藻屬(Nostoc)和顫藻屬(Oscillatoria)也常出現(xiàn)在南極的湖泊和溪流中[28]。淺水池塘也屬于南極珍稀的淡水環(huán)境之一, 淡水浮游植物以鞭毛藻為主, 主要有綠藻綱、金藻綱和隱藻綱[29-31]。此外, 作為1 種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng), 冰錐生境的形成與淺水池塘類(lèi)似,是1 種充滿水的小型蓄水池, 分布在冰川表面, 形狀為圓形或圓柱形[32]。夏季溫度升高, 冰錐中的顆粒物質(zhì)會(huì)逐漸融化, 真核微藻和原核藍(lán)藻等通過(guò)光合作用固定無(wú)機(jī)碳和吸收氮, 為該群落復(fù)雜的生物群體提供營(yíng)養(yǎng)[33]。到了冬季, 冰錐孔又會(huì)重新凍結(jié), 生物體依靠休眠在寒冷、黑暗的環(huán)境中存活下來(lái), 期間發(fā)生相對(duì)復(fù)雜的生物地球化學(xué)過(guò)程[34]。

3 南極藻類(lèi)適應(yīng)低溫的物質(zhì)基礎(chǔ)

藻類(lèi)之所以能夠在極地、冰川、海冰等低溫環(huán)境中長(zhǎng)期生存, 離不開(kāi)它們?cè)诩?xì)胞水平產(chǎn)生的各種適應(yīng)性策略, 其中就包括對(duì)細(xì)胞膜脂質(zhì)組成的調(diào)控,胞內(nèi)相容性溶質(zhì)和胞外聚合物的產(chǎn)生, 多種蛋白質(zhì)的保護(hù)以及在色素和酶促反應(yīng)方面的響應(yīng)(表2)。

表2 南極藻類(lèi)適應(yīng)低溫的物質(zhì)基礎(chǔ)Table 2. Material basis of Antarctic algae adapting to low temperature

3.1 膜的流動(dòng)性

細(xì)胞膜的主要功能是控制細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物的進(jìn)出, 它決定了細(xì)胞的正常生長(zhǎng)和胞內(nèi)代謝環(huán)境的穩(wěn)定。溫度下降最直接的后果就是細(xì)胞膜流動(dòng)性降低, 從而破壞細(xì)胞膜的生理功能[35]。研究發(fā)現(xiàn), 相比于溫帶, 許多低溫藻體內(nèi)長(zhǎng)鏈脂肪酸和多不飽和脂肪酸(PUFA)的水平會(huì)明顯增高, 使細(xì)胞膜磷脂雙分子層中PUFA 濃度隨之增高, 膜脂質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 從而增強(qiáng)細(xì)胞膜的流動(dòng)性[36]。這些在南極綠藻、硅藻和甲藻研究中都已被證實(shí)[37-39],它們還可以通過(guò)破壞磷脂雙分子層的堆積順序, 導(dǎo)致液相到凝膠的相變溫度降低,即使在低溫下細(xì)胞膜也能夠保持流體雙分子層的功能[40]。

3.2 胞內(nèi)物質(zhì)

細(xì)胞相容性溶質(zhì)是1 種低分子質(zhì)量、無(wú)毒的有機(jī)滲透劑, 由高度可溶的有機(jī)小分子組成, 可與大量細(xì)胞代謝物相容[41]。當(dāng)藻類(lèi)在低溫環(huán)境下生長(zhǎng)時(shí), 細(xì)胞內(nèi)的液體環(huán)境很容易導(dǎo)致冰晶的形成, 冰晶通過(guò)滲透壓的變化或物理破裂會(huì)使細(xì)胞解體[42]。面對(duì)這種威脅, 藻類(lèi)通常會(huì)產(chǎn)生一些高濃度溶質(zhì), 如低溫藻亞心形扁藻(Platymonas subcordiformis)在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)釋放二甲基磺酰丙酸鹽、甘氨酸甜菜堿和龍蝦肌堿[43], 一些低溫適應(yīng)微藻細(xì)胞中也可以產(chǎn)生蔗糖、甘油、甘露醇、脯氨酸、甘氨酸甜菜堿等相容性溶質(zhì)的積累[44]。它們一方面可以維持細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓平衡, 另一方面通過(guò)與細(xì)胞代謝物相容, 以適應(yīng)外部低溫、干旱的環(huán)境。

3.3 胞外物質(zhì)

