视紫红质让海洋细菌成为捕光“能手”

 
 
视紫红质让海洋细菌成为捕光“能手”  
 

对地中海海水进行取样。  图片来源：JOSEP M. GASOL

多年来，科学家一直认为微生物是利用叶绿素捕获了海洋中大部分的太阳能。但在8月7日发表于《科学—进展》杂志的一项研究中，研究人员发现，拥有变形视紫红质（一种利用视黄醛捕捉光线的结合蛋白）的细菌在把光线转化为能量方面发挥着重要作用，尤其是在营养物质匮乏的海域。

“在海洋中，叶绿素很重要，现在我们发现另一种色素也同样重要。”文章共同作者、美国南加州大学生物学家Laura Gómez-Consarnau说。

地球上所有已知的光营养代谢都依赖于三种能量转换色素：叶绿素a、细菌叶绿素a和视黄醛（视紫红质中的色素团）。叶绿素捕获太阳能的重要性已被研究了数十年，但基于视黄醛的光营养对这一过程的贡献还未曾研究。

大约20年前，研究人员在海洋细菌中发现了变形视紫红质，它利用光将质子泵出细胞，从而在质子回流时产生能量。2007年，Gómez-Consarnau和同事证明，细菌可以利用这些能量生长。2011年，另一组科学家发现，视紫红质利用光维持细菌的大小和能量水平，从而使其适应低营养条件。随后的元基因组研究证实，海洋样本中存在编码蛋白视紫红质基因，但全球范围内利用这种蛋白能源生产的规模尚不清楚。

以色列理工学院微生物学家Oded Beja是在2000年首次描述视紫红质研究论文的第一作者。“我们知道这很重要，但当时没有意识到这是一个如此重要的视紫红质群。”他说，“这篇论文实际上把相关数字放了进去……这是我们以前没有做过的。”

作者报告了三种能量转换色素在地中海和大西洋的垂直分布。他们首先开发了一种检测视黄醛的方法，然后从地中海和大西洋的不同位置和深度收集海水样本。因为每个视紫红质蛋白会与视黄醛上的一个分子结合，他们用该测量方法估计了每个样本中视紫红质蛋白的总数。研究发现，最高视紫红质浓度高于叶绿素a的最大值，其地理分布与叶绿素a呈负相关。视紫红质蛋白最常见于地中海营养不良的水域，叶绿素含量较低的水域往往视紫红质含量较高。

在研究小组记录了每个样本在水柱中的位置和光线强度，然后用视紫红质水平估计捕获了多少光线。评估表明，变形视紫红质能够提供让细菌存活的足够能量。然后，研究人员基于叶绿素a的丰度进行了类似的计算（微藻用其进行光合作用）。他们发现，变形视紫红质吸收的光能至少与叶绿素a一样多，并且这种光能足以维持细菌的基础代谢。

在某些情况下，变形视紫红质有可能捕获更多的光能。例如，在地中海东部，作者对以变形多巴酚为基础的太阳能捕获量的上限估计是每天每平方米107千焦耳，而在同一地区，叶绿素a捕获量的上限估计是每天每平方米19千焦耳。这表明变形视紫红质是海洋表面获取太阳能的主要能量转导机制。

“这是一篇非常棒的论文，因为它为我们提供了系统中活跃分子的数量。”美国俄勒冈州立大学微生物学家Stephen Giovannoni说，“它解释了在没有光合作用产生碳的地方，细胞在能量获取上受到了更大的限制，而这个系统开始发挥更大的作用。”他补充道，“但仍然存在疑问，比如细胞如何使用这种力量，它在其生命周期中扮演着什么样的角色。”