日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）超先锐研究开发部门的长谷川万纯博士后研究员、JAMSTEC生命理工学中心的西村阳介研究员、中岛悠特任研究员的研究团队与东京大学、理化学研究所、冈山大学共同宣布，从已知最古老的光合生物“蓝藻”（氰基细菌）中，发现了不同于以往光合作用的光利用系统——“微生物视紫红质”的新类群，并将其命名为“氰基胰蛋白酶-II（CyR-II）”。该研究表明，蓝藻可能通过获取视紫红质来适应多种多样的光环境并实现进化。相关研究成果已于11月1日发表在国际学术期刊《The ISME Journal》上。
图1：本研究探索的来源于氰基细菌的视紫红质和已报道功能的视紫红质的分子系统树。绿色线表示来自氰基细菌，黑色线表示来自其他微生物的视紫红质序列。红色突出显示的小组是本研究中发现的“氰基胰蛋白酶-II”。（供图：海洋研究开发机构（JAMSTEC））
在以海洋为代表的水环境中，携带叶绿素进行光合作用的蓝藻和藻类将太阳发出的光能吸收到生态系统中，为生态系统带来有机物。另一方面，与光合作用截然不同的光利用系统“微生物视紫红质”在21世纪初被发现。视紫红质一直被认为是不进行光合作用的异养微生物所特有的光能利用机制，但在蓝藻和藻类中也发现了视紫红质基因，这表明微生物的光利用方式比既往认为的更加多样。然而，蓝藻的大规模视紫红质基因多样性调查此前尚未开展。
研究团队此前报告称，大多数具有视紫红质基因的蓝藻栖息于淡水环境中，并且存在仅蓝藻才具有的CyR。CyR利用光能从细胞内向细胞外释放氢离子从而产生化学能，并会利用光合作用中不被利用的绿色光，因此携带CyR的蓝藻被认为会同时利用光合作用和视紫红质。
此次，研究团队利用从各种环境中获得的宏基因组信息，探索了蓝藻携带的视紫红质基因。
结果，研究发现了仅蓝藻才具有的新型视紫红质类群“CyR-Ⅱ”。对其功能进行调查后发现，“CyR-II”存在利用绿光和利用黄光的两种类型。
此外，研究团队还从蛋白质的结构入手，调查了导致光利用颜色差异的原因，结果发现，这种差异源于结合在视紫红质内的视黄醛色素（维生素A的一种，吸收光后会异构化，并通过其变化传递信号）周围的微小结构差异。
研究表明，所利用的光的颜色与具有“CyR-II”的蓝藻的生存环境密切相关，利用绿色光的“CyR-II”分布在红树林和沿岸的微生物垫及生物膜中，利用黄色光的“CyR-II”分布在沉积物和土壤中。由此可以认为，蓝藻已经适应了各自不同的光环境。
此外，还发现，蓝藻还通过基因水平转移获得了除“CyR-II”之外的多种视紫红质并实现进化。
长谷川博士后研究员表示：“‘蓝藻会进行光合作用’，这是生物教科书上也写着的常识。此次，我们通过结合基因信息分析、分子生物学、光谱学和结构生物学，揭示了‘蓝藻不仅会进行光合作用，“还会”利用视紫红质适应各种光环境’。未来，我们希望通过生理学分析来揭示视紫红质在蓝藻细胞内发挥着怎样的作用。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：The ISME Journal
论文：Cyanorhodopsin-II represents a Yellow-Absorbing Proton-Pumping Rhodopsin clade within Cyanobacteria
DOI：10.1093/ismejo/wrae175
