南极藻类物种多样性、低温适应性及生物技术应用

邓仟 高保燕 唐子涵 张成武

(暨南大学生命科学学院生态学系, 广东 广州 510632)

0 引言

在过去的几十年里, 人们对极端环境(深海、火山冻土、雪地、冰川、海冰)的关注越来越多。这些极端环境70%以上是寒冷的生态系统, 其温度基本稳定在冰点以下或接近冰点[1]。南极拥有全球十分之一的陆地面积, 最显著的特征是持续的低温[2], 最低温度可以达到-89.6 ℃[3]; 再加上从冬季到夏季温度的季节性波动(-80℃～5℃), 高紫外辐射和长时间的昼夜交替限制了许多高等植物的生长, 使生物体在南极洲的生存面临巨大挑战[4]。随着更多的研究发现, 各种微型和大型藻类成为了南极初级生产力的主要贡献者。尤其是微藻在生物量和物种多样性方面主导着南极洲的陆地生态系统[5], 不仅是南极洲有机质和能量的主要生产者, 并且在矿物质基质和初级土壤形成过程中起到了关键作用[6]。雪藻和海冰藻类同样贡献了南极雪地和海冰生境大部分的生物量, 它们在自然条件下受到光照、营养、温度、渗透等条件胁迫, 通过进化不同抗高光的色素形成五颜六色的藻[7], 依靠休眠体度过漫长的冬季[8], 凭借形态[9]或生化组成变化[1]等各类方式应对极端环境。这些现象吸引了越来越多学者的关注。随着近年来全球气候变化异常, 极地藻华季节性爆发加剧[10-11], 未来南极对气候的响应将会不断刺激藻类适应新的环境。因此, 了解南极藻类生物多样性和生境分布特征, 阐明温度对藻类在细胞水平包括细胞膜流动性、溶质扩散速率、细胞活性物质生成、酶动力学和分子层面的影响以及了解藻类对低温的各种适应机制, 为其他生物抵御低温环境提供了理论基础, 也有助于提高对藻类生存和环境响应的认识。此外, 低温环境中藻类合成分泌了多种生物活性物质, 这些活性物质对生产高价值的营养产品、医药产品以及在抗衰老、酶市场和食品储存等方面具有宝贵的经济价值。

1 南极藻类生物多样性

随着极地勘探水平、样品获取方法和低温保存技术的飞速发展, 研究人员发现许多藻类可以在极低温的环境下生存, 一些南极特有的新物种也逐渐进入大家的视野。目前针对南极藻类物种的分类和群落结构的描述还比较匮乏。通过参考Biersma 等[12]编制的南极物种登记册(Register of Antarctic Species), 按照不同门类对已记载的常见南极藻类物种进行归类和总结, 并对不同藻类的数量及分布特征进行分析(表1)。在南极发现的藻类中, 异鞭藻门、蓝藻门和绿藻门物种丰富度最高,分别有372、283 和218 种, 表1 列举了常见南极藻的纲或亚纲, 它们在组成南极生态系统的稳定性和复杂性中起到了关键作用。其中, 蓝藻门中念珠藻亚纲、颤藻亚纲和聚球藻亚纲占绝大部分, 且大多在南极淡水环境中发现。异鞭藻门中硅藻纲所占比例最高, 现已记录267 种,大多生长在淡水和海洋生境中。绿藻门主要以绿藻纲、共球藻纲和石莼纲为主, 在各个生境中都有发现。定鞭藻门和红藻门大多出现在海洋环境, 轮藻门以接合藻纲为主, 大部分在淡水和土壤中。虽然隐藻纲和裸藻纲种类不多, 但在南极洲也有分布。这些不同门类的藻分布在南极的不同生境中, 面对低温、强紫外线等极端的环境产生了一系列适应性策略,为人类创造经济价值的同时也为环境可持续发展作出了贡献(图1)。