胞外聚合物(extracellular polymer substance,EPS)是生物體在細(xì)胞外分泌的多功能、高分子量的一類(lèi)聚合物, 具有大型、復(fù)雜且高度多樣化的結(jié)構(gòu)特征。它主要由碳水化合物、蛋白質(zhì)和少量的核酸、脂類(lèi)、酚類(lèi)和腐殖質(zhì)組成, 是許多冷適應(yīng)微生物及藻類(lèi)應(yīng)對(duì)極低溫的重要策略之一。在海冰生境中, 藻類(lèi)是EPS 的重要來(lái)源[45], Aslam等[46]報(bào)道過(guò)海冰硅藻和藍(lán)藻通過(guò)產(chǎn)生大量胞外EPS 用于冷凍保護(hù)。Krembs 等[47]還發(fā)現(xiàn)硅藻EPS有助于增強(qiáng)鹽分的保留, 從而讓海冰保留更多的溶解物。除此之外, 在海洋環(huán)境中也發(fā)現(xiàn)了豐富的微生物EPS 顆粒, 它們?yōu)榱藨?yīng)對(duì)極端的溫度和鹽度, 在群落的生存和適應(yīng)中扮演著重要角色[48]。

3.4 冷適應(yīng)蛋白

冰結(jié)合蛋白(ice binding protein, IBP)也稱(chēng)抗凍蛋白(anti-freeze protein, AFP), 是一類(lèi)可以降低體系冰點(diǎn)、抑制冰晶生長(zhǎng)的特殊蛋白質(zhì)。這類(lèi)蛋白質(zhì)從細(xì)胞中分泌出來(lái), 通過(guò)改變冰通道結(jié)構(gòu)來(lái)抑制冰的生長(zhǎng)和重結(jié)晶, 增強(qiáng)鹽水的滯留[49]。IBP 首先是在魚(yú)的血液中發(fā)現(xiàn), 隨后在一些藻類(lèi)、昆蟲(chóng)、植物、真菌和細(xì)菌中也有發(fā)現(xiàn), 而且是作為抗凍劑發(fā)揮作用[50]。到目前為止, Raymond 和Kim[51]發(fā)現(xiàn)所有測(cè)試的海冰硅藻都可以產(chǎn)生IBP,并且在一些極地分離的藻類(lèi)物種中也發(fā)現(xiàn)了多種IBP 亞型, 但在溫帶物種中則完全沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有關(guān)IBP 的基因。

除了IBP, 還存在一些具有冷適應(yīng)功能的蛋白質(zhì)。冰核蛋白(ice nucleation protein, INP)是1 種較大的膜結(jié)合蛋白, 可以在0℃以下使冰生長(zhǎng)成核,在誘導(dǎo)冰結(jié)晶的過(guò)程中阻止水的快速冷卻[52]。同時(shí), 為了降低對(duì)細(xì)胞的損害, INP 更有利于形成小的胞外晶體, 結(jié)晶過(guò)程釋放的熱能也有利于防止溫度的進(jìn)一步下降。此外, 冷休克蛋白(cold shock protein, CSP)是1 種小型單鏈蛋白, 可以與核酸結(jié)合, 幫助調(diào)節(jié)各種細(xì)胞過(guò)程, 如蛋白質(zhì)的折疊、轉(zhuǎn)錄、翻譯以及影響膜的流動(dòng)性[53-54]。當(dāng)生物體突然暴露在低溫環(huán)境時(shí), 冷休克蛋白就會(huì)產(chǎn)生冷休克反應(yīng)。它是許多生物體面對(duì)溫度驟降的1 種保護(hù)機(jī)制, 冷休克蛋白是調(diào)控冷休克反應(yīng)的關(guān)鍵因子。Mega 等[55]也發(fā)現(xiàn), 溫度下降時(shí)冷休克蛋白基因會(huì)迅速上調(diào), 隨之轉(zhuǎn)錄水平顯著提升。除了上述的3 種冷適應(yīng)蛋白, 酶也是藻類(lèi)適應(yīng)低溫環(huán)境的關(guān)鍵因子。

