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Diverse light responses of cyanobacteria mediated by phytochrome superfamily photoreceptors. ​

文献信息 ​

DOI10.1038/s41579-018-0110-4
PMID30410070
期刊Nature reviews. Microbiology
影响因子103.3
JCR 分区Q1
发表年份2019
被引次数57
关键词蓝藻, 光敏感, 植物色素超家族, 信号转导, 合成生物学
文献类型Journal Article, Research Support, Non-U.S. Gov't, Research Support, U.S. Gov't, Non-P.H.S., Review
ISSN1740-1526
页码37-50
期号17(1)
作者Lisa B Wiltbank, David M Kehoe

一句话小结 ​

本综述探讨了蓝藻中多样化的光受体家族如何通过感知不同波长的光来调节生长、趋光性和光合作用等生理响应，强调了多个光受体的协同作用。研究结果揭示了蓝藻在适应环境光变化中的重要机制，并为光遗传学和合成生物学的应用提供了新的思路。

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蓝藻 · 光敏感 · 植物色素超家族 · 信号转导 · 合成生物学

摘要 ​

蓝藻是一类在进化和生态上具有重要意义的原核生物。它们栖息于多种环境中，从热泉和沙漠到冰川和开放海洋不等。蓝藻所栖息环境的多样性部分归因于它们感知和响应环境变化的能力。作为光合生物，蓝藻监测的一个关键参数是光线。蓝藻能够感知多种波长的光，许多蓝藻具有属于光敏色素超家族的一系列胆色素结合光受体。这些光受体调节着包括生长、趋光性、细胞聚集和光合作用等重要细胞过程，以适应环境光条件。在本综述中，我们将探讨这一多样化光受体家族控制的生理响应，并讨论这些光受体所涉及的信号转导途径。我们强调多个光受体共同协作以精细调节光响应的具体实例。此外，我们还讨论了这些光感知系统在光遗传学和合成生物学中的潜在应用。

英文摘要 ​

Cyanobacteria are an evolutionarily and ecologically important group of prokaryotes. They exist in diverse habitats, ranging from hot springs and deserts to glaciers and the open ocean. The range of environments that they inhabit can be attributed in part to their ability to sense and respond to changing environmental conditions. As photosynthetic organisms, one of the most crucial parameters for cyanobacteria to monitor is light. Cyanobacteria can sense various wavelengths of light and many possess a range of bilin-binding photoreceptors belonging to the phytochrome superfamily. Vital cellular processes including growth, phototaxis, cell aggregation and photosynthesis are tuned to environmental light conditions by these photoreceptors. In this Review, we examine the physiological responses that are controlled by members of this diverse family of photoreceptors and discuss the signal transduction pathways through which these photoreceptors operate. We highlight specific examples where the activities of multiple photoreceptors function together to fine-tune light responses. We also discuss the potential application of these photosensing systems in optogenetics and synthetic biology.

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主要研究问题 ​

  1. 在不同光照条件下，蓝藻的光反应如何影响其生长和繁殖？
  2. 蓝藻的光敏感机制在不同生态系统中的适应性表现如何？
  3. 其他光敏感蛋白在蓝藻中的作用是否与光合细菌或植物中的相似？
  4. 通过合成生物学手段，如何利用蓝藻的光感应系统开发新型生物技术？
  5. 蓝藻的光响应如何影响其在极端环境下的生存策略？

核心洞察 ​

  1. 研究背景和目的
    蓝藻是一个在进化和生态上都极为重要的原核生物群体，能够适应从热泉、沙漠到冰川和开放海洋等多种栖息环境。这种适应性部分源于其对环境变化的感知和响应能力，尤其是在光照条件下。由于蓝藻是光合生物，光照的变化对其生长和生理过程至关重要。研究的目的是探讨蓝藻如何通过光敏色素超家族的光受体感知和响应不同波长的光，以调节其生理活动。