表1 南极常见藻类物种分类与生境特征Table 1. Taxonomic and habitat characteristics of common algae species in Antarctica

图1 南极藻类生境、低温适应机制与生物资源利用Fig.1. Utilization, cold adaptation mechanism and habitat of Antarctic algae

2 南极藻类生境多样性

2.1 无冰土壤

虽然土壤环境仅占南极洲陆地面积的0.18%左右[11], 但却蕴藏着丰富多样的藻类种群, 它们是南极土壤环境形成和生态系统稳定性维持中不可或缺的角色。在土壤形成的初始阶段, 藻类通过参与岩石风化, 在没有生命的矿物基质上生成初级有机质。比如蓝藻可以固定大气中的氮; 一些典型的绿藻通过种群数量和生物量的快速增长成为南极土壤生态系统中强大的生产者; 异鞭藻门中的黄藻纲也是土壤群落中的典型代表[13]。这些藻类对南极生态系统土壤养分的循环起到了一定的作用。

2.2 南极海冰

海冰是极地典型的生境之一, 最多可达到地球表面积的13%, 而南大洋海冰是面积最大的海冰[14], 是海洋在漫长的冬季被冰覆盖形成的生态位, 不仅温度低, 且盐度高, 光强波动大[15], 特别是由于平流层臭氧损耗, 全球紫外辐射增加, 使南极海冰藻类生长受到了严重影响[16]。即使是如此恶劣的环境条件, 海冰栖息地同样发育了非常多样化的生物群落。就藻类而言, 海冰栖息地主要以硅藻为主[17], 常见的有圆柱拟脆杆藻(Fragilariopsis cylindrus)、短小拟脆杆藻(Fragilariopsiscurta)[18]。绿藻也是该群落的重要组成部分, 此外蓝藻和金藻纲、隐藻纲等其他微藻也能适应极地海冰强烈的季节性波动[19]。

2.3 南极雪原

南极雪地生态系统是由不同的微生物群组成的复杂生物群落, 包括藻类、细菌、真菌和古细菌[20]。特别是在春夏季, 极地和高山雪原中会出现一种常见的“彩色雪”现象, 这是由于大量的微藻繁殖形成了红色、橙色、粉色、绿色甚至黄色的雪块[21-22], 也称雪藻。雪藻是生长在极地和高山雪原地中的一组淡水微藻, 冬季在厚厚的雪层下休眠。等到冰雪融化, 一旦拥有合适的位置和生境条件, 雪藻就会爆发性生长, 通过调整胞内主要的色素积累, 将雪地染上各种颜色。最显著的雪藻是绿藻门中的衣藻属(Chlamydomonas),它通过产生高水平的次生类胡萝卜素——虾青素致使细胞变成红色, 形成十分常见的红色雪斑[21];此外, 真核雪藻属以及拟衣藻属(Chloromonas)、软壳藻属(Microglena)、小球藻属(Chlorella)和栅藻属(Scenedesmus)也时常出现[23], 这些微藻对该生态系统的营养和碳循环发挥着重要作用。

2.4 液态水环境

南极大陆约98%的地区(包括陆地土壤)被冰覆盖, 只有近2%的液态水环境[24], 且大多位于南极的沿海和冰边缘地带, 包括被冰覆盖的淡水湖、咸水湖、溪流等。它们每年至少有9 个月的时间被冰覆盖, 到了夏季冰雪融化, 又暴露于强烈的紫外线辐射中[25]。Hernando 等[26]发现许多绿藻和蓝藻在永久性覆冰的南极湖泊中占主导地位, 包括1 种真核绿藻——罗登衣藻UWO241 (ChlamydomonasraudensisUWO241)。它最先是从南极洲麦克默多干谷中分离出来[27], 蓝藻门的念珠藻属(Nostoc)和颤藻属(Oscillatoria)也常出现在南极的湖泊和溪流中[28]。浅水池塘也属于南极珍稀的淡水环境之一, 淡水浮游植物以鞭毛藻为主, 主要有绿藻纲、金藻纲和隐藻纲[29-31]。此外, 作为1 种独特的生态系统, 冰锥生境的形成与浅水池塘类似,是1 种充满水的小型蓄水池, 分布在冰川表面, 形状为圆形或圆柱形[32]。夏季温度升高, 冰锥中的颗粒物质会逐渐融化, 真核微藻和原核蓝藻等通过光合作用固定无机碳和吸收氮, 为该群落复杂的生物群体提供营养[33]。到了冬季, 冰锥孔又会重新冻结, 生物体依靠休眠在寒冷、黑暗的环境中存活下来, 期间发生相对复杂的生物地球化学过程[34]。

