海洋微生物的环境适应性：基因调控与未来应用

摘要：在地球的生态系统中，微生物扮演着至关重要的角色。它们不仅构成了生物圈的基础，还在全球的物质循环和能量流动中发挥着关键作用。近期，一项由美国科罗拉多大学博尔德分校和橡树岭国家实验室的研究人员共同开展的研究，揭示了海洋微生物如何通过基因调控来适应极端环境，并为未来

本文来源于“海洋与湿地”（OceanWetlands）：

文 | sara

©张效唯摄影 | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

在地球的生态系统中，微生物扮演着至关重要的角色。它们不仅构成了生物圈的基础，还在全球的物质循环和能量流动中发挥着关键作用。近期，一项由美国科罗拉多大学博尔德分校和橡树岭国家实验室的研究人员共同开展的研究，揭示了海洋微生物如何通过基因调控来适应极端环境，并为未来的生物技术创新提供了新的思路。研究发表于《美国科学院院刊》（PNAS）。

海洋是地球上最大的生态系统之一，海洋中的微生物种类繁多，其中，蓝藻是地球上最丰富也最古老的光合生物，能够适应多样的环境变化。这些蓝藻通过光合作用产生氧气，对地球的生态平衡有着不可忽视的影响。然而，海洋环境复杂多变，温度、光照强度和盐度等因素的变化对微生物的生存构成了巨大挑战。随着全球气候变化的加剧，海洋环境的极端化趋势愈发明显，研究微生物如何适应这些变化变得尤为重要。

©张效唯摄影 | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

在这项研究中，研究人员采用了CRISPR干扰（CRISPRi）技术，这是一种基因编辑工具的衍生技术，能够精确地调控基因的表达水平。与传统的CRISPR-Cas9基因编辑技术不同，CRISPRi不会直接切割DNA，而是通过结合到目标基因上，抑制其转录过程，从而降低基因的表达水平。这种方法为研究基因功能提供了一种更为温和且可逆的手段。

研究人员选择了海洋中的蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002作为研究对象。这种蓝藻广泛分布于海洋中，并且具有很强的适应性。通过CRISPRi技术，研究人员对蓝藻基因组中的每一个基因进行了逐个抑制，观察其在不同光照和温度条件下的生长情况。这些实验条件模拟了海洋中不同深度的环境，从而能够更全面地了解蓝藻在自然环境中的适应策略。

研究结果表明，即使是非常微小的基因表达变化，也能显著影响蓝藻在极端环境中的生存能力。例如，在高温或低温条件下，某些基因的适度抑制能够帮助蓝藻更好地适应环境变化。这种适应性并非通过基因的完全关闭，而是通过精确调控基因的表达水平来实现的。研究人员发现，适度的基因表达抑制往往比完全关闭基因更能提高蓝藻的适应性。这表明，基因表达的精细调控是微生物适应环境变化的重要机制之一。

此外，研究人员还发现，蓝藻在不同光照条件下的基因表达模式也存在显著差异。在强光条件下，与光保护相关的基因表达增加，而在弱光条件下，与光能利用效率相关的基因表达则更为活跃。这种基因表达的灵活性使得蓝藻能够在不同的光照强度下保持高效的光合作用，从而在复杂的海洋环境中生存下来。

©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

这项研究为未来的生物技术创新提供了新的方向。通过深入了解微生物在极端环境中的生存策略，研究人员可以设计出更高效的人工合成微生物。这些微生物可以用于生产生物燃料、生物塑料和其他可持续的化学品，从而减少对传统化石燃料的依赖。比如，通过基因工程改造蓝藻，使其能够在更广泛的环境条件下高效地进行光合作用，可以提高生物燃料的产量和质量。

此外，这项研究还为应对气候变化提供了新的思路。随着全球气候的不断变化，海洋环境的极端化趋势愈发明显。了解微生物如何适应这些变化，可以帮助我们更好地预测生态系统的变化趋势，并制定相应的保护措施。通过培育能够适应更高温度和更极端光照条件的微生物，可以增强海洋生态系统的稳定性和韧性。

本文仅代表资讯，供读者参考，不代表平台观点。编译 | Sara审核 | YJ排版 | 绿叶

【参考资料】

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2412625122

Hren, A., Lollini, N., Carper, D. L., Abraham, P. E., Cameron, J. C., Fox, J. M., & Eckert, C. A. (2025). High-density CRISPRi screens reveal diverse routes to improved acclimation in cyanobacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(12), e2412625122.

https://www.colorado.edu/chbe/ocean-microbes-offer-clues-environmental-resilience

海湿·往期相关报道