【LorMe课堂】硅藻胞吞作用调控铁载体作为获取铁的一种策略
作者：王兵爽，南京农业大学博士在读。主要从事植物酸性磷酸酶机理研究。
创新没有捷径，如果有，那就是阅读高质量文献。LorMe课堂主要展示研究生课程文献研讨环节的作业。本期LorMe课堂为您介绍在生物可利用铁含量有限的情况下，硅藻如何与其它浮游植物竞争铁营养的。
硅藻是一类具有色素体的单细胞植物，其形态多种多样，在食物链中属于生产者，占全球约20%的初级生产力。它们靠光合作用将海水中的无机物合成自身需要的有机物并释放氧气；硅藻死后，经过亿万年的积累和地质变迁成为硅藻土，硅藻土在工业上用途很广，可制造工业用的过滤剂、隔热及隔音材料等。硅藻一直以来是一种重要的环境监测指示物种，常被用于水质研究。铁肥通常会导致硅藻的大量繁殖，然而在长期铁含量有限的水域，硅藻是如何生存并且当铁可利用率较低时如何胜过其它浮游植物获取铁营养的生理基础尚未得到解决，基于此研究者进行了大量研究。
海洋硅藻对铁载体的特异性吸收
为了确定硅藻是否能利用铁载体来吸收铁，研究者利用三种硅藻Phaeodactylum tricornutum, Thalassiosira pseudonana和Thalassiosira oceanica来测定铁的吸收。P. tricornutum 和T. oceanica可以利用铁载体来吸收铁。P.tricornutum可能只利用氧肟酸盐型铁载体（图1），如铁链霉素B（FOB）和铁色素（FCH），而T.oceanica优先利用儿茶酚盐型铁载体，如肠杆菌素（ENT）。尽管T. pseudonana与T. oceanica属于相同的属，但与铁EDTA相比较不能迅速吸收儿茶酚盐或氧肟酸盐型铁载体。由此看出3种硅藻选择铁载体的类型有明显的不同。
图1 T. oceanica，P.tricornutum和T.pseudonana从不同铁源中吸收铁。该图显示了三种硅藻中铁载体摄取的特异性。将细胞在缺铁培养基中预培养，以指数生长中期收获，并用无铁培养基洗涤一次。然后将细胞重悬浮于含有55Fe标记的1μM培养基中：铁EDTA（黑色），FCH（红色），FOB（蓝色）或ENT（绿色）。用洗涤缓冲液间隔地在过滤器上洗涤细胞并计数。
基因对硅藻从铁载体中吸收铁的影响
有文献报道ISIP1是P.tricornutum在铁胁迫条件下高度表达的基因，其存在或缺乏可以检测硅藻利用铁载体的能力。ISIP1基因在T.oceanica和P.tricornutum中被发现但是在T. pseudonana中未被发现。为了检测ISIP1是否参与了铁载体的利用，我们检验了在转基因P.tricornutum细胞中敲除ISIP1基因后的效果。结果表明，敲除ISIP1基因，P.tricornutum细胞无法利用氧肟酸盐型铁载体进行生长（图2A）；突变体从FOB中吸收铁的速率显著降低（图2B）。作为对照，我们将ISIP1基因敲除与之前生成的ISIP2a基因敲除进行了比较。在之前的研究中我们发现，在铁缺乏的条件下基因表达量上调第二高的基因是ISIP2a，参与了游离的Fe(III)非还原性摄取。正如预期的那样，ISIP2a基因敲除表明了从三价EDTA铁中摄取铁减少，但与野生型相比，其FOB摄取没有显著差异（图2B）。
图2 ISIP1基因敲除的P.tricornutum细胞不能在FOB为唯一铁源的培养基上生长。（A）P. tricornutum能够在15 pM Fe'（黑线）和10 nM FOB（红线）为铁源的培养基上生长。ISIP1基因敲除水平（k/d）显示在Fe'为铁源的培养基上生长减少（蓝线）并且在FOB（绿色）为铁源的培养基上没有生长。误差线表示三个生物学重复。试验开始之前，在低Fe的培养基上进行10天的预培养，耗尽Fe。（B）比较P.tricornutum野生型（WT）细胞（菱形标记）与ISIP1（正方形）和ISIP2a（三角形）基因敲除细胞铁载体的摄取。