3 南极藻类适应低温的物质基础

藻类之所以能够在极地、冰川、海冰等低温环境中长期生存, 离不开它们在细胞水平产生的各种适应性策略, 其中就包括对细胞膜脂质组成的调控,胞内相容性溶质和胞外聚合物的产生, 多种蛋白质的保护以及在色素和酶促反应方面的响应(表2)。

表2 南极藻类适应低温的物质基础Table 2. Material basis of Antarctic algae adapting to low temperature

3.1 膜的流动性

细胞膜的主要功能是控制细胞营养物质和代谢废物的进出, 它决定了细胞的正常生长和胞内代谢环境的稳定。温度下降最直接的后果就是细胞膜流动性降低, 从而破坏细胞膜的生理功能[35]。研究发现, 相比于温带, 许多低温藻体内长链脂肪酸和多不饱和脂肪酸(PUFA)的水平会明显增高, 使细胞膜磷脂双分子层中PUFA 浓度随之增高, 膜脂质结构发生变化, 从而增强细胞膜的流动性[36]。这些在南极绿藻、硅藻和甲藻研究中都已被证实[37-39],它们还可以通过破坏磷脂双分子层的堆积顺序, 导致液相到凝胶的相变温度降低,即使在低温下细胞膜也能够保持流体双分子层的功能[40]。

3.2 胞内物质

细胞相容性溶质是1 种低分子质量、无毒的有机渗透剂, 由高度可溶的有机小分子组成, 可与大量细胞代谢物相容[41]。当藻类在低温环境下生长时, 细胞内的液体环境很容易导致冰晶的形成, 冰晶通过渗透压的变化或物理破裂会使细胞解体[42]。面对这种威胁, 藻类通常会产生一些高浓度溶质, 如低温藻亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)在生长过程中会释放二甲基磺酰丙酸盐、甘氨酸甜菜碱和龙虾肌碱[43], 一些低温适应微藻细胞中也可以产生蔗糖、甘油、甘露醇、脯氨酸、甘氨酸甜菜碱等相容性溶质的积累[44]。它们一方面可以维持细胞内外的渗透压平衡, 另一方面通过与细胞代谢物相容, 以适应外部低温、干旱的环境。

3.3 胞外物质

胞外聚合物(extracellular polymer substance,EPS)是生物体在细胞外分泌的多功能、高分子量的一类聚合物, 具有大型、复杂且高度多样化的结构特征。它主要由碳水化合物、蛋白质和少量的核酸、脂类、酚类和腐殖质组成, 是许多冷适应微生物及藻类应对极低温的重要策略之一。在海冰生境中, 藻类是EPS 的重要来源[45], Aslam等[46]报道过海冰硅藻和蓝藻通过产生大量胞外EPS 用于冷冻保护。Krembs 等[47]还发现硅藻EPS有助于增强盐分的保留, 从而让海冰保留更多的溶解物。除此之外, 在海洋环境中也发现了丰富的微生物EPS 颗粒, 它们为了应对极端的温度和盐度, 在群落的生存和适应中扮演着重要角色[48]。

