Environ. Sci. Technol.∣海洋胶体的光电活性，促进生物固氮

Environ. Sci. Technol.∣海洋胶体的光电活性，促进生物固氮

           

文献信息：

作者：Weilu Kang, Li Mu, and Xiangang Hu

           

发表时间：May 15, 2024

           

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c01849

           

ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 影响因子：10.8

背景介绍

Trichodesmium的固氮作用对海洋中50%的生物可利用氮贡献重大。Trichodesmium的N₂固定受到营养元素（如铁（Fe）和磷（P））的可用性限制。尽管胶体在海洋中无处不在，但Fe限制对海洋胶体（MC）固氮作用及相关机制的影响很大程度上尚未被探索。

在本研究中，作者发现MC表现出光电化学性质，能够通过光电子合成作用促进Trichodesmium erythraeum的固氮作用。MC有效地促进了T. erythraeum的光合作用，从而增强了其生长。MC中光激发的电子直接转移到光合电子传递链，并有助于固氮和氨的同化。转录组分析揭示了MC显著上调了与电子传递链、光系统和光合作用相关的基因，这与提高的光合能力（例如，F_v/F_m和羧酶体）相一致。结果，MC将N₂固定速率提高了67.5−89.3%。我们的发现突出了一个概念验证的电子转移途径，通过该途径MC促进了固氮作用，扩展了我们对无处不在的胶体在海洋氮生物地球化学中作用的认识。    

               

           

图文解读

           

图1. 海洋胶体的表征

           

本图展示了从渤海提取的海洋胶体（MC）的形态和尺寸分布。透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）图像揭示了MC的片状纳米结构，尺寸和厚度的分布表明了MC在纳米尺度上的特性。这些特征对于理解MC如何与生物体建立电子联系至关重要。

           

(a, b) 海洋胶体的代表性透射电子显微镜（TEM）图像及尺寸分布分析（n = 50）。

(c, d) 海洋胶体的典型原子力显微镜（AFM）图像及高度分布分析（n = 50）。    

(e) 海洋胶体的紫外-可见吸收光谱。

(f) 显示海洋胶体中C 1s峰的XPS光谱。μ值表示平均尺寸和高度。D₅₀和H₅₀分别代表累积分布中50%处的粒径/高度值。

           

           

图2. 海洋胶体向T. erythraeum传递电子

           

电子自旋共振（ESR）谱图显示了MC在光照下产生的自由基，以及T. erythraeum如何通过减少自由基信号来捕获这些光激发电子。循环伏安图（CV）显示了T. erythraeum接受MC光激发电子的能力，表明了MC与T. erythraeum之间电子转移的直接证据。

               

(a) T. erythraeum的超微结构电子显微图。

T，类囊体膜；C，羧酶体；CP，蓝藻素颗粒；PP，多聚磷酸盐颗粒；R，核糖体；PM，质膜；OM，外膜。

(b) AFM图像探测T. erythraeum与海洋胶体之间的相互作用。

(c−e) 使用DMPO、TEMPO和TEMP作为自旋探针对•OH、电子和¹O₂的ESR谱图。空白样品是自旋捕获剂的ESR特征。

(f) 海洋胶体在0.1 M PBS中的电流响应。

             

             

           

图3. 细胞生长和光合作用

           

图中显示了MC对T. erythraeum生长速率、丝状体长度、叶绿素a含量以及光合作用参数（如Fv/Fm和相对电子传递率rETR）的影响。结果表明，MC显著促进了T. erythraeum的生长和光合作用效率，尤其是在铁限制条件下。

           

(a) T. erythraeum的生长速率。    

(b) 丝状体长度（n = 50）。

(c) 叶绿素a浓度。

(d, e) 叶绿素荧光参数（F_v/F_m和rETR）。

(f) 可用于CO₂固定的RuBisCO含量。

对照组：Fe为0.4 μmol/L；MC：海洋胶体2.0 mg/L，Fe为0.4 μmol/L；LFe（Fe为20 nmol/L）；LFe-MC（海洋胶体2.0 mg/L，Fe为20 nmol/L）。星号表示统计显著性：*p < 0.05，**p < 0.01，和***p < 0.001。

