鎳超氧化歧化酶(NiSOD)保護束毛藻(Trichodesmium)的固氮作用

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關鍵字: 固氮作用、束毛藻、鎳 、超氧化歧化酶、光合作用、高光

圖說: (左圖) 海面棕黃色的物質即為束毛藻(Trichodesmium)的藻華現象,固氮藍綠菌將N2轉換成所有浮游植物均可利用的NH4+ ,因而促進浮游植物透過光合作用的生長及二氧化碳的吸收,部分生成的顆粒態有機碳若沉降到1000 m以下深水,將長時間在深海中循環,重回表層海洋需時500-1000年,可視為大氣二氧化碳的移除。 (右上) 黑潮所採集之Trichodesmium,束毛藻雖然為單細胞藍綠菌,寬度約在 6 μm,但均以數十個以上細胞連結成絲狀(filament)型態,並可連結聚集成肉眼可見的紡錘狀或球狀群落(colony 如圖內小圖)。(右下) 透過不同光強度及鎳濃度養殖實驗,本研究證實了NiSOD在高光條件下保護了束毛藻的固氮作用 (Chen et al. 2022).

海洋每年吸收人為活動所排放近三成的二氧化碳! 海洋所吸收的二氧化碳(藍碳 Blue carbon)主要受物理幫浦和生物幫浦所調控;物理幫浦又稱溶解度幫浦 (Physical pump or Solubility pump),主要是受溫度及海氣界面二氧化碳濃度所決定,可以簡單想像成可樂飲料的氣泡,表水高溫或超飽和就放出二氧化碳到大氣、低溫或未飽和就吸收大氣二氧化碳(亨利定律);另一主要吸收過程就是透過浮游植物(Phytoplankton)進行光合作用,將二氧化碳吸收轉換成顆粒態有機物,此過程又稱為生物幫浦(Biological pump),生物幫浦運作的機制是海洋生物地球化學的核心議題之一。

不像陸地上的植物,海洋中的初級生產者(primary producer)-浮游植物,當然不缺水! 就目前所知,海洋浮游植物生長最缺乏的三個元素為氮、磷、鐵;就氮而言,生物可利用(bioavailable)的氮源主要為硝酸根、亞硝酸根及銨(NO3-, NO2-, NH4+);除了固氮細菌,所有浮游植物都無法使用氮氣(N2);由於生物可吸收的氮是海洋浮游植物生長的主要限制因子,固氮作用(Nitrogen fixation)便為影響海洋吸收二氧化碳的關鍵因素! 從不缺氮的固氮細菌將氮氣轉換成新的固定氮(new fixed nitrogen),因而得以促進所有浮游植物的生長及光合作用,進而增加二氧化碳的吸收。然學界對影響海洋固氮作用的環境成因了解有限,先前研究認為鐵或磷的供應是海洋固氮藍綠菌生長主要限制因子,但是相關研究仍十分不足。

生物固氮反應是由固氮藍綠菌體內的固氮酶(nitrogenase)催化所進行,但固氮酶十分容易受光合作用所生成的氧氣及其他活性氧物種(ROS reactive oxygen species)破壞,因此絕大多數的海洋固氮細菌不是在時間上不然就在空間上與光合作用分離,例如夜間進行固氮或在白天由不行光合作用的異形細胞(heterocysts)進行固氮作用,以避免固氮酶受破壞;然而,熱帶亞熱帶海洋最主要的固氮藍綠菌之一的束毛藻具備特異能力-竟能在白天於體內同時進行固氮及光合作用! 更令人吃驚的是,束毛藻竟然能在幾無營養鹽且高光的大洋表層海水生存、甚至藻華(bloom),見上圖! 高光通常會對浮游植物造成光限制作用(photoinhibition)。 束毛藻如何得以在高光條件下同時進行固氮及光何作用的成因便為本研究的主題。

光合作用中,太陽輻射的能量在光系統二(PS II)中分離並氧化了水成為氧氣(O2)、電子和質子,高光的太陽輻射因而加速了光系統二中的電子產生並且提高了氧氣和活性氧物質的生成速率;另一方面,超氧化物(O2- superoxide),一個在光系統一(PS I)所產生的主要ROS,並做為氧氣的光還原過程用以傳遞電子至Mehler反應的中間產物;超氧離子來自氧分子的還原,兩個超氧離子一般會立即被超氧化歧化酶 (SOD superoxide dismutase)一方面氧化另一方面還原成過氧化氫(H2O2)和一個氧分子(O2);過氧化氫是另一個在光合作用反應中產生的ROS中間產物,會被過氧化氫酶(Catalase) 氧化成水,也完成了電子的傳遞,整個過程因此稱為「水到水循環 Water–Water cycle」 (Asada 1999)。

我們的科學假設是,當光強度越高、ROS生成便愈快,合成這些移除ROS的關鍵金屬酶所需的金屬需求就越高,否則ROS的累積將對光系統造成損害。束毛藻體內具有一個十分罕見的SOD,鎳超氧化歧化酶(nickel SOD),我們實驗室先前的研究證實了鎳的充足供應是束毛藻在高光條件下進行固氮作用的關鍵必要條件(Ho 2013; Ho et al. 2013; Rodriguez and Ho 2014)。在本研究中,我們更進一步自行設計NiSOD抗體,並在院內生化所「整合型蛋白質結構與功能分析核心設施(ASPC)」協助下,以E. coli生產並純化重組蛋白NiSOD用以驗證並定量束毛藻體內所生成的NiSOD濃度,透過實驗室控制光強度和海水中鎳供應量條件下實驗,進一步證實了NiSOD的表現降低了束毛藻在高光條件下光合作用產生的氧化壓力 ,並因而保護了束毛藻在高光條件下的固氮過程並促進了固氮速率。本研究的發現可解釋為何束毛藻得以在高光條件下同時進行固氮及光合作用(詳見論文),因此得以在熱帶海洋表水高光環境下生存甚至藻華,本研究發現也將對於海洋浮游植物的光抑制作用機制提出新見解。 本月底我們即將出發至黑潮及西菲律賓海驗證本研究的發現!

本論文第一作者為實驗室研究助理陳志昶,志昶出色並成功地執行本研究的關鍵實驗,志昶目前為荷蘭烏特勒支大學研究生。該論文為台灣研究人員發表在Limnology and Oceanography Letters (JCR 2021, Oceanography JCI=1/68)的首篇論文,參見右側「更多相關資訊」。

關鍵概念

  • 氮是海洋浮游植物生長最主要的限制因子之一。幾乎所有浮游植物主要可利用的氮源為硝酸根(NO3-)及銨(NH4+ )。
  • 海洋固氮細菌能將N2轉換成銨,產生海洋生物可利用的氮源,因而形成新的初級生產力(New Production)並透過光合作用將二氧化碳轉換成有機物進入海洋。

更多相關資訊

  • Chen, C.-C., I. B. Rodriguez, Y.-l. L. Chen, J. P. Zehr, Y.-R. Chen, S.-T. D. Hsu, S.-C. Yang, and T.-Y. Ho* (2022) Nickel superoxide dismutase protects nitrogen fixation in Trichodesmium. Limnology and Oceanography Letters doi: 10.1002/lol2.10263.
  • Ho*, T.-Y. (2013) Nickel limitation of nitrogen fixation in Trichodesmium. Limnology and Oceanography 58: 112-120.

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