3.4 冷适应蛋白

冰结合蛋白(ice binding protein, IBP)也称抗冻蛋白(anti-freeze protein, AFP), 是一类可以降低体系冰点、抑制冰晶生长的特殊蛋白质。这类蛋白质从细胞中分泌出来, 通过改变冰通道结构来抑制冰的生长和重结晶, 增强盐水的滞留[49]。IBP 首先是在鱼的血液中发现, 随后在一些藻类、昆虫、植物、真菌和细菌中也有发现, 而且是作为抗冻剂发挥作用[50]。到目前为止, Raymond 和Kim[51]发现所有测试的海冰硅藻都可以产生IBP,并且在一些极地分离的藻类物种中也发现了多种IBP 亚型, 但在温带物种中则完全没有发现有关IBP 的基因。

除了IBP, 还存在一些具有冷适应功能的蛋白质。冰核蛋白(ice nucleation protein, INP)是1 种较大的膜结合蛋白, 可以在0℃以下使冰生长成核,在诱导冰结晶的过程中阻止水的快速冷却[52]。同时, 为了降低对细胞的损害, INP 更有利于形成小的胞外晶体, 结晶过程释放的热能也有利于防止温度的进一步下降。此外, 冷休克蛋白(cold shock protein, CSP)是1 种小型单链蛋白, 可以与核酸结合, 帮助调节各种细胞过程, 如蛋白质的折叠、转录、翻译以及影响膜的流动性[53-54]。当生物体突然暴露在低温环境时, 冷休克蛋白就会产生冷休克反应。它是许多生物体面对温度骤降的1 种保护机制, 冷休克蛋白是调控冷休克反应的关键因子。Mega 等[55]也发现, 温度下降时冷休克蛋白基因会迅速上调, 随之转录水平显著提升。除了上述的3 种冷适应蛋白, 酶也是藻类适应低温环境的关键因子。

3.5 色素

目前, 色素在冰川、海洋以及高海拔土壤的生物体内出现的越来越多[56-58]。提高体内色素含量是许多嗜冷微生物应对低温的机制之一, 同样是生长在极地地区的藻类抵御寒冷的方法。藻类细胞内含有多种色素, 大体可以分为叶绿素、类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)和藻胆素(藻蓝蛋白和藻红蛋白)3大类。其中类胡萝卜素种类繁多,从数量以及对光合作用的贡献上来讲, 它仅次于最丰富的叶绿素[59], 在某些藻类物种或类群中具有独特的作用。比如, 低温引起植物对光吸收和利用的失衡, 会导致体内活性氧的过度积累, 生长在低温环境中的绿藻会显著增加体内光保护色素即次生类胡萝卜素的含量, 如虾青素、玉米黄质和总胡萝卜素等, 以此抵御外界极端环境的影响[60]。

3.6 酶动力学

根据阿伦尼乌斯公式, 温度降低会导致反应速率呈指数下降。大多数冷适应酶与中温的同源酶相比, 最佳活性温度会向低温转移, 在低温下表现出更高的催化效率[61]。对海冰硅藻的研究中发现, 参与硝酸盐、铵和碳吸收的酶在接近冰点的温度范围内具有最优的催化效率[62]。在嗜冷和中温硝酸还原酶的对比, 以及无机氮的吸收和同化等研究中, 也表明低温条件下嗜冷代谢酶的活性更高、更稳定[63]。

4 南极藻类适应低温的分子基础

随着“组学”技术的进步, 在分子水平上开展藻类的研究与日俱增。耐低温机制是藻类适应南极极端环境的重要遗传基础之一, 基因组学、转录组学和蛋白质组学可帮助进一步了解分子进化的驱动力和选择方向。

