尽管铁元素在地壳中含量十分丰富,但氧化的大气环境使它在水体中主要以Fe(OH)3存在,进而导致其生物可利用性极低,从而铁成为了许多水体中限制生物总量的主要因子之一。许多研究己经证实,生物铁可利用浓度影响到了全球海洋三分之一面积的浮游光合生物生产力及叶绿素浓度。同时,一系列研究也证实全球非常多湖泊中也存在可利用铁限制自养浮游生物生长的现象,而光合自养浮游生物中具有代表性的蓝藻则得到了人们的广泛关注。在蓝藻中,铁作为酶和蛋白的辅因子参与了诸如光合作用、电子能量传递、氮的同化、呼吸作用和叶绿素合成等许多重要生化反应过程。这使得蓝藻对铁的需求要比同等体积的非光合生物高出10倍。正是由于蓝藻这种高的铁需求与其生活水体中低的可利用铁浓度驱动了蓝藻的适应及进化。同时,铁限制与其它胁迫条件,如变化的光强与光质、营养元素的可利用性(包括其它微量元素和大量元素)、及全球气候变化(如温度变化、酸化和UV-B)等协同作用,有可能改变了蓝藻的整体生理生化特征。因此,很有必要深入研究蓝藻响应和适应铁限制环境的生理和分子机制。本文先从铁限制为单一影响因子出发,研究了水华微囊藻对铁限制的适应策略;接着进一步研究到铁限制与其它因子(如光强、UV-B和DIC)对蓝藻的协同影响,及这些因子下蓝藻对铁限制环境的响应和适应;然后在分子水平探讨了铁胁迫诱导操纵子isiABC在光合作用和铁稳态中的作用;最后从生化、蛋白及蛋白复合体水平对铁限制下的含叶绿素d蓝藻进行了测定,并首次鉴定了此蓝藻中的IsiA蛋白及其生化性质。主要结果如下:1.胶鞘多糖在群体微囊藻铁获取中的作用。本章研究了单细胞微囊藻和群体微囊藻对铁限制的响应和适应。结果发现,随着铁浓度的降低,群体微囊藻的生长速率、光合色素含量、光合放氧及光系统Ⅱ最大光化学效率的下降程度要比单细胞微囊藻小。说明群体微囊藻的捕光能力和光合能力受到铁限制的影响要小于单细胞微囊藻。此外,群体微囊藻的类胡萝卜素含量和非光化学淬灭所受到铁限制的影响也要小于单细胞微囊藻,说明铁限制下群体微囊藻具有更强的光保护能力及适应能力。经过进一步测定微囊藻胶鞘中的铁含量发现,无论是铁充足还是铁限制条件下群体微囊藻胶鞘中都含有大量铁,其含量要显著高于单细胞微囊藻胶鞘。这说明群体微囊藻比单细胞微囊藻更能够适应铁限制环境,而胶鞘多糖在其适应铁限制环境中起到了重要作用。2.水华蓝藻微囊藻和伪鱼腥藻对不同光强和铁浓度的生理响应。本章研究了两株微囊藻和一株伪鱼腥藻对不同光和铁限制条件的生理响应。发现在低光条件下,铁限制导致伪鱼腥藻的生长和光合作用下降的程度比两株微囊藻高,而高光条件下铁限制对两株微囊藻生长并没有显著影响,但对伪鱼腥藻的生长的影响被极显著地减轻了。这些结果说明,低光下伪鱼腥藻的生长和光合作用要比微囊藻对铁限制更加敏感,而高光条件下微囊藻比伪鱼腥藻对铁限制更加敏感。除低光低铁条件外,其它条件下伪鱼腥藻的生长速率要比两株微囊藻高,且在所有条件下其Ik值、非光化学淬灭及胡萝卜素含量都要比两株微囊藻高,但α值要比两株微囊藻低,且具有更可变的总捕光色素含量,并含有微囊藻所不具有的藻红素,说明伪鱼腥藻具有比微囊藻更强的光利用、适应和保护能力。通过与群体微囊藻的附生很可能为伪鱼腥藻提供了更高效的光捕获,从而减轻了对铁的需求。3.集胞藻对不同无机碳浓度和铁浓度的响应。本章通过将一株淡水集胞藻(Synechocystis)在铁限制条件下进行长期培养,再将其接种到不同无机碳浓度下并测定其生理和分子响应。结果显示,在铁限制条件下,集胞藻对无机碳的利用效率有明显降低,但高浓度无机碳条件能够促进叶绿素的合成和光合电子传递速率。