科学网微藻，南极和“青稞”

提示：爱好生物学的可从第一段读起，爱好“青稞”（青科）靓照和辛酸故事的请直奔最后部分。如果你看多了那些神人神操作的故事，或许在我们普通人之间对于科研和职业精神的朴实理解更有惺惺相惜的感觉。

地球上最冷的区域当数南极大陆。那里最低气温可达到-89.2oC，约有99.8%的面积被平均2公里厚的冰层覆盖（图1）。虽然如此，在没有冰盖的区域地表温度常年在-35oC ~ 5oC范围内波动。南极的动植物生活在有季节性融水的无冰盖区域，而微藻和其他微生物则不仅生活于这些区域，还能生活于雪地、海冰和封存于冰盖之下的湖泊之中。南极与其他大陆的动植物群落相互隔绝，但是其他大陆的微生物却可以通过大气层流等途径达到南极。

                   图1. 南极正面观。一些山脊（右上角图）和海岸带（右下角）有裸露的陆地（网络下载图片）

南极为何如此寒冷？在地质史上，南极是从冈瓦纳大陆分离出来的。约在3400万年到3300万年前，CO2浓度和气温骤降，冰层覆盖南极。约2300万年前，南极洲与南美洲完全断开，成为孤立的大陆，环南极洋流隔断了南极与外界的热量交换。较少的太阳辐射、冰层的反射加上洋流的隔温作用，导致南极成为地球上最为寒冷的区域。随大陆漂移带去南极的嗜温微生物在经历地质史上迅速冷却的时期后可能成为嗜冷微生物；另一方面，后来被大气层流转移到南极的微生物也可能演化出抗冻能力和在低温下生长的能力。

生活在无冰盖地区的南极微生物需要在冰冻时期保持存活力，在0oC左右温度时保持细胞活性和生长能力。抗冻能力主要依靠冰晶结合蛋白和LEA蛋白（最早发现于植物胚胎发育晚期，称为Late Embryogenesis Abundant protein，后发现于其他各类生物）的作用；有关细胞如何在低温下保持生化反应速率，目前认为主要是基于冷适应酶或嗜冷酶的作用。与同源的嗜温酶相比较，嗜冷酶积累了一些突变，导致蛋白整体结构或活性位点周围结构柔性增加、催化反应最适温度降低（图2）。但是，积累这类突变需要较长的时期，细胞在低温下的生长又需要许多酶都获得冷适应。因此，在酶获得冷适应之前，细胞如何尽快获得生长能力，成为温带微生物适应南极环境的关键环节，也是一个尚未解答的重要问题。

                                       图2. 嗜冷酶(蓝色)与同源的嗜温酶(红色)温度适应性的差异

大约20年前，本实验室从南极中山站附近一处季节性积水的石块上分离到小球藻（Chlorella vulgaris）NJ-7（图3），其18S rRNA-ITS1-5.8S rRNA序列与从北温带分离到的小球藻UTEX259完全一样，ITS2和28S rRNA也仅各有2~3 bp的差异，应为同一种。两个藻株在20oC时生长几乎没有差异，但在4oC时只有NJ-7能够生长；NJ-7比UTEX259在-20oC的抗冻力也有大幅提高（图4）。光合作用的温度适应性进一步显示NJ-7实际上是一个嗜温藻株，只是已发展出在低温下的生长能力。

                               图3.小球藻南极株显微照片和在冰箱中生长的情形