對地球上的生命來說，光照的每日波動是一種近乎普遍存在的進化壓力。藍藻幾乎完全依賴光照來獲取能量，對晝夜循環(huán)的響應(yīng)范圍較廣，包括**代謝的重新定向和基因表達的變化。作為重要的初級生產(chǎn)者和其他產(chǎn)氧光合有機體的祖先(通過胞內(nèi)共生作用)，藍藻及其對光-暗循環(huán)的響應(yīng)對于理解高等生物的光合作用和表征具有較大生態(tài)影響和生物技術(shù)潛力的生物門類具有**的意義。例如，晝夜循環(huán)能夠?qū)Σ《?*藍藻造成影響(Box 1)，并對工業(yè)和經(jīng)濟增長具有重大的影響(如“藍藻之外”部分所示)。然而到目前為止，出于實際實驗操控的考慮，大多數(shù)的研究和綜述都集中在持續(xù)光照、非自然靜態(tài)條件下細(xì)胞的生理過程。*近對于藍藻光-暗循環(huán)生理學(xué)的研究為了解藍藻的生命周期開辟了一個新的視角。本綜述從對藍藻晝夜生理過程起到重要作用的細(xì)胞功能入手，鞏固了藍藻光-暗循環(huán)生長的現(xiàn)有知識。并且討論了目前藍藻調(diào)節(jié)晝夜過渡過程中所需的生理過程。**，本文討論了光-暗循環(huán)藍藻生物學(xué)研究如何揭示藍藻的晝夜生長模式。

日間生存

藍藻每天都要面對一個艱巨的任務(wù)，即通過光合作用同化二氧化碳將無機碳轉(zhuǎn)化為有機分子。從太陽升起開始，藍藻細(xì)胞需要經(jīng)歷大量的代謝挑戰(zhàn)。細(xì)胞必須通過二分裂進行細(xì)胞分裂為夜間生理活動儲存能量，夜間為光合沉默期。藍藻白天的生理活動在光合作用的背景下進行，光合作用對藍藻細(xì)胞至關(guān)重要，其正常運轉(zhuǎn)需要大量的資源。在這一過程中，同時會產(chǎn)生有害副產(chǎn)物活性氧。因此，藍藻的新陳代謝在空間和時間上都進行了精巧的安排(圖1)。

中心碳代謝
許多藍藻代謝可以根據(jù)時間進行劃分，可概括為白天的合成代謝和晚上的分解代謝。白天的合成代謝開始于將碳能量從氧化戊糖磷酸途徑(OPPP)轉(zhuǎn)移到卡爾文循環(huán)(CBBC)，這一過程受到光合作用產(chǎn)物的調(diào)控。其中的關(guān)鍵步驟之一是CP12(一種氧化還原敏感蛋白，是卡爾文循環(huán)的主要調(diào)節(jié)因子)的失活。在夜間，具有氧化作用的CP12通過隔離甘油醛-3-磷酸脫氫酶2(Gap2)和磷酸核糖激酶(Prk)**卡爾文循環(huán)。這種轉(zhuǎn)換是由藍藻細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)介導(dǎo)的，而細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)隨光合活性的變化而明顯變化。獲得光照時，細(xì)胞產(chǎn)生光合還原能力，CP12減少，并釋放Gap2和Prk，恢復(fù)卡爾文循環(huán)活性。代謝組學(xué)分析顯示細(xì)胞內(nèi)氨基酸、核苷酸和醌生物合成相關(guān)的合成代謝在這一階段被上調(diào)。氨基酸和核苷酸合成的上調(diào)與生理狀態(tài)相匹配，這表明蛋白質(zhì)合成和DNA復(fù)制主要在白天進行。

能量存儲和電子累積

藍藻在白天的主要活動是積累大量的光合產(chǎn)物，生成葡萄糖聚合物—糖原并進行儲存。在光-暗循環(huán)的生長過程中，藍藻積累糖原主要有兩個目的：(i)作為蓄能聚合物為夜間做準(zhǔn)備；(ii)作為“調(diào)節(jié)閥門”吸收在**度光照條件下產(chǎn)生的過量還原能力。細(xì)胞內(nèi)靶向糖原生物合成基因glgA，glgC或glgP的突變會**阻礙細(xì)胞在光-暗循環(huán)中的生長和活性，從而突出了糖原積累的重要性。

