由印第安納大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)允許全球豐富的細(xì)菌有效捕獲陽光并進(jìn)行光合作用。該研究由IU生物學(xué)家David M. Kehoe領(lǐng)導(dǎo)，由Joseph E. Sanfilippo主持，IU博士。學(xué)生和前IU博士Animesh Shukla 學(xué)生與美國和法國的研究人員合作，首次展示了如何調(diào)節(jié)改善海洋藍(lán)細(xì)菌中光捕獲的過程。

該研究還通過一種稱為水平基因轉(zhuǎn)移的過程，深入了解基因如何在海洋環(huán)境中的細(xì)胞之間輕松轉(zhuǎn)移。這是DNA運(yùn)動的常見形式，涉及稱為“基因組島”的基因組區(qū)域，這對許多生物的進(jìn)化很重要。該研究報告發(fā)表在“ 美國國家科學(xué)院院刊”上。藍(lán)藻Synechococcus是地球海洋中第二常見的光合細(xì)菌。IU研究的重點是聚球藻屬如何控制其有效捕獲光合作用的藍(lán)光和綠光的能力。

“對于我們來說，了解更多有關(guān)海洋藍(lán)藻的信息非常重要，因為它們是地球食物鏈基礎(chǔ)的重要組成部分，”IU布魯明頓藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院生物系教授Kehoe說。“我們的星球主要靠太陽能發(fā)電，這些生物對于將陽光轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物非常重要。有機(jī)化合物是其他物種的食物。沒有這些和其他'初級生產(chǎn)者'，我們就不可能存在，因為我們無法從陽光。”

在海洋環(huán)境中，藍(lán)色和綠色光穿透水柱到不同的深度。在淺海岸水域，許多聚球藻細(xì)胞有效地利用綠光進(jìn)行光合作用，而在更深的海水中，細(xì)菌最大限度地捕獲和使用藍(lán)光。到目前為止，大約四分之一的海洋聚球藻可以進(jìn)行這一過程，稱為“色素馴化”。

Kehoe領(lǐng)導(dǎo)了一項早期的研究，該研究為許多聚球藻屬捕獲藍(lán)光和綠光的這種“變色龍樣”能力提供了第一次機(jī)制見解。

目前的研究涉及四組法國和美國科學(xué)家。

“我們在法國的同事們都是優(yōu)秀的生物學(xué)海洋學(xué)家，他們對色彩馴化的分子方面很感興趣，而美國群體對其生態(tài)意義很感興趣，”分子生物學(xué)家Kehoe說。“我們認(rèn)識到，通過結(jié)合我們的努力，我們可以在很多方面檢驗這一過程，從分子到生態(tài)。這是一個真正的協(xié)作，多學(xué)科項目。”

由巴黎Pierre和Marie Curie大學(xué)的FrédéricPartensky和Laurence Garczarek以及法國Roscoff的CNRS Station Biologique領(lǐng)導(dǎo)的法國小組發(fā)現(xiàn)了一個基因島，其中有六個基因與能夠進(jìn)行色彩馴化的能力相關(guān)。Wendy Schluchter教授和博士。新奧爾良大學(xué)的學(xué)生Adam A. Nguyen為該研究提供了生化分析。IU Bloomington化學(xué)系的副科學(xué)家Jonathan A. Karty提供的質(zhì)譜結(jié)果對于該組的發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。

該小組的結(jié)果表明，一個小的基因組島賦予了進(jìn)行色彩馴化的能力。如果Synechococcus的特定菌株不具有基因組島，則它不能經(jīng)歷色素馴化。然而，如果一個菌株獲得基因組島，正如四分之一的菌株似乎已經(jīng)完成，它可能會經(jīng)歷色彩馴化。

該小組發(fā)現(xiàn)位于基因組島上的兩個名為fciA和fciB的基因需要打開和關(guān)閉基因組島上其他基因的表達(dá)。結(jié)果，該基因組島似乎是自我調(diào)節(jié)的并且能夠調(diào)節(jié)其自身對周圍光色環(huán)境變化的響應(yīng)。

這項研究的結(jié)果提供了對水平轉(zhuǎn)移基因調(diào)控的重要見解。雖然當(dāng)這些基因進(jìn)入新的生物體時，調(diào)節(jié)必須是正確的，但調(diào)節(jié)基因通常不位于它們在基因組中調(diào)節(jié)的基因附近。

“我們發(fā)現(xiàn)這個基因組島包括兩種類型的基因，通過允許適當(dāng)調(diào)節(jié)這一過程以及色彩馴化的能力使其成為獨(dú)立的。我們預(yù)測這將促進(jìn)其在環(huán)境中的傳播，”Kehoe說過。