4.1 基因组学分析

虽然南极藻类耐低温机制的研究已经进入基因组学水平, 但是已完成完整基因组测序以及数据分析的物种却十分有限。Mock 等[64]将极地硅藻圆柱拟脆杆藻(Fragilariopsiscylindrus)基因组与温带硅藻进行对比, 发现F.cylindrus中大约24.7 %的二倍体基因组由等位基因高度分化的遗传位点组成, 这些不同的等位基因在不同的环境条件下有不同的表达。此外, Blanc 等[65]发表了1种来自极地的嗜冷单细胞绿藻——亚椭圆胶球藻(Coccomyxasubellipsoidea)基因组的测序结果,他们认为一些基因的缺失和增加可能有助于对低温环境的适应。生长在极地海冰中的衣藻Ice-L(Chlamydomonassp. ICE-L) 对比其他绿藻纲植物的基因组要大得多, 一些可能参与不饱和脂肪酸生物合成、离子稳态、渗透稳态、活性氧解毒、DNA 修复和光保护相关的基因家族会发生显著的上调或高水平表达[66]。

4.2 转录组学分析

除基因分析, 转录组测序以及表达调控机制也给我们提供了许多有价值的信息。目前国内在南极低温藻转录组学方面开展了大量工作, 例如Zhang 等[67]对2 种南极嗜冷绿藻(Chlamydomonassp. ICE-L 和Tetrabaenasocialis)进行了转录组测序, 发现嗜冷藻类具有更稳定的光合机制和多种保护策略, 为南极嗜冷绿藻的适应性进化提供了新线索。王以斌等[68]也针对南极冰藻转录组测序、基因和蛋白表达调控分析等方面进行了深入研究。另外有研究表明, 低温胁迫会导致一些微藻体内部分基因的转录能力有所提升。比如栅藻NREL 46B-D3(Scenedesmussp. NREL 46B-D3)中许多参与脂质产生、离子通道和逆向转运蛋白的基因上调, 特别是脂肪酸生物合成基因会被特异转录因子过度表达[69]。四爿藻 KCTC12432BP(Tetraselmissp. KCTC12432BP)在低温条件下定位于质体类囊体膜的光合电子传递链相关基因表达也会上调[70], 这些基因表达以及其相应的代谢反应值得我们进一步探究。

4.3 蛋白质组学分析

蛋白质组学是对蛋白质进行大规模研究的新兴学科, 它涵盖了基因产物或“功能基因组学”的大部分功能分析[71]。尽管现在部分藻类物种的基因组已完成测序, 但这些基因组中大部分基因的功能是未知的, 对蛋白质结构和功能的研究将更有利于我们理解和阐明南极藻类的耐低温机制。前面提到的IBP、INP、CSP 都是藻类在低温下产生的具有不同冷适应功能的蛋白质。此外, 在南极衣藻(Chlamydomonassp.)中还发现了2 种新合成的蛋白质, 分别对氨基酸的运输和代谢以及活性氧、自由基和有害代谢物的清除起到重要作用[72]。长期生活在寒冷环境中的藻类还会进化驱动酶的低温适应, 1 种南极普通小球藻(Chlorellavulgaris) 通过系统增加酶、蛋白质的丰度和某些基因的正向选择, 极大地增强自身的抗冻性[73], 这也是其他中温生物早期适应南极环境的机制之一。

5 适冷藻类生物资源及生物活性成分利用

5.1 医疗保健

在对极地生物资源展开深入探索和研究的背景下, 藻类很有可能成为人类获取食物和药品的“一大宝库”。如前文所述, 许多南极微藻和蓝藻在面对低温环境时, 细胞会产生许多高价值的活性成分, 例如多不饱和脂肪酸、多糖、类胡萝卜素、色素等, 这些都成为了人类重要的营养膳食、医学药物甚至是健康保健的增值产品。其中, 多不饱和脂肪酸是人类必需脂肪酸的来源, 人体以及大多数动物都无法自主合成, 尤其是一些长链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), 必须通过饮食摄入获取[74]。它们对调节心血管系统、免疫系统和炎症, 以及参与大脑、眼睛和中枢神经的发育都至关重要[75-76]。色素作为1 种天然功能性产品, 具备许多有益的生物活性, 如抗氧化、抗癌、抗炎、抗肥胖[77], 以及降低老年人糖尿病、白内障、黄斑变性和神经变性的风险等[78]。类胡萝卜素中的虾青素和β-胡萝卜素是强大的抗氧化剂, 可以保护人类抵抗免疫反应受损、过早衰老、心血管疾病或关节炎的伤害[79]。这些高价值的活性产品不仅针对多种疾病的预防和临床治疗具有重要意义, 在保健品市场中也备受青睐。

