4月9日，《自然-化學(xué)生物學(xué)》（Nature Chemical Biology）雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所楊琛研究組題為The cyanobacterial ornithine-ammonia cycle involves an arginine dihydrolase 的研究論文。該研究利用動(dòng)態(tài)代謝流量組與代謝組分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一條新的代謝途徑，并且揭示了該途徑為藍(lán)藻適應(yīng)環(huán)境所必需及其重要的進(jìn)化及生態(tài)學(xué)意義。
生物在進(jìn)化過程中形成適應(yīng)外界營養(yǎng)環(huán)境變化的代謝系統(tǒng)及調(diào)控機(jī)制。例如，陸生動(dòng)物進(jìn)化出著名的鳥氨酸-尿素循環(huán)，用于處理食物中蛋白質(zhì)分解代謝所產(chǎn)生的大量氨，而細(xì)菌和植物缺乏這一代謝途徑。藍(lán)藻（又名藍(lán)細(xì)菌）是地球上最早出現(xiàn)的光合自養(yǎng)生物，它們利用水作為電子供體，利用太陽光能將CO2還原成有機(jī)碳化合物，并釋放出自由氧，在地球生物圈形成和發(fā)展過程中起了關(guān)鍵作用。藍(lán)藻廣泛分布于自然界，包括各種水體和土壤中，對生物地球化學(xué)循環(huán)有非常重要的貢獻(xiàn)。同時(shí)藍(lán)藻在生物技術(shù)應(yīng)用方面也極具潛力。盡管藍(lán)藻在進(jìn)化、生態(tài)、環(huán)境及生物技術(shù)等方面扮演著重要角色，但它們適應(yīng)環(huán)境變化的細(xì)胞代謝動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制仍不清楚。
中科院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊琛研究組利用前期開發(fā)的動(dòng)態(tài)代謝流量組與代謝組分析技術(shù)，研究了藍(lán)藻對外界氮源擾動(dòng)的代謝響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)鳥氨酸和精氨酸之間存在活躍的代謝循環(huán)。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)該循環(huán)包含一步新的生化反應(yīng)，即精氨酸雙水解酶催化精氨酸水解生成鳥氨酸和氨。研究表明在氮源充足條件下鳥氨酸-氨循環(huán)促使氮同化及存儲以最大速率進(jìn)行，而在氮源匱乏時(shí)該循環(huán)使得細(xì)胞中的氮儲存迅速分解，從而滿足細(xì)胞的生長需要。因此，鳥氨酸-氨循環(huán)具有氮存儲和活化的功能，對于藍(lán)藻適應(yīng)環(huán)境氮源缺乏和變化極其重要。與動(dòng)物體內(nèi)的鳥氨酸-尿素循環(huán)相比，鳥氨酸-氨循環(huán)更為古老，它的存在提示不同物種為適應(yīng)其生存環(huán)境可能進(jìn)化出各種鳥氨酸循環(huán)。鳥氨酸-氨循環(huán)在藍(lán)藻中廣泛存在，包括許多海洋固氮藍(lán)藻，因此這一代謝途徑對于海洋氮固定乃至地球的氮循環(huán)具有重要貢獻(xiàn)。專家評論這項(xiàng)工作將引起化學(xué)生物學(xué)和微生物學(xué)領(lǐng)域研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，并對海洋學(xué)和農(nóng)業(yè)方面的研究產(chǎn)生影響，同時(shí)在代謝工程和合成生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
植生生態(tài)所博士研究生張昊為論文第一作者，研究員楊琛為通訊作者。該工作是與該所研究員、中科院院士趙國屏等合作完成的，得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院等的項(xiàng)目資助。