           

           

           

图4. 海洋胶体增强N₂固定    

           

本图展示了MC对T. erythraeum N₂固定速率的影响，以及与固氮和氨同化相关的代谢物和酶活的变化。MC显著提高了N₂固定速率，并增强了ATP和NADPH的含量，这对于固氮酶活性至关重要。

           

(a) N₂固定速率。

(b) 细胞内ATP含量。

(c) 细胞内NADPH含量。

(d) T. erythraeum中由GS−GOGAT循环催化的铵同化作用示意图。Gln，谷氨酰胺。

(e, f) GS和GOGAT活性。

(g) T. erythraeum的代表性NanoSIMS图像。

(h, i) 根据NanoSIMS图像计算的¹²C ¹⁵N/¹²C ¹⁴N和⁵⁶Fe¹⁶O/¹²C的比例（n = 15）。星号表示统计显著性：*p < 0.05，**p < 0.01，和***p < 0.001。

           

               

           

图5. 海洋胶体中的光激发电子与PET链整合，有助于氮同化作用

           

图中展示了通过添加电子清除剂（AgNO₃）和电子传递抑制剂（DCMU）对T. erythraeum与MC系统中电子转移的影响。结果证实了MC光激发电子在促进N₂固定和氨同化中的关键作用。

           

(a, b) 在96小时培养后，用或不用2 μM AgNO₃处理的T. erythraeum的N₂固定速率和NH₃−N产生量。

(c) 在96小时培养后，用或不用20 μM DCMU处理的T. erythraeum的NH₃−N产生量。

(d) 在96小时培养后，用或不用0.5 mM MgATP处理的T. erythraeum的NH₃−N产生量。

(e) 海洋胶体增强氮同化的提议机制。

PS I，光系统I；b6f，2-细胞色素b6f复合体；Fd，铁氧还蛋白；FNR，铁氧还蛋白-NADP还原酶。星号表示统计显著性：*p < 0.05，**p < 0.01，和***p < 0.001。

          

           

           

图6. T. erythraeum的代谢组学和转录组学分析

           

通过代谢组和转录组分析，研究人员识别了MC处理下T. erythraeum中差异表达的代谢物和基因。这些变化涉及到氨同化、氨基酸代谢以及光合作用和电子传递链的相关途径，揭示了MC如何调节T. erythraeum的碳和氮代谢。

           

(a) 代谢组数据的PLS-DA得分图，显示不同处理之间的明显分离。    

(b) 已识别代谢物的变量重要性（VIP）得分。VIP得分大于1.0的代谢物被识别为PLS-DA模型中的有贡献变量。

(c) 与对照组相比的DEGs（差异表达基因）数量。

(d) 与对照组相比，暴露于海洋胶体的T. erythraeum中DEGs显著富集的GO术语分析（调整后p < 0.05）。基因比例表示在GO术语中富集的DEGs数量与总DEGs数量的比率。

(e) 与对照组相比，MC、LFe和LFe-MC组中DEGs显著富集的前7个KEGG途径。星号表示显著富集的KEGG途径：*p < 0.05，**p < 0.01，和***p < 0.001。

         

               

           

图7. 编码含铁蛋白组分、叶绿素、固氮酶活性和ATP酶的关键基因的转录表达

           

通过定量聚合酶链反应（qPCR）分析，研究人员验证了与铁含量、叶绿素、固氮酶和ATP酶活性相关的关键基因表达的变化。这些结果与转录组分析一致，进一步证实了MC对T. erythraeum碳和氮代谢的调控作用.。

           

(a, b) 与铁胁迫相关的蛋白编码基因idiA和isiA的表达。

(c, d) 参与叶绿素a生物合成的基因chlL和chlB的表达。

(e) 编码固氮酶铁蛋白的基因nifH的表达。

(f) ATP酶亚基基因atpH的表达。

               

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