5.2 日用和化工工业

目前许多藻类生产的商业动机主要是销售用于制药和营养用途的高价值油脂。然而, 低温环境中生长的聚油微藻在生产生物柴油方面也拥有巨大潜力。Sharma 等[80]在对微藻制备生物柴油的高脂诱导研究中提到, 盐生杜氏藻(Dunaliella salina)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)和布朗葡萄藻(Botryococcusbraunii)在低温下不饱和脂质水平显著增加。 此外, 黄藻纲中的黄丝藻(Tribonema)[81]和异球藻(Heterococcus)[82]都是未来大规模生产柴油的潜在藻株。如果能够进一步优化低温藻的大规模培养条件, 突破藻类生长速度慢、生物量较低、产品商业化的瓶颈, 藻类生物能源的开发利用将对环境保护和可持续发展有着重要意义。

其次, 研究发现冷适应酶在酶市场、食品、洗涤剂以及分子生物学等多个工业领域得到应用[83]。一类是“食品酶”, 预计到2024 年全球需求将超过36 亿美元。另一类用于分子生物学的酶,据报道2016 年分子生物学试剂盒、试剂和酶的市场规模为56.9 亿美元[83], 其中就有许多来自极地低温藻。最近研究还发现南极湖泊中的莱茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii) 和盐生杜氏藻(Dunaliellasalina)胞内含有2 种特有的酶, 能够促进高水平甘油的生产[84]。

藻类中冰结合蛋白在工业方面的经济价值也不容小觑, 2017 年IBPs 市场估值为270 万美元,预计到2023 年将达到1000 万美元[83]。IBPs 不仅涉及医药、化妆品和食品多个领域, 而且在低温保护剂方面也取得了一定的研究进展[85-86]。

5.3 化妆品行业

随着藻类在低温等极端环境中释放的活性成分不断被发现, 化妆品行业成为了藻类生物资源开发和利用的新方向。从藻类中提取的生物活性化合物不仅原料便宜, 并且满足消费者对“纯天然”“绿色环保”产品的消费理念。例如, 藻类提取物中类胡萝卜素是众所周知的强抗氧化剂和清除剂, 可作为抗衰老和防晒化合物[87]; 各种颜色的藻中所含色素可以作为眼影、口红的着色配方[88];此外, 脂类(脂肪酸和角鲨烯)、酚类、氨基酸、蛋白质、多肽和多糖均可被用与制作防晒霜、皮肤润滑剂、保湿剂等化妆或护肤产品[89-90]。另外, 随着化妆品与制药行业的合并, 各种既保留生物原有活性又具备治疗价值的化合物不断被研发, “药妆品”的概念也逐渐进入大众消费者的视野[91-92],这将在未来化妆品行业中释放巨大的商业价值。

6 总结与展望

在全球变暖的大背景下, 极地冰川融化、海平面升高、紫外辐射增强、气候变化异常, 多种藻类及其生境都遭受了不同程度的破坏, 作为南极生态系统的主要生产者, 藻类种类和数量的变化以及所处环境的稳态对整个生物圈都存在直接影响。一方面, 温度作为南极藻类生长和繁殖的决定性因素, 在生理和分子等多方面的适应机制仍需要进一步探索; 另一方面, 低温藻类在营养、医药、工业、化妆品等多个领域的潜在利用价值虽已得到初步研究, 但是针对适冷藻培养条件的优化、活性成分的有效提取以及其他生物资源转化为具有实际经济价值的产品还需要进一步的研究与突破。