邱保勝課題組在荒漠藍藻耐干燥脫水研究方面取得重要進展

華大在線（通訊員 鄧淑文）近日，國際著名學術期刊PNAS發表了生科院邱保勝教授課題組關于荒漠藍藻耐干燥脫水的最新研究進展，論文題目為“Coevolution of tandemly repeated hlips and RpaB-like transcriptional factor confers desiccation tolerance to subaerial Nostoc species”（https://doi.org/10.1073/pnas.2211244119）。

干燥脫水（Desiccation）是自然界最嚴酷的逆境脅迫之一，嚴重影響生物的細胞結構和生理功能。雖然絕大多數生物干燥脫水后都不能存活，但少數物種可以從長期完全脫水狀態下再次吸水復蘇，這種“干而不死”的奇特現象一直是生物學界感興趣的話題。1702年，顯微鏡之父安東尼·列文虎克觀察到輪蟲干燥脫水后可以復活，此后科學家們圍繞釀酒酵母、復蘇植物和水熊蟲等復蘇生物的耐干燥脫水開展了大量研究。近20年來，多組學技術的綜合運用為人們揭示生物耐受干燥脫水的機制提供了一些線索，幾個脅迫效應蛋白被認為在其中發揮重要功能。由于復蘇生物往往缺乏遺傳操作系統，這些蛋白在生物體內，特別是在光合生物中的作用機制仍不清楚。荒漠藍藻在生物土壤結皮的形成與群落演替中發揮關鍵作用，揭示它們在干燥脫水過程中獨特的光合保護機制，將有助于更好地理解光合生物的脫水耐受策略，為荒漠退化土地生態修復的技術革新與農作物的抗旱育種提供新思路。

邱保勝課題組二十多年致力于荒漠藍藻發菜的研究，受邀為國家林業和草原局提供野生植物發菜國家一級保護的定級咨詢建議，被國務院批準的新版《國家重點保護野生植物名錄》采納。課題組率先向國際同行公布并共享了發菜的全基因組信息，構建了發菜轉錄調控網絡篩選系統平臺，運用基因編輯技術突破了發菜遺傳操作技術瓶頸，進而將發菜發展成為研究荒漠藍藻的模式材料。在此基礎上，課題組鑒定到發菜基因組中一個高光誘導蛋白四基因串聯重復（hlip-cluster），在發菜耐受干燥脫水過程中發揮重要作用。該基因串聯重復能特異、快速地響應干燥脫水而上調表達。通過基因編輯技術獲得敲除突變體后，光系統II修復能力受損，耐干燥脫水能力顯著下降。同時，hlip-cluster異源表達能顯著增強脫水敏感藻株Nostoc PCC 7120的脫水耐受性。通過轉錄因子文庫篩選，發現轉錄因子Hrf1可協同調控hlips-cluster與干燥誘導型psbA的表達，其在發菜適應惡劣的荒漠生境中起負向調節作用。系統發育分析顯示，Hlip-cluster與轉錄因子Hrf1在陸生念珠藻類群中發生共進化，這為光合生物的耐旱機制提供了新的進化視角。課題組的研究表明，念珠藻中Hrf1-hlips模塊可促進干燥脫水過程中hlips的快速高效表達，最大限度地減少干燥脫水過程中的光損傷，從而使其在清晨短暫的復水生長窗口期內迅速恢復光合活性，爭取更多的生長時間，得以在極端惡劣的荒漠環境中生存。

該工作得到了國家自然科學基金的資助，課題組博士后徐海鋒為論文第一作者，戴國政副教授為共同第一作者，博士生白揚、博士后尚金龍等人參與了該項研究，美國德克薩斯理工大學施華中教授和以色列希伯來大學Aaron Kaplan教授對該工作亦有重要貢獻。邱保勝教授為論文通訊作者，華中師范大學為論文的第一完成單位。

圖1. hlip基因簇與轉錄因子Hrf1的共進化讓陸生念珠藻獲得耐干燥脫水能力

（審讀人：謝波）