  2. 主要方法和发现
    本研究通过回顾文献，分析了蓝藻中的不同光受体（主要是属于光敏色素超家族的藻胆蛋白结合受体）如何调控多个生理反应，包括生长、光趋向、细胞聚集和光合作用。研究者还探讨了这些光受体的信号转导通路，强调了多个光受体如何协同工作来精细调节光响应的具体实例。这种多样的光响应机制展示了蓝藻在光利用效率和环境适应中的灵活性。

  3. 核心结论
    蓝藻通过多种光受体的协同作用，能够有效感知和响应环境中的光变化，从而调节其生理过程。这些光受体不仅在调控生长和光合作用中起着关键作用，还在细胞行为和聚集方面显示出复杂的调节机制。这种灵活的应答机制使蓝藻能够在多变的环境中生存和繁衍。

  4. 研究意义和影响
    本研究深入揭示了蓝藻如何利用光受体的多样性来优化光响应，具有重要的生物学和生态学意义。这不仅帮助我们更好地理解蓝藻在生态系统中的角色和适应策略，也为光敏感系统在光遗传学和合成生物学中的应用提供了理论基础。通过对蓝藻光受体的研究，有望产生新的生物技术应用，推动可持续能源和生物工程的发展。

引用本文的文献 ​

  1. MAS NMR on a Red/Far-Red Photochromic Cyanobacteriochrome All2699 from Nostoc. - Qian-Zhao Xu;Pavlo Bielytskyi;James Otis;Christina Lang;Jon Hughes;Kai-Hong Zhao;Aba Losi;Wolfgang Gärtner;Chen Song - International journal of molecular sciences (2019)
  2. Emerging Species and Genome Editing Tools: Future Prospects in Cyanobacterial Synthetic Biology. - Grant A R Gale;Alejandra A Schiavon Osorio;Lauren A Mills;Baojun Wang;David J Lea-Smith;Alistair J McCormick - Microorganisms (2019)
  3. Phytochrome evolution in 3D: deletion, duplication, and diversification. - Nathan C Rockwell;J Clark Lagarias - The New phytologist (2020)
  4. Protochromic absorption changes in the two-cysteine photocycle of a blue/orange cyanobacteriochrome. - Teppei Sato;Takashi Kikukawa;Risako Miyoshi;Kousuke Kajimoto;Chinatsu Yonekawa;Tomotsumi Fujisawa;Masashi Unno;Toshihiko Eki;Yuu Hirose - The Journal of biological chemistry (2019)
  5. Color Sensing and Signal Transmission Diversity of Cyanobacterial Phytochromes and Cyanobacteriochromes. - Yvette Villafani;Hee Wook Yang;Youn-Il Park - Molecules and cells (2020)
  6. Diurnal Regulation of In Vivo Localization and CO2-Fixing Activity of Carboxysomes in Synechococcus elongatus PCC 7942. - Yaqi Sun;Fang Huang;Gregory F Dykes;Lu-Ning Liu - Life (Basel, Switzerland) (2020)
  7. Role of diversity-generating retroelements for regulatory pathway tuning in cyanobacteria. - Alec Vallota-Eastman;Eleanor C Arrington;Siobhan Meeken;Simon Roux;Krishna Dasari;Sydney Rosen;Jeff F Miller;David L Valentine;Blair G Paul - BMC genomics (2020)
  8. Stress Signaling in Cyanobacteria: A Mechanistic Overview. - Raphaël Rachedi;Maryline Foglino;Amel Latifi - Life (Basel, Switzerland) (2020)
  9. Structural Determinants and Their Role in Cyanobacterial Morphogenesis. - Benjamin L Springstein;Dennis J Nürnberg;Gregor L Weiss;Martin Pilhofer;Karina Stucken - Life (Basel, Switzerland) (2020)
  10. Pump-Probe Circular Dichroism Spectroscopy of Cyanobacteriochrome TePixJ Yields: Insights into Its Photoconversion. - Jonathan A Clinger;Eefei Chen;David S Kliger;George N Phillips - The journal of physical chemistry. B (2021)

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