3.5 色素

目前, 色素在冰川、海洋以及高海拔土壤的生物體內(nèi)出現(xiàn)的越來(lái)越多[56-58]。提高體內(nèi)色素含量是許多嗜冷微生物應(yīng)對(duì)低溫的機(jī)制之一, 同樣是生長(zhǎng)在極地地區(qū)的藻類(lèi)抵御寒冷的方法。藻類(lèi)細(xì)胞內(nèi)含有多種色素, 大體可以分為葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素(胡蘿卜素和葉黃素)和藻膽素(藻藍(lán)蛋白和藻紅蛋白)3大類(lèi)。其中類(lèi)胡蘿卜素種類(lèi)繁多,從數(shù)量以及對(duì)光合作用的貢獻(xiàn)上來(lái)講, 它僅次于最豐富的葉綠素[59], 在某些藻類(lèi)物種或類(lèi)群中具有獨(dú)特的作用。比如, 低溫引起植物對(duì)光吸收和利用的失衡, 會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)活性氧的過(guò)度積累, 生長(zhǎng)在低溫環(huán)境中的綠藻會(huì)顯著增加體內(nèi)光保護(hù)色素即次生類(lèi)胡蘿卜素的含量, 如蝦青素、玉米黃質(zhì)和總胡蘿卜素等, 以此抵御外界極端環(huán)境的影響[60]。

3.6 酶動(dòng)力學(xué)

根據(jù)阿倫尼烏斯公式, 溫度降低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率呈指數(shù)下降。大多數(shù)冷適應(yīng)酶與中溫的同源酶相比, 最佳活性溫度會(huì)向低溫轉(zhuǎn)移, 在低溫下表現(xiàn)出更高的催化效率[61]。對(duì)海冰硅藻的研究中發(fā)現(xiàn), 參與硝酸鹽、銨和碳吸收的酶在接近冰點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)具有最優(yōu)的催化效率[62]。在嗜冷和中溫硝酸還原酶的對(duì)比, 以及無(wú)機(jī)氮的吸收和同化等研究中, 也表明低溫條件下嗜冷代謝酶的活性更高、更穩(wěn)定[63]。

4 南極藻類(lèi)適應(yīng)低溫的分子基礎(chǔ)

隨著“組學(xué)”技術(shù)的進(jìn)步, 在分子水平上開(kāi)展藻類(lèi)的研究與日俱增。耐低溫機(jī)制是藻類(lèi)適應(yīng)南極極端環(huán)境的重要遺傳基礎(chǔ)之一, 基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)可幫助進(jìn)一步了解分子進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力和選擇方向。

4.1 基因組學(xué)分析

雖然南極藻類(lèi)耐低溫機(jī)制的研究已經(jīng)進(jìn)入基因組學(xué)水平, 但是已完成完整基因組測(cè)序以及數(shù)據(jù)分析的物種卻十分有限。Mock 等[64]將極地硅藻圓柱擬脆桿藻(Fragilariopsiscylindrus)基因組與溫帶硅藻進(jìn)行對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)F.cylindrus中大約24.7 %的二倍體基因組由等位基因高度分化的遺傳位點(diǎn)組成, 這些不同的等位基因在不同的環(huán)境條件下有不同的表達(dá)。此外, Blanc 等[65]發(fā)表了1種來(lái)自極地的嗜冷單細(xì)胞綠藻——亞橢圓膠球藻(Coccomyxasubellipsoidea)基因組的測(cè)序結(jié)果,他們認(rèn)為一些基因的缺失和增加可能有助于對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)。生長(zhǎng)在極地海冰中的衣藻Ice-L(Chlamydomonassp. ICE-L) 對(duì)比其他綠藻綱植物的基因組要大得多, 一些可能參與不飽和脂肪酸生物合成、離子穩(wěn)態(tài)、滲透穩(wěn)態(tài)、活性氧解毒、DNA 修復(fù)和光保護(hù)相關(guān)的基因家族會(huì)發(fā)生顯著的上調(diào)或高水平表達(dá)[66]。

4.2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析

除基因分析, 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序以及表達(dá)調(diào)控機(jī)制也給我們提供了許多有價(jià)值的信息。目前國(guó)內(nèi)在南極低溫藻轉(zhuǎn)錄組學(xué)方面開(kāi)展了大量工作, 例如Zhang 等[67]對(duì)2 種南極嗜冷綠藻(Chlamydomonassp. ICE-L 和Tetrabaenasocialis)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序, 發(fā)現(xiàn)嗜冷藻類(lèi)具有更穩(wěn)定的光合機(jī)制和多種保護(hù)策略, 為南極嗜冷綠藻的適應(yīng)性進(jìn)化提供了新線索。王以斌等[68]也針對(duì)南極冰藻轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、基因和蛋白表達(dá)調(diào)控分析等方面進(jìn)行了深入研究。另外有研究表明, 低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致一些微藻體內(nèi)部分基因的轉(zhuǎn)錄能力有所提升。比如柵藻NREL 46B-D3(Scenedesmussp. NREL 46B-D3)中許多參與脂質(zhì)產(chǎn)生、離子通道和逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因上調(diào), 特別是脂肪酸生物合成基因會(huì)被特異轉(zhuǎn)錄因子過(guò)度表達(dá)[69]。四爿藻 KCTC12432BP(Tetraselmissp. KCTC12432BP)在低溫條件下定位于質(zhì)體類(lèi)囊體膜的光合電子傳遞鏈相關(guān)基因表達(dá)也會(huì)上調(diào)[70], 這些基因表達(dá)以及其相應(yīng)的代謝反應(yīng)值得我們進(jìn)一步探究。