由于藍藻無法迅速停止光合作用，光照條件的突然缺失會導(dǎo)致細(xì)胞膜上氧化還原電位的累積。通過對藍藻氮缺乏的研究顯示糖原可以作為光合電子吸收體。細(xì)胞氮缺乏能夠**生物合成過程中對碳的利用，進而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)糖原的快速積累。氮缺乏時若菌株無法合成糖原，**度光照條件能夠?qū)е录?xì)胞的生長缺陷和氧化損傷。此外，在氮缺乏條件下無法合成糖原的突變體會分泌**酸和三羧酸循環(huán)途徑中間體，來對光合作用的輸出進行重定向。總體而言，通過合成和降解糖原緩沖細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)是調(diào)節(jié)細(xì)胞生理變化的重要過程。

夜間生存

隨著白天的結(jié)束和夜晚的開始，藍藻面臨著生理過程的急劇變化。過去幾十年的研究積累了很多關(guān)于光照條件下藍藻細(xì)胞生理過程的知識，但是對于黑暗條件下藍藻生理過程的了解還很少。盡管通常將處于黑暗中的藍藻視為處于休眠狀態(tài)，但其細(xì)胞仍然具有活性且許多過程仍在動態(tài)運行。對Synechococcus elongatus PCC 7942轉(zhuǎn)錄、翻譯和新陳代謝的研究已證明，藍藻對光-暗循環(huán)具有特定的適應(yīng)性(有關(guān)此模型生物的歷史簡介，見Box 2)。雖然黑暗條件下藍藻生理過程的總速率低于光照條件，甚至DNA復(fù)制速率接近于零，但藍藻經(jīng)過協(xié)調(diào)使細(xì)胞節(jié)省能量，能夠確保其存活至再次進行光合作用。由于光合作用無法在黑暗中進行，因此發(fā)生了從ATP和還原物質(zhì)水平、到碳化合物通量的重定向和細(xì)胞分裂活性的改變等一系列細(xì)胞范圍內(nèi)的變化。

糖原分解和氧化戊糖磷酸途徑

對于無法利用外部固定碳源的藍藻，糖原分解對于藍藻的夜間生存至關(guān)重要。細(xì)胞在夜間釋放的葡萄糖大部分被直接分配到氧化戊糖磷酸途徑中。夜間氧化戊糖磷酸途徑的主要功能是產(chǎn)生還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)來補充細(xì)胞的還原能力。氧化戊糖磷酸途徑將NADH還原為NADPH。光合生物中的許多酶將NADPH作為還原劑消除細(xì)胞中殘留的活性氧。藍藻細(xì)胞具有多種抗氧化劑和氧化還原緩沖系統(tǒng)，例如涉及超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的酶防御系統(tǒng)，以及使用谷胱甘肽、過氧化物酶和類胡蘿卜素的非酶策略。在這些活性氧化反應(yīng)中，谷胱甘肽介導(dǎo)反應(yīng)可降低細(xì)胞中多種活性氧的水平。重要的是，谷胱甘肽還原酶介導(dǎo)了谷胱甘肽中依賴NADPH進行的二硫鍵還原。因此，通過氧化戊糖磷酸途徑產(chǎn)生的NADPH對于細(xì)胞在光-暗循環(huán)中的存活至關(guān)重要。一些突變引起的光-暗循環(huán)敏感性會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激的積累，這種應(yīng)激反應(yīng)在黑暗中無法消除。因此，在光-暗循環(huán)條件下培養(yǎng)細(xì)胞時，氧化戊糖磷酸途徑是細(xì)胞夜間存活的關(guān)鍵過程之一，氧化戊糖磷酸途徑的**控制基因zwf，gap或gnd中任何一個失活都會導(dǎo)致細(xì)胞生長活性的嚴(yán)重減弱。相反，當(dāng)藍藻在連續(xù)光照條件下生長時(利用光合作用產(chǎn)生NADPH)，氧化戊糖磷酸途徑的控制基因則可有可無(圖2)。利用氧化戊糖磷酸途徑產(chǎn)生NADPH以消除細(xì)胞中活性氧的過程在其他高等生物中也是一個常見的研究主題，例如天蛾科。

