作者：王兵爽，南京農業大學博士在讀。主要從事植物酸性磷酸酶機理研究。
創新沒有捷徑，如果有，那就是閱讀高質量文獻。LorMe課堂主要展示研究生課程文獻研討環節的作業。本期LorMe課堂為您介紹在生物可利用鐵含量有限的情況下，硅藻如何與其它浮遊植物競爭鐵營養的。
硅藻是一類具有色素體的單細胞植物，其形態多種多樣，在食物鏈中屬於生產者，佔全球約20%的初級生產力。它們靠光合作用將海水中的無機物合成自身需要的有機物並釋放氧氣；硅藻死後，經過億萬年的積累和地質變遷成為硅藻土，硅藻土在工業上用途很廣，可製造工業用的過濾劑、隔熱及隔音材料等。硅藻一直以來是一種重要的環境監測指示物種，常被用於水質研究。鐵肥通常會導致硅藻的大量繁殖，然而在長期鐵含量有限的水域，硅藻是如何生存並且當鐵可利用率較低時如何勝過其它浮遊植物獲取鐵營養的生理基礎尚未得到解決，基於此研究者進行了大量研究。
為了確定硅藻是否能利用鐵載體來吸收鐵，研究者利用三種硅藻Phaeodactylum tricornutum, Thalassiosira pseudonana和Thalassiosira oceanica來測定鐵的吸收。P. tricornutum 和T. oceanica可以利用鐵載體來吸收鐵。P.tricornutum可能只利用氧肟酸鹽型鐵載體（圖1），如鐵鏈黴素B（FOB）和鐵色素（FCH），而T.oceanica優先利用兒茶酚鹽型鐵載體，如腸桿菌素（ENT）。儘管T. pseudonana與T. oceanica屬於相同的屬，但與鐵EDTA相比較不能迅速吸收兒茶酚鹽或氧肟酸鹽型鐵載體。由此看出3種硅藻選擇鐵載體的類型有明顯的不同。
圖1 T. oceanica，P.tricornutum和T.pseudonana從不同鐵源中吸收鐵。該圖顯示了三種硅藻中鐵載體攝取的特異性。將細胞在缺鐵培養基中預培養，以指數生長中期收穫，並用無鐵培養基洗滌一次。然後將細胞重懸浮於含有55Fe標記的1μM培養基中：鐵EDTA（黑色），FCH（紅色），FOB（藍色）或ENT（綠色）。用洗滌緩衝液間隔地在過濾器上洗滌細胞並計數。
有文獻報導ISIP1是P.tricornutum在鐵脅迫條件下高度表達的基因，其存在或缺乏可以檢測硅藻利用鐵載體的能力。ISIP1基因在T.oceanica和P.tricornutum中被發現但是在T. pseudonana中未被發現。為了檢測ISIP1是否參與了鐵載體的利用，我們檢驗了在轉基因P.tricornutum細胞中敲除ISIP1基因後的效果。結果表明，敲除ISIP1基因，P.tricornutum細胞無法利用氧肟酸鹽型鐵載體進行生長（圖2A）；突變體從FOB中吸收鐵的速率顯著降低（圖2B）。作為對照，我們將ISIP1基因敲除與之前生成的ISIP2a基因敲除進行了比較。在之前的研究中我們發現，在鐵缺乏的條件下基因表達量上調第二高的基因是ISIP2a，參與了游離的Fe(III)非還原性攝取。正如預期的那樣，ISIP2a基因敲除表明了從三價EDTA鐵中攝取鐵減少，但與野生型相比，其FOB攝取沒有顯著差異（圖2B）。
圖2 ISIP1基因敲除的P.tricornutum細胞不能在FOB為唯一鐵源的培養基上生長。（A）P. tricornutum能夠在15 pM Fe'（黑線）和10 nM FOB（紅線）為鐵源的培養基上生長。ISIP1基因敲除水平（k/d）顯示在Fe'為鐵源的培養基上生長減少（藍線）並且在FOB（綠色）為鐵源的培養基上沒有生長。誤差線表示三個生物學重複。試驗開始之前，在低Fe的培養基上進行10天的預培養，耗盡Fe。（B）比較P.tricornutum野生型（WT）細胞（菱形標記）與ISIP1（正方形）和ISIP2a（三角形）基因敲除細胞鐵載體的攝取。