4.3 蛋白質(zhì)組學(xué)分析

蛋白質(zhì)組學(xué)是對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行大規(guī)模研究的新興學(xué)科, 它涵蓋了基因產(chǎn)物或“功能基因組學(xué)”的大部分功能分析[71]。盡管現(xiàn)在部分藻類(lèi)物種的基因組已完成測(cè)序, 但這些基因組中大部分基因的功能是未知的, 對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究將更有利于我們理解和闡明南極藻類(lèi)的耐低溫機(jī)制。前面提到的IBP、INP、CSP 都是藻類(lèi)在低溫下產(chǎn)生的具有不同冷適應(yīng)功能的蛋白質(zhì)。此外, 在南極衣藻(Chlamydomonassp.)中還發(fā)現(xiàn)了2 種新合成的蛋白質(zhì), 分別對(duì)氨基酸的運(yùn)輸和代謝以及活性氧、自由基和有害代謝物的清除起到重要作用[72]。長(zhǎng)期生活在寒冷環(huán)境中的藻類(lèi)還會(huì)進(jìn)化驅(qū)動(dòng)酶的低溫適應(yīng), 1 種南極普通小球藻(Chlorellavulgaris) 通過(guò)系統(tǒng)增加酶、蛋白質(zhì)的豐度和某些基因的正向選擇, 極大地增強(qiáng)自身的抗凍性[73], 這也是其他中溫生物早期適應(yīng)南極環(huán)境的機(jī)制之一。

5 適冷藻類(lèi)生物資源及生物活性成分利用

5.1 醫(yī)療保健

在對(duì)極地生物資源展開(kāi)深入探索和研究的背景下, 藻類(lèi)很有可能成為人類(lèi)獲取食物和藥品的“一大寶庫(kù)”。如前文所述, 許多南極微藻和藍(lán)藻在面對(duì)低溫環(huán)境時(shí), 細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生許多高價(jià)值的活性成分, 例如多不飽和脂肪酸、多糖、類(lèi)胡蘿卜素、色素等, 這些都成為了人類(lèi)重要的營(yíng)養(yǎng)膳食、醫(yī)學(xué)藥物甚至是健康保健的增值產(chǎn)品。其中, 多不飽和脂肪酸是人類(lèi)必需脂肪酸的來(lái)源, 人體以及大多數(shù)動(dòng)物都無(wú)法自主合成, 尤其是一些長(zhǎng)鏈ω3 脂肪酸, 如二十碳五烯酸(EPA, 20:5ω3)、二十二碳五烯酸(DPA, 22:5ω3)和二十二碳六烯酸(DHA, 22:6ω3), 必須通過(guò)飲食攝入獲取[74]。它們對(duì)調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和炎癥, 以及參與大腦、眼睛和中樞神經(jīng)的發(fā)育都至關(guān)重要[75-76]。色素作為1 種天然功能性產(chǎn)品, 具備許多有益的生物活性, 如抗氧化、抗癌、抗炎、抗肥胖[77], 以及降低老年人糖尿病、白內(nèi)障、黃斑變性和神經(jīng)變性的風(fēng)險(xiǎn)等[78]。類(lèi)胡蘿卜素中的蝦青素和β-胡蘿卜素是強(qiáng)大的抗氧化劑, 可以保護(hù)人類(lèi)抵抗免疫反應(yīng)受損、過(guò)早衰老、心血管疾病或關(guān)節(jié)炎的傷害[79]。這些高價(jià)值的活性產(chǎn)品不僅針對(duì)多種疾病的預(yù)防和臨床治療具有重要意義, 在保健品市場(chǎng)中也備受青睞。

5.2 日用和化工工業(yè)