在Synechococcus elongatus中進行的全基因組轉(zhuǎn)座子誘變篩選研究顯示，與氧化戊糖磷酸途徑相一致，在連續(xù)光照或光-暗條件下三羧酸循環(huán)再生期間的酶對于細(xì)胞的生存也不是必需的。對Synechocystis PCC 6803利用13C同位素示蹤細(xì)胞碳代謝的研究表明，即使在異養(yǎng)生長時藍藻細(xì)胞內(nèi)的碳也主要在氧化戊糖磷酸途徑內(nèi)循環(huán)。這些數(shù)據(jù)揭示了藍藻和大多數(shù)異養(yǎng)生物之間碳通量路徑編排的根本差異。雖然已證明三羧酸循環(huán)一部分的反應(yīng)對S. elongatus無關(guān)緊要，但編碼2-氧戊二酸(2-OG)前三個步驟是由三羧酸循環(huán)中的必需基因介導(dǎo)的。其他TCA循環(huán)前體代謝物產(chǎn)生的中間產(chǎn)物可以通過替代反應(yīng)生成，但2-OG是藍藻將氮同化為谷氨酰胺和谷氨酸的**已知前體物。藍藻通過三羧酸循環(huán)產(chǎn)生2-氧戊二酸，隨后進行的氮同化作用會利用大量的NADPH，從而強烈影響NADPH還原物質(zhì)的平衡。因此，黑暗中形成的氮同化**，部分是由于谷氨酰胺合成酶**因子的產(chǎn)生(IF7)。

轉(zhuǎn)錄和翻譯

除了光-暗循環(huán)中幾種特定的酶促反應(yīng)，但還應(yīng)考慮酶調(diào)節(jié)層次的變化：編碼這些酶的基因以及在光-暗循環(huán)中持續(xù)保持動態(tài)的許多其他酶的轉(zhuǎn)錄和翻譯。黑暗條件下除少數(shù)編碼基因外，細(xì)胞中基因表達速率降低。黑暗條件下基因的表達有些可以歸類為黑暗誘導(dǎo)，與光照或晝夜節(jié)律無關(guān)，而其他的基因表達則依賴于晝夜節(jié)律。
顯然，當(dāng)細(xì)胞生理過程與環(huán)境光-暗循環(huán)同步時，晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)對藍藻適合度有益。然而，研究發(fā)現(xiàn)在夜間進行黑暗誘導(dǎo)表達的基因、白天進行黑暗誘導(dǎo)表達的基因與午后昏暗光照誘導(dǎo)表達的基因之間存在相當(dāng)大的重疊。盡管其中許多基因編碼功能未知的蛋白質(zhì)，或簡單地標(biāo)注為“dig”(黑暗誘導(dǎo)的基因)，但其中一些注釋基因為黑暗期間細(xì)胞重要功能的了解提供了線索。例如，與CP12具有高度序列相似性的蛋白(synpcc7942_0252)，核糖體狀態(tài)調(diào)節(jié)物hpf (lrtA；synpcc7942_2352)和可能的伴侶蛋白(hspA，synpcc7942-0241)表明，氧化還原調(diào)節(jié)和控制蛋白質(zhì)的合成與降解是細(xì)胞在黑暗條件下生存的關(guān)鍵生理過程。

對蛋白質(zhì)研究和探索中沒有發(fā)現(xiàn)出人意料的結(jié)果。Ansong等研究表明Synechococcus PCC 7002中只有4％的蛋白質(zhì)在光-暗循環(huán)過程中發(fā)生水平上的變化。在其他藍藻研究中也觀察到相同的趨勢。例如，在一種固氮藍藻中，幾乎沒有蛋白質(zhì)在光照和黑暗轉(zhuǎn)換條件下發(fā)生大于兩倍水平的變化。然而，盡管蛋白質(zhì)的總體水平相對恒定，但觀察到黑暗條件下蛋白質(zhì)的翻譯速率降低，在光-暗循環(huán)條件下蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄的翻譯后修飾和細(xì)胞內(nèi)定位可能在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)水平中起到了重要的作用。

光暗循環(huán)下的細(xì)胞生理程序

在晝夜轉(zhuǎn)換過程中細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的許多代謝變化是通過一個復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)來進行管理。S. elongatus中的大多數(shù)基因組在光-暗循環(huán)過程中進行差異轉(zhuǎn)錄。許多因素能夠同時驅(qū)動細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)水平，包括：晝夜節(jié)律輸出、染色體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號核苷酸和代謝產(chǎn)物濃度的變化，如NADPH和ATP。

轉(zhuǎn)錄因子

盡管影響藍藻轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子較多，但RpaA和RpaB是藍藻的主要轉(zhuǎn)錄因子，是光-暗循環(huán)條件下細(xì)胞生理學(xué)的控制樞紐。RpaA能夠傳遞細(xì)胞生物鐘時間信息，并負(fù)責(zé)數(shù)百個基因的生物鐘依賴性調(diào)控。

