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光质驯化是驱动蓝细菌生理、生态与生产力的关键因素之一。尽管第3型综合色适应（chromatic acclimation type 3, CA3）是由光质驱动的藻胆体重塑的经典范例，但迄今对CA3菌株在全光合有效辐射（photosynthetically active radiation, PAR）范围内的生理学表征仍较为有限。本文对蓝细菌 Nostoc sp. CCAP 1453/38 在整个PAR范围内的光谱驯化策略进行了表征。基因组分析证实，Nostoc 为一株CA3菌株，能够动态调节其藻胆体（phycobilisome, PBS）杆中的藻红蛋白（phycoerythrin, PE）和藻蓝蛋白（phycocyanin, PC）含量。在窄带LED条件下培养时，PE 在紫光、蓝光和绿光（435–555 nm）下上调，从而主要优化了PAR光谱中蓝绿区域的光捕获；而PC 则在红光（633–687 nm）下上调。 除经典的CA3色素切换之外，Nostoc 对PBS吸收较差的波长还表现出两种性质上不同的响应方式。在限制生长的蓝光（465 nm）下，该菌株上调了PBS总量和光系统II（photosystem II, PSII）水平，并使藻胆体耦联偏向PSII（即PBS-PSII/PBS-PSI比值升高）。然而，这种代谢成本较高的响应无法克服由优先激发PSI所导致的内在激子失衡，因而细胞分裂速率较低。在近远红光（687 nm）下，PBS-PSII耦联本身得到增强，但PBS总含量却未增加，反而降低。其比生长速率仍与红光条件下同样高，表明这种PBS-PSII重组避免了天线复合体上调所带来的代谢负担。 这些结果表明，PSII激发不足这一相同的潜在挑战可以触发性质上不同的驯化响应，而其中只有部分响应在能量上是可负担的。因此，光谱驯化不仅取决于使色素组成与入射波长相匹配，还取决于该响应的代谢成本。结合在相同条件下获得的关于CA1和非CA菌株的平行数据，我们的研究将CA3的表征拓展到了经典绿光/红光框架之外，揭示了 Nostoc 光质驯化的瓶颈与优势，并为在受控蓝细菌培养中优化光照条件提供了生理学基础。
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代谢成本作为光质适应的决定因素：CA3 型蓝细菌 Nostoc sp. CCAP 1453/38 在全光合有效辐射范围内的表征
Tomas Zavrel， Anne-Christin Pohland， Mariann Kis， Martin Lukes， Anna Segecova， Laszlo Kovacs， Jan Mares， Zoltan Novak， Jan Cerveny， Gabor Bernat
doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.27.740936
Tomas Zavrel 1 捷克科学院全球变化研究所适应性生物技术系，捷克布尔诺； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Tomas Zavrel 的 ORCID 记录 通讯作者： zavrel.t{at}czechglobe.cz
Anne-Christin Pohland 2 达姆施塔特工业大学合成生物学中心，德国达姆施塔特； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Anne-Christin Pohland 的 ORCID 记录
Mariann Kis 3 HUN-REN 巴拉顿湖沼学研究所，匈牙利蒂豪尼； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Mariann Kis 的 ORCID 记录
Martin Lukes 4 捷克科学院微生物学研究所 Algatech 中心，Novohradska 237，Trebon 379 01，捷克； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Martin Lukes 的 ORCID 记录
Anna Segecova 1 捷克科学院全球变化研究所适应性生物技术系，捷克布尔诺； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Anna Segecova 的 ORCID 记录
Laszlo Kovacs 5 HUN-REN 生物研究中心植物生物学研究所分子光生物能学实验室，匈牙利塞格德； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者
Jan Mares 6 捷克科学院生物中心水生生物学研究所，Na Sadkach 702/7，370 05 Ceske Budejovice，捷克共和国 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Jan Mares 的 ORCID 记录