铁载体通过胞吞作用被获取
为了追踪在P.tricornutum中铁载体的获取和其在细胞内运动的途径，我们将FOB与荧光染料间硝基苄醇-2-乙二酸-1,3-二唑（FOB-NBD）相结合。在铁胁迫条件下，Ga-DFOB-NBD被获取并积累在与叶绿素并列的囊泡中（图3A,3B）。这一过程在铁胁迫的ISIP1基因敲除细胞中没有被发现，检测不到来自Ga-DFOB-NBD的胞内荧光，这与我们在图2中得到的结果一致。
Ga-DFOB-NBD的定位（图3 A和B）表明了胞吞过程。因此，我们用胞吞抑制剂检测了以铁载体或铁EDTA形式添加到培养基中对铁吸收的影响。添加胞吞抑制剂降低了75%以上的铁载体吸收，而显著增加了从铁EDTA中吸收铁（图3C）。我们通过使用一系列其它的胞吞作用抑制剂证实了这一发现，单丹磺酰戊二胺、氧化苯砷和氯丙嗪的效果最为显著（图 3D）。这3种胞吞作用抑制剂与对FOB吸收相比，对铁EDTA的吸收有刺激作用（图 3D）。吸收增加可能是由于抑制铁转运蛋白的细胞内循环引起的。
图3 硅藻通过胞吞作用将铁载体吸收到细胞中。（A）野生型（顶部）和ISIP1基因敲除（底部）的细胞在缺铁培养基中生长5天，浓缩至约5×107细胞/ml，然后用1μM的去铁胺B与镓络合的荧光复合物(Ga-DFOB-NBD)培养15小时。细胞内积累的荧光铁载体只在野生型细胞中被观察到。（B）细胞的DAPI染色，通过细胞核定位证实了铁载体定位在接近叶绿体的囊泡中（红色是叶绿体；蓝色是细胞核；绿色是荧光铁载体）。(C)从1μM FOB(左)中吸收铁，从1μM铁EDTA(右)中吸收铁；野生型（黑圈），ISIP1基因敲除（红色正方形）；存在（实心符号）或缺乏（空心符号）10μM的胞吞抑制剂。Dynasore抑制了从FOB中吸收铁，增强了从铁EDTA中吸收铁。(D) 其他胞吞抑制剂对FOB和铁EDTA吸收速率的影响（1μM）。将细胞与以下抑制剂一起预培养10分钟：dynasore（10μM），单丹磺酰戊二胺（100μM），氧化苯砷（10μM），氨氯吡咪（50μM），氯丙嗪（50μM），甲基-β-环糊精(1 mM)（加纯的DMSO作为对照）。
总结
一些硅藻可以利用铁载体结合铁并且显示了一种对铁载体类型的特异性识别。在Phaeodactylum tricornutum（三角褐指藻）中氧肟酸盐型铁载体在没有减少的情况下被一种高亲和机制吸收，这种机制涉及到与细胞表面结合，然后胞吞作用介导吸收并且传递到叶绿体。研究者证明了铁饥饿诱导蛋白（ISIP1）在铁载体的吸收中起着重要的作用，通过生物信息学分析，预测了该蛋白主要是硅藻的特异性蛋白。
讨论
研究者的发现表明一些硅藻对铁载体有一种特殊的偏好，这对于研究交换有机物质自然群落的微生物生态学具有重要意义。很明显，对模式物种的研究，虽然仍然是必要的，但还应对自然环境和单个物种的代谢能力有更好地了解。用P. tricornutum作为模型，发现ISIP1能通过胞吞作用利用氧肟酸盐型铁载体，不需要在细胞表面减少这些铁载体的复合物。这增加了硅藻物种中已知的各种摄取途径，并突出了它们从海洋中多相动态的天然铁复合体中获取铁的适应或竞争能力。然而，还需要进一步的涉及该领域的生理学研究，以确定硅藻在多大程度上有相关的分子机制来利用与环境有关的铁载体。