藍藻晝夜節(jié)律生物鐘(其調(diào)節(jié)蛋白包括KaiA、KaiB和KaiC)與轉(zhuǎn)錄因子RpaA之間的聯(lián)系在于SasA和CikA兩種組氨酸蛋白激酶在**中的不同時間與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合。SasA或CikA與調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合會刺激RpaA磷酸化(SasA)或RpaA去磷酸化(CikA)。磷酸化的RpaA(P-RpaA)能夠**細(xì)胞夜間代謝的重要基因，而缺少RpaA(或KaiA)時，生物鐘被鎖定在白天的轉(zhuǎn)錄機制中，從而在光暗循環(huán)過程中導(dǎo)致細(xì)胞的代謝失衡，氧化應(yīng)激增加和死亡。相反，消除KaiC生物鐘調(diào)節(jié)因子被鎖定在夜間模式的細(xì)胞會進行氧化戊糖磷酸途徑和其他夜間代謝途徑。從野生型菌株和無KaiC調(diào)節(jié)因子的菌株競爭生長研究可以得出，盡管缺少生物鐘機制會降低藍藻對光-暗條件的適合度代價，但會允許菌株在光-暗循環(huán)過程中生長。

針對RpaB活性的研究較少。該轉(zhuǎn)錄因子充當(dāng)基因表達的光響應(yīng)調(diào)節(jié)物，與細(xì)胞生物鐘無關(guān)?？刂芌paB表達水平或磷酸化狀態(tài)會影響光-暗條件下藍藻的生長，但其輸出與RpaA的重疊方式尚不清楚。當(dāng)RpaA作為細(xì)胞生物鐘的**輸出信號時，RpaB將環(huán)境光照狀態(tài)的信號饋送給細(xì)胞，這兩個信號的集成對于光-暗循環(huán)細(xì)胞適合度至關(guān)重要。

染色體拓?fù)?br />
在晝夜節(jié)律過程中，藍藻的一個**變化是染色體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。S. elongatus染色體或質(zhì)粒的致密程度因時間而異，有時致密、且高度超螺旋，有時則處于解旋狀態(tài)。通過添加DNA螺旋酶**劑釋放螺旋，可以觀察到基因表達模式的變化。加入**劑后，高度螺旋狀態(tài)的染色體基因組基因表達減少，解旋狀態(tài)的染色體基因組基因表達增加，這與染色體拓?fù)錉顟B(tài)改變的預(yù)期相一致。DNA壓縮和螺旋與轉(zhuǎn)錄輸出之間的關(guān)系顯示了細(xì)胞另一種可能的調(diào)控機制。基因組的組織、緊密性和對相互作用蛋白質(zhì)的可及性如何影響基因表達、蛋白質(zhì)定位和細(xì)胞分裂有待進一步的研究。

細(xì)胞能量水平

由于藍藻光合作用和分解代謝的時間階段分割，光暗兩種情況下ATP/ADP和NADPH/NADP+比值不可避免地會發(fā)生變化。幾十年來，許多研究人員對光-暗循環(huán)過程中ATP變化的動態(tài)進行了測定，但結(jié)果各不相同。據(jù)報道，在環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹诎岛蟮那?分鐘S. elongatus細(xì)胞內(nèi)ATP水平急劇下降，然后在20-60分鐘內(nèi)恢復(fù)到接近黑暗前的水平。*近，Rust等在更長的黑暗時長內(nèi)進行了類似的測定研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管S. elongatus細(xì)胞內(nèi)ATP水平恢復(fù)很快，但在黑暗暴露期間細(xì)胞內(nèi)ATP水平總體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，可達到黑暗前水平的50％、并且一直保持較低水平，直到重新引入光照后之后細(xì)胞內(nèi)ATP水平才迅速恢復(fù)。這種變化能夠影響到細(xì)胞整體。例如，ATP濃度直接影響晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)蛋白的狀態(tài)及其對RpaA激酶SasA的刺激。

細(xì)胞氧化還原

細(xì)胞內(nèi)氧化還原的平衡對于細(xì)胞在光-暗循環(huán)條件下的生長至關(guān)重要。在夜間，突變體無法通過氧化戊糖磷酸途徑產(chǎn)生足夠量的NADPH，導(dǎo)致細(xì)胞消除活性氧的能力減弱，這就需要減少NADPH的還原能力。因此，通過降低氧化戊糖磷酸途徑過程活性來限制夜間NADPH的產(chǎn)生量，可能對光合自養(yǎng)微生物的**代謝和調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化還原作用后果。

藍藻和植物葉綠體中的一個共同研究主題是蛋白質(zhì)的氧化還原依賴性調(diào)節(jié)。盡管光合作用和氧化戊糖磷酸途徑都會產(chǎn)生NADPH，但是隨著光合作用的停止，黑暗條件下還原物質(zhì)含量下降，NADH水平上升，導(dǎo)致NADPH/NADH比值降低，使得氧化還原的變化更加復(fù)雜。總的來說，在光-暗循環(huán)過程中細(xì)胞內(nèi)NADPH和NADP+水平的變化高于ATP的變幅。此外，光-暗循環(huán)驅(qū)動細(xì)胞氧化狀態(tài)的變化控制代謝酶的氧化修飾，可導(dǎo)致酶活性的變化(圖1)。

