藍細菌，又稱為藍藻或藍綠藻，是地球上最古老的微生物之一。它們能通過植物型光合作用，將二氧化碳固定并轉化為各類碳水化合物。研究發現，很多藍細菌在高鹽環境下在細胞內合成并積累蔗糖等小分子化合物來抵抗逆境，然而，相關調控機制仍未被清楚揭示。
中國科學院青島生物能源與過程研究所微生物代謝工程研究組長期以來致力于藍細菌逆境適應性研究，其近期研究結果揭示了藍細菌在應對鹽脅迫、合成蔗糖方面的深層機制。通過系統分析聚球藻PCC 7942蔗糖合成關鍵因子響應高鹽脅迫的變化情況，研究人員發現藍細菌蔗糖代謝調控發生在基因轉錄、蛋白翻譯、酶學活性三個水平，并通過一種“離子濃度介導的酶活協同調控”方式，實現胞內蔗糖生理代謝對環境鹽度變化的快速響應（如圖）。相關研究成果近日發表在Applied and Environmental Microbiology雜志。
在非鹽脅迫條件下，藍細菌在胞內基礎性表達蔗糖合成關鍵酶SPS（sucrose phosphate synthase）；而當細胞遭遇高鹽逆境時，胞內離子濃度迅速升高，SPS酶活性被迅速激活，細胞開始快速合成并積累蔗糖，以維持細胞內外的滲透平衡；而當環境鹽度降低后，胞內離子濃度降低，SPS重新恢復到低活性狀態，蔗糖合成也隨之減弱。有趣的是，負責蔗糖降解代謝的關鍵酶INV（invertase），其酶活調控方式與SPS正好相反，即高離子濃度抑制其活性，低離子濃度促進其活性。這樣，藍細菌細胞內動態變化的離子濃度以完全相反的方式調控著蔗糖合成和降解的關鍵酶，從而實現對環境鹽度變化的動態響應。
高鹽環境對細胞的生理脅迫是一個快速的過程，為了響應并適應高鹽環境，細胞也必須對逆境做出快速響應。該研究揭示的“離子濃度介導的酶活協同調控”保證了藍細菌能以一種極為快速的方式實現細胞生理、生化響應，因此很可能是微生物界普遍采用的一種高鹽適應調控機制。
上述研究獲得國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金面上項目等支持。
圖：聚球藻PCC 7942應對高鹽脅迫、合成蔗糖的調控機制
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