目前許多藻類(lèi)生產(chǎn)的商業(yè)動(dòng)機(jī)主要是銷(xiāo)售用于制藥和營(yíng)養(yǎng)用途的高價(jià)值油脂。然而, 低溫環(huán)境中生長(zhǎng)的聚油微藻在生產(chǎn)生物柴油方面也擁有巨大潛力。Sharma 等[80]在對(duì)微藻制備生物柴油的高脂誘導(dǎo)研究中提到, 鹽生杜氏藻(Dunaliella salina)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)和布朗葡萄藻(Botryococcusbraunii)在低溫下不飽和脂質(zhì)水平顯著增加。 此外, 黃藻綱中的黃絲藻(Tribonema)[81]和異球藻(Heterococcus)[82]都是未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)柴油的潛在藻株。如果能夠進(jìn)一步優(yōu)化低溫藻的大規(guī)模培養(yǎng)條件, 突破藻類(lèi)生長(zhǎng)速度慢、生物量較低、產(chǎn)品商業(yè)化的瓶頸, 藻類(lèi)生物能源的開(kāi)發(fā)利用將對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

其次, 研究發(fā)現(xiàn)冷適應(yīng)酶在酶市場(chǎng)、食品、洗滌劑以及分子生物學(xué)等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[83]。一類(lèi)是“食品酶”, 預(yù)計(jì)到2024 年全球需求將超過(guò)36 億美元。另一類(lèi)用于分子生物學(xué)的酶,據(jù)報(bào)道2016 年分子生物學(xué)試劑盒、試劑和酶的市場(chǎng)規(guī)模為56.9 億美元[83], 其中就有許多來(lái)自極地低溫藻。最近研究還發(fā)現(xiàn)南極湖泊中的萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii) 和鹽生杜氏藻(Dunaliellasalina)胞內(nèi)含有2 種特有的酶, 能夠促進(jìn)高水平甘油的生產(chǎn)[84]。

藻類(lèi)中冰結(jié)合蛋白在工業(yè)方面的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也不容小覷, 2017 年IBPs 市場(chǎng)估值為270 萬(wàn)美元,預(yù)計(jì)到2023 年將達(dá)到1000 萬(wàn)美元[83]。IBPs 不僅涉及醫(yī)藥、化妝品和食品多個(gè)領(lǐng)域, 而且在低溫保護(hù)劑方面也取得了一定的研究進(jìn)展[85-86]。

5.3 化妝品行業(yè)

隨著藻類(lèi)在低溫等極端環(huán)境中釋放的活性成分不斷被發(fā)現(xiàn), 化妝品行業(yè)成為了藻類(lèi)生物資源開(kāi)發(fā)和利用的新方向。從藻類(lèi)中提取的生物活性化合物不僅原料便宜, 并且滿足消費(fèi)者對(duì)“純天然”“綠色環(huán)保”產(chǎn)品的消費(fèi)理念。例如, 藻類(lèi)提取物中類(lèi)胡蘿卜素是眾所周知的強(qiáng)抗氧化劑和清除劑, 可作為抗衰老和防曬化合物[87]; 各種顏色的藻中所含色素可以作為眼影、口紅的著色配方[88];此外, 脂類(lèi)(脂肪酸和角鯊烯)、酚類(lèi)、氨基酸、蛋白質(zhì)、多肽和多糖均可被用與制作防曬霜、皮膚潤(rùn)滑劑、保濕劑等化妝或護(hù)膚產(chǎn)品[89-90]。另外, 隨著化妝品與制藥行業(yè)的合并, 各種既保留生物原有活性又具備治療價(jià)值的化合物不斷被研發(fā), “藥妝品”的概念也逐漸進(jìn)入大眾消費(fèi)者的視野[91-92],這將在未來(lái)化妝品行業(yè)中釋放巨大的商業(yè)價(jià)值。

6 總結(jié)與展望

在全球變暖的大背景下, 極地冰川融化、海平面升高、紫外輻射增強(qiáng)、氣候變化異常, 多種藻類(lèi)及其生境都遭受了不同程度的破壞, 作為南極生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)者, 藻類(lèi)種類(lèi)和數(shù)量的變化以及所處環(huán)境的穩(wěn)態(tài)對(duì)整個(gè)生物圈都存在直接影響。一方面, 溫度作為南極藻類(lèi)生長(zhǎng)和繁殖的決定性因素, 在生理和分子等多方面的適應(yīng)機(jī)制仍需要進(jìn)一步探索; 另一方面, 低溫藻類(lèi)在營(yíng)養(yǎng)、醫(yī)藥、工業(yè)、化妝品等多個(gè)領(lǐng)域的潛在利用價(jià)值雖已得到初步研究, 但是針對(duì)適冷藻培養(yǎng)條件的優(yōu)化、活性成分的有效提取以及其他生物資源轉(zhuǎn)化為具有實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)品還需要進(jìn)一步的研究與突破。