近日，国际期刊the Plant Journal刊发了中国科学院海洋研究所藻类生理过程与精准分子育种研究团队联合海南大学海洋学院关于HSP70A提升海洋硅藻高温环境下光合活性机制的最新研究成果。这是该团队在the ISME Journal 发表海洋硅藻适应特殊环境机制研究论文后，在海洋硅藻应对海洋暖化研究方面取得的又一重要进展。
近年来，随着气候变暖，全球海洋温度不断上升。海洋暖化尤其是海洋热浪等极端环境影响了海洋生态系统，严重威胁海洋浮游植物的生产力及物种组成，对全球海洋渔业的健康可持续发展产生严重的负面效应。因此，以海洋暖化为特征的全球气候变化对海洋生态系统尤其是海洋浮游植物的影响已成为海洋科学领域的热点前沿。光合作用是海洋浮游植物响应逆境最敏感的生理过程，而热休克蛋白HSPs是生物体在高温和干旱等逆境下快速诱导产生的一类应激蛋白，在调控细胞生理过程起重要作用。HSP70是HSPs家族中高度保守的蛋白，诱导型HSP70在正常条件下低水平表达，在逆境条件下的表达量显著增加。然而，目前光合生理过程和HSP70在海洋浮游植物尤其是海洋硅藻响应高温环境的偶联机制尚不清晰。
该研究团队以三角褐指藻为研究对象，探究高温环境下HSP70A和光合生理过程的偶联机制。研究发现，野生型（WT）在26 ℃处理1h后，HSP70A在WT中的表达水平增加了28倍，随着高温处理时间的延长而下降。因此，研究团队构建了三角褐指藻HSP70A的过表达藻株和干扰藻株。研究结果表明，在高温（26℃）条件下HSP70A的过表达促进三角褐指藻指数期的生长，而干扰藻株生长比WT慢（图1）。
图1 HSP70A在20℃和26℃下表达量和过表达和干扰HSP70A藻株在20 ℃和26 ℃下的生长
该研究团队发现，不同突变藻株的表观光合生理特征显著不同。在高温环境下，HSP70A的过表达显著提升了藻株的热耗散能力（NPQ），而HSP70A的下调明显降低藻株的热耗散能力（图2），这一结果从正向和反向遗传学两个角度充分表明了HSP70A通过调节光合生理过程调控海洋硅藻对高温环境的适应。
该团队进一步利用免疫共沉淀（Co-IP）和串联质谱技术，鉴定分析了与HSP70A互作的蛋白，并通过Western Blot进行了验证。Co-IP的实验结果表明HSP70A与光系统II的反应中心蛋白相互作用（表1），表明在高温胁迫下过表达的HSP70A协助光系统II反应中心蛋白的正确折叠，防止聚集，从而提高硅藻NPQ的能力。这一发现不仅有助于深化我们对海洋硅藻适应高温环境的过程和机制的认识，还可为经济硅藻的耐高温藻株的培育提供新的靶点。
图2 在20℃和26℃下HSP70A突变藻株的光合活性和在20℃和26℃下，蛋白水平下HSP70A突变藻株中HSP70蛋白和D2蛋白的表达
表1 HSP70蛋白与光系统蛋白、ATP合酶相关亚基蛋白和蛋白质延伸因子（EF-Tu）的相互作用
论文第一作者为博士研究生杨文婷和高山副研究员，通讯作者为王广策研究员和刘志媛教授。该论文工作均在中国科学院海洋研究所完成，研究得到了国家自然科学基金、山东省重点研发计划、国家藻类产业技术体系等项目的支持。
相关研究成果：
Wenting Yang#,Shan Gao#,Mengjiao Bao,Xin Li,Zhiyuan Liu* and Guangce Wang*. HSP70A promotes the photosynthetic activity of marine diatom Phaeodactylum tricornutum under high temperature. The Plant Journal. https://doi.org /10.1111/tpj.16730.