同时,低无机碳条件下的682nm处的77K叶绿素荧光峰值及光系统Ⅱ有效光能吸收面积要比高无机碳条件下高,这说明铁限制条件下,低无机碳会协同铁限制条件导致更严重的胁迫反应。此外,铁限制条件下,蓝藻对无机碳的亲和能力也受到诱导,并且高无机碳的供给也增加了无机碳吸收转运子的表达。这些结果表明,高无机碳条件促使了铁限制条件下生长的蓝藻通过增强无机碳转运子的表达,来增强其无机碳亲和能力和碳固定能力,减轻胞内的铁限制和减轻由铁限制导致的胞内能量利用不充分所产生的损伤。4.蓝藻在铁充足和铁限制条件下对UV-B辐射的不同生理响应。本章研究了 4株蓝藻(微囊藻(Microcystis)和聚球藻(Synechococcus))对不同UV-B强度和铁浓度条件的生理响应,其中这4株蓝藻在淡水和海洋环境中都有广泛分布。在铁限制条件下,增强的UV-B辐射极大地影响到了这4株蓝藻的生长、光合色素组成、光合活性和非光化学淬灭。但铁充足条件下UV-B的影响较小。在铁限制条件下,随着UV-B强度的增加,微囊藻FACHB912和聚球藻WH8102的胞内活性氧(ROS)含量升高而铁含量降低。相反,在铁充足条件下,随着UV-B强度的增加,这两株藻胞内活性氧含量保持恒定而铁含量却增加。这些结果表明,铁限制条件下蓝藻对UV-B辐射升高要比铁充足条件下的蓝藻更加敏感。因此,在铁限制水生生态系统中,UV-B很可能在影响初级生产力过程中起到了非常大的作用。5.isiABC操纵子在蓝藻光合作用和铁稳态调节中的作用。本章证实了 Sll0249(isiC)基因确实isiABC操纵子上。此操纵子上三个基因突变株的构建和功能研究显示,在铁限制条件下,与野生型相比,isiC的光系统Ⅰ活性、光系统Ⅰ含量及光系统Ⅰ超级复合体都没有受到影响,但其光合色素含量、Fv/Fm、σPSⅡ和NPQ都有显著下降。与isiC-相比,isiB-的Fv/Fm和σPSⅡ有相似比例的下降,但其Qa再氧化速率更慢,生长、光合色素含量、电子传递速率和光系统Ⅰ含量下降更多。与isiB-相比,isiA-也具有相似下降比例的Fv/Fm和σPSⅡ值,但其生长和Qa再氧化速率更慢;而且isiA-的光合色素含量、电子传递速率、光系统Ⅰ含量及光系统Ⅰ活性下降更多,其光系统Ⅰ超级复合体变得不稳定。然而,在铁充足条件下,与野生型相比,所有这些突变株的胞内铁含量都有显著下降,其中isiA-下降的最多。并且isiA-具有比野生型更慢的铁吸收速率。表明在铁限制条件下,IsiC主要参与光系统Ⅱ的保护。IsiB除了能够替代铁氧还蛋白之外,也参与细胞对高光强的适应及对光系统Ⅰ含量的影响。IsiA除了增加捕光天线大小之外,在光系统Ⅰ超级复合体的形成及其稳定性,以及在光能的耗散上也起到了重要作用。此外,在铁充足条件下,这些蛋白也参与到了胞内铁稳态的调节。6.含叶绿素d的蓝藻Acaryochloris marina对铁限制的响应。通过研究蓝藻Acaryochloris marina对铁限制的响应发现,在铁限制条件下,细胞的生长速率、PC和APC含量、类囊体膜中色素比例、类囊体膜的层数都有显著降低或减少。我们也发现,在Acaryochloris marina这藻株中,铁限制诱导产生了一个叶绿素d结合蛋白,它使得细胞的原位叶绿素吸收峰产生了 4 nm的蓝移,以及747 nm处出现了一个新的77K荧光峰。蔗糖密度梯度离心中的-F4、-F5和-F6色素条带77K荧光峰中747 nm处的相对比例最高。我们通过SDS-PAGE来分离差异蛋白发现,在35KDa处存在铁限制诱导的差异蛋白,通过质谱及Westernblot分析鉴定其为IsiA蛋白。此蛋白以结合叶绿素d为主,其色素结合特性还在进一步探讨中。