Zoltan Novak 3 HUN-REN 巴拉顿湖沼学研究所，匈牙利蒂豪尼； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Zoltan Novak 的 ORCID 记录
Jan Cerveny 1 捷克科学院全球变化研究所适应性生物技术系，捷克布尔诺； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Jan Cerveny 的 ORCID 记录
Gabor Bernat 3 HUN-REN 巴拉顿湖沼学研究所，匈牙利蒂豪尼； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在本站搜索该作者 Gabor Bernat 的 ORCID 记录
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摘要
光质适应是驱动蓝细菌生理、生态及生产力的关键因素之一。尽管第三型色适应（chromatic acclimation type 3, CA3）是由光质驱动的藻胆体重塑的经典例子，但迄今对 CA3 菌株在整个光合有效辐射（PAR）范围内的完整生理学表征仍较为有限。在本研究中，我们对蓝细菌 Nostoc sp. CCAP 1453/38 在整个光合有效辐射范围内的光谱适应策略进行了表征。基因组分析证实，Nostoc 属于 CA3 菌株，能够动态调节其藻胆体（PBS）杆中的藻红蛋白（PE）和藻蓝蛋白（PC）含量。在窄带 LED 条件下培养时，PE 在紫光、蓝光和绿光（435–555 nm）下上调，从而主要优化其在 PAR 光谱蓝绿区域中的光捕获；而 PC 则在红光（633–687 nm）下上调。除经典的 CA3 色素切换之外，Nostoc 对 PBS 吸收较差波长的响应表现为两种性质上不同的方式。在限制生长的蓝光（465 nm）下，该菌株上调了 PBS 总量和光系统 II（PSII）水平，并使藻胆体耦联偏向于 PSII［即 PBS-PSII/PBS-PSI 比值增加］。然而，这种代谢成本高昂的响应未能克服由 PSI 优先激发所导致的根本激子失衡，因此细胞分裂速率较低。在近远红光（687 nm）下，PBS-PSII 耦联本身得到增强，但 PBS 总含量却不是增加而是降低。其比生长速率仍与红光条件下同样高，提示这种 PBS-PSII 重组避免了天线复合体上调带来的代谢负担。这些结果表明，同一种由 PSII 激发不足引起的根本挑战，能够触发性质上不同的适应响应，而其中只有部分在能量上是可负担的。因此，光谱适应不仅取决于使色素组成与入射波长相匹配，还取决于该响应的代谢成本。结合在相同条件下获得的 CA1 型及非 CA 菌株的平行数据集，我们的发现将 CA3 的表征扩展到经典绿/红框架之外，突出了 Nostoc 光质适应中的瓶颈与优势，并为优化受控蓝细菌培养中的光照方案提供了生理学基础。
利益冲突声明
作者声明不存在竞争性利益。
脚注
https://doi.org/10.6084/m9.figshare.33071699
已声明资助信息
捷克共和国教育、青年与体育部 LUAUS24149
国家气候变化多学科实验室 RRF-2.3.1-21-2022-00014
版权
本预印本的。 本文依据 CC-BY 4.0 国际许可协议 发布。
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发布于 2026 年 7 月 27 日。 下载 PDF 补充材料 数据/代码 电子邮件
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Tomas Zavrel， Anne-Christin Pohland， Mariann Kis， Martin Lukes， Anna Segecova， Laszlo Kovacs， Jan Mares， Zoltan Novak， Jan Cerveny， Gabor Bernat
bioRxiv 2026.07.27.740936； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.27.740936
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代谢成本作为光质适应的决定因素：CA3 型蓝细菌 Nostoc sp. CCAP 1453/38 在全光合有效辐射范围内的表征
Tomas Zavrel， Anne-Christin Pohland， Mariann Kis， Martin Lukes， Anna Segecova， Laszlo Kovacs， Jan Mares， Zoltan Novak， Jan Cerveny， Gabor Bernat
bioRxiv 2026.07.27.740936； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.27.740936
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.27.740936v1?rss=1
🏷️ 蓝细菌 综合色适应CA3 光质驯化 藻胆体重塑 光系统II 代谢成本