為了追蹤在P.tricornutum中鐵載體的獲取和其在細胞內運動的途徑，我們將FOB與螢光染料間硝基苄醇-2-乙二酸-1,3-二唑（FOB-NBD）相結合。在鐵脅迫條件下，Ga-DFOB-NBD被獲取並積累在與葉綠素並列的囊泡中（圖3A,3B）。這一過程在鐵脅迫的ISIP1基因敲除細胞中沒有被發現，檢測不到來自Ga-DFOB-NBD的胞內螢光，這與我們在圖2中得到的結果一致。
Ga-DFOB-NBD的定位（圖3 A和B）表明了胞吞過程。因此，我們用胞吞抑制劑檢測了以鐵載體或鐵EDTA形式添加到培養基中對鐵吸收的影響。添加胞吞抑制劑降低了75%以上的鐵載體吸收，而顯著增加了從鐵EDTA中吸收鐵（圖3C）。我們通過使用一系列其它的胞吞作用抑制劑證實了這一發現，單丹磺醯戊二胺、氧化苯砷和氯丙嗪的效果最為顯著（圖 3D）。這3種胞吞作用抑制劑與對FOB吸收相比，對鐵EDTA的吸收有刺激作用（圖 3D）。吸收增加可能是由於抑制鐵轉運蛋白的細胞內循環引起的。
圖3 硅藻通過胞吞作用將鐵載體吸收到細胞中。（A）野生型（頂部）和ISIP1基因敲除（底部）的細胞在缺鐵培養基中生長5天，濃縮至約5×107細胞/ml，然後用1μM的去鐵胺B與鎵絡合的螢光複合物(Ga-DFOB-NBD)培養15小時。細胞內積累的螢光鐵載體只在野生型細胞中被觀察到。（B）細胞的DAPI染色，通過細胞核定位證實了鐵載體定位在接近葉綠體的囊泡中（紅色是葉綠體；藍色是細胞核；綠色是螢光鐵載體）。(C)從1μM FOB(左)中吸收鐵，從1μM鐵EDTA(右)中吸收鐵；野生型（黑圈），ISIP1基因敲除（紅色正方形）；存在（實心符號）或缺乏（空心符號）10μM的胞吞抑制劑。Dynasore抑制了從FOB中吸收鐵，增強了從鐵EDTA中吸收鐵。(D) 其他胞吞抑制劑對FOB和鐵EDTA吸收速率的影響（1μM）。將細胞與以下抑制劑一起預培養10分鐘：dynasore（10μM），單丹磺醯戊二胺（100μM），氧化苯砷（10μM），氨氯吡咪（50μM），氯丙嗪（50μM），甲基-β-環糊精(1 mM)（加純的DMSO作為對照）。
一些硅藻可以利用鐵載體結合鐵並且顯示了一種對鐵載體類型的特異性識別。在Phaeodactylum tricornutum（三角褐指藻）中氧肟酸鹽型鐵載體在沒有減少的情況下被一種高親和機制吸收，這種機制涉及到與細胞表面結合，然後胞吞作用介導吸收並且傳遞到葉綠體。研究者證明了鐵飢餓誘導蛋白（ISIP1）在鐵載體的吸收中起著重要的作用，通過生物信息學分析，預測了該蛋白主要是硅藻的特異性蛋白。
研究者的發現表明一些硅藻對鐵載體有一種特殊的偏好，這對於研究交換有機物質自然群落的微生物生態學具有重要意義。很明顯，對模式物種的研究，雖然仍然是必要的，但還應對自然環境和單個物種的代謝能力有更好地了解。用P. tricornutum作為模型，發現ISIP1能通過胞吞作用利用氧肟酸鹽型鐵載體，不需要在細胞表面減少這些鐵載體的複合物。這增加了硅藻物種中已知的各種攝取途徑，並突出了它們從海洋中多相動態的天然鐵複合體中獲取鐵的適應或競爭能力。然而，還需要進一步的涉及該領域的生理學研究，以確定硅藻在多大程度上有相關的分子機制來利用與環境有關的鐵載體。
原文：Endocytosis-mediated siderophore uptake as astrategy for Fe acquisition in diatoms（點擊下方閱讀原文可跳轉）
期刊：Science Advances
DOI：10.1126/sciadv.aar4536
作者：Elena Kazamia et al.
關鍵詞：硅藻；胞吞作用；鐵載體
南京農業大學-土壤微生物與生物有機肥料團隊
微生態與根際健康實驗室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
立足國家需求，探索學科交叉，引領國際前沿
開展根際微生態研究、致力於根際健康調控、培養一流創新人才
競爭求發展，合作謀共贏。
Competition & Cooperation。
感謝您的關注和支持。