黑暗中在細(xì)胞蛋白質(zhì)水平?jīng)]有明顯變化的情況下，代謝酶的氧化還原修飾在代謝中起主要作用。事實上，黑暗中細(xì)胞生存所需的許多酶都需要進行氧化還原修飾，包括Zwf，Gnd，GlgC，GlgA，GlgP和氮同化調(diào)節(jié)酶。細(xì)胞以控制氧化還原和光照的方式通過CP12**卡爾文循環(huán)酶Gap2和Prk進行氧化還原調(diào)節(jié)，直接介導(dǎo)卡爾文循環(huán)和氧化戊糖磷酸途徑活性之間的臨界轉(zhuǎn)移。此外，許多氧化還原活性蛋白質(zhì)和小分子(硫氧還蛋白、鐵氧還蛋白、過氧還蛋白和谷胱甘肽)可以直接修飾目標(biāo)蛋白巰基并影響酶活性。盡管細(xì)胞在光-暗循環(huán)生長過程中的氧化還原調(diào)節(jié)機制仍存在許多問題，但維持氧化還原穩(wěn)態(tài)對藍藻夜間代謝過程是至關(guān)重要的。

信號核苷酸
越來越多的證據(jù)表明，在光-暗循環(huán)條件下細(xì)胞內(nèi)信號核苷酸起到信使的作用。在藍藻中，轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子cAMP，c-di-AMP，c-di-GMP和ppGpp的水平均與光照有關(guān)，尤其是ppGpp。由光照到黑暗條件的轉(zhuǎn)變后，S. elongatus合成ppGpp，這對維持細(xì)胞在黑暗條件下的適合度至關(guān)重要。黑暗條件下不能生成ppGpp的細(xì)胞生存能力受到危害，然而目前機制尚不清楚。

c-di-AMP是藍藻中新發(fā)現(xiàn)的信號核苷酸，對S. elongatus在黑暗中的存活也很重要。細(xì)胞內(nèi)環(huán)化酶cdaA的失活會導(dǎo)致氧化應(yīng)激增加，降低光-暗循環(huán)過程中物種的生存率。在厚壁菌Firmicutes中c-di-AMP和ppGpp水平是相互聯(lián)系的，這在藍藻中需要光-暗循環(huán)生長過程中兩者之間活性的相互協(xié)調(diào)；然而，這種潛在的聯(lián)系仍有待探索。

藍藻之外

植物和真核藻類對晝夜循環(huán)適應(yīng)過程中的代謝變化起到了主要作用，并影響全球生物地球化學(xué)循環(huán)，如二氧化碳平衡。植物能夠通過使用感光體，響應(yīng)光的質(zhì)量、強度和持續(xù)時間的變化、并做出持續(xù)的生理調(diào)節(jié)。光-暗循環(huán)條件下光周期的變化暗示植物經(jīng)歷生長、發(fā)育和代謝的不同階段。例如，在Arabidopsis中，黑暗條件誘導(dǎo)了80多個基因的表達，這些基因參與編碼光系統(tǒng)II**、淀粉降解、葉綠體翻譯**和氧化還原調(diào)節(jié)等功能，與我們在藍藻中觀察到的結(jié)果相似。

從經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)角度看，植物對黑暗和光-暗循環(huán)的反應(yīng)也很重要。例如，甘藍和卷心菜等綠葉蔬菜的采后在光-暗循環(huán)條件下貯藏，與恒定環(huán)境條件下對照相比，組織完整性、葉綠素含量和硫代葡萄糖苷水平均有提高，**改善了作物的外觀和健康價值。

此外，光合生物并不是**在光-暗環(huán)境中與氧化應(yīng)激作出響應(yīng)的生物，其他異養(yǎng)生物也存在相似的預(yù)防機制。例如，攝食花蜜的昆蟲在經(jīng)過飛行后，新陳代謝的增加伴隨著活性氧的產(chǎn)生。跟藍藻類似，天蛾在休息期間通過氧化戊糖磷酸途徑產(chǎn)生NADPH，以維持足夠數(shù)量的還原型谷胱甘肽，作為抗氧化劑消除氧化應(yīng)激過程中生成的活性氧(圖2)。在其他動物中，這種劇烈運動后的氧化應(yīng)激管理策略或許也很重要。