华中师范大学生命科学学院邱保胜教授团队研究论文 “Osmotic signaling governs sunscreen biosynthesis to safeguard desert cyanobacteria against desiccation”近日在mLife 正式上线。该研究以荒漠蓝细菌发菜为材料，揭示了天然防晒物质类菌胞素氨基酸（MAAs）在荒漠适应中的新功能：除抵御紫外损伤外，MAAs 还可作为关键渗透保护物质，通过“防晒+抗旱”的双重作用机制帮助蓝细菌应对极端环境胁迫。研究同时鉴定出一个由 Dsp1–OrrA 组成的双组分信号转导模块，可特异性感知渗透胁迫并诱导 MAAs 生物合成。上述发现不仅重新定义了 MAAs 的生物学功能，还揭示了其生物合成的调控机制，为理解极端环境微生物的适应策略提供了新视角。

全球气候变化正持续加剧土地荒漠化，严重威胁生态安全与可持续发展。荒漠蓝细菌作为生物土壤结皮的核心组分，凭借其在极端干燥条件下“干而不死”的独特生存能力而备受关注。类菌孢素氨基酸（mycosporine-like amino acids, MAAs）被誉为自然界的“天然防晒霜”，广泛存在于蓝细菌、珊瑚等生物体中，能够高效吸收UVB辐射，从而抵御紫外损伤。有趣的是，在资源极度匮乏的沙漠环境中，荒漠蓝细菌发菜（Nostoc flagelliforme）体内积累了高丰度 MAAs，其含量可占细胞干重的 3% 以上。这一现象提示，MAAs在荒漠蓝细菌环境适应中的作用，可能并不局限于传统认知中的“防晒”功能。然而，MAAs 在细胞内究竟发挥何种生物学作用，其合成又如何受到调控，迄今仍缺乏清晰认识。

该研究以荒漠蓝细菌发菜为材料，系统解析了MAAs 在干旱胁迫耐受中的功能及其调控机制。研究发现，渗透胁迫处理，如山梨醇或 PEG 处理，可显著诱导发菜中 MAAs 的合成，说明 MAAs 与干旱适应密切相关。研究人员进一步构建了MAAs合成基因 mysA 的敲除突变株。结果表明，失去MAAs 合成能力后，发菜在脱水胁迫下出现明显的生理缺陷，包括生长受抑、光合效率下降、细胞膜完整性受损以及活性氧（ROS）大量积累。这些结果表明，MAAs 对于荒漠蓝细菌维持干燥耐受能力至关重要。体外功能实验进一步揭示了 MAAs 的保护机制。研究发现，在脱水过程中，MAAs能够有效维持乳酸脱氢酶（LDH）等干燥敏感蛋白的活性，防止其因失水而发生变性失活，其效果与经典渗透保护剂海藻糖相当。同时，MAAs 还具有较强的 ROS 清除能力，能够缓解干燥引发的氧化损伤。也就是说，MAAs 不仅能够帮助细胞减少光损伤，还能够在脱水过程中发挥蛋白保护和抗氧化作用，从而为细胞提供多层次保护。

该研究还进一步解析了 MAAs 生物合成的上游调控通路，鉴定出一个由组氨酸激酶 Dsp1 和转录因子 OrrA 组成的双组分调控系统。该系统能够特异响应干旱或渗透胁迫，并进一步启动 MAAs 的生物合成。无论缺失 Dsp1 还是 OrrA，都会显著抑制渗透胁迫条件下MAAs的诱导积累，并明显削弱发菜的脱水耐受能力。这表明，Dsp1–OrrA 通路是调控MAAs 介导抗旱响应的关键分子开关。从进化角度看，这一机制的意义可能更为深远。系统进化分析显示，MAAs 合成基因簇在陆生蓝细菌中高度保守存在。这提示 MAAs 介导的渗透保护机制可能是蓝细菌在登陆演化过程中，为适应陆地环境间歇性缺水胁迫而逐步形成并保留下来的重要适应策略。

综上，该研究拓展了人们对 MAAs 生物学功能的认识。MAAs 不仅是抵御紫外伤害的“天然防晒霜”，还兼具蛋白稳定和 ROS 清除功能，能够帮助荒漠蓝细菌更好地应对极端干旱环境（图1）。这一发现不仅加深了我们对微生物环境适应机制的理解，也为荒漠生态修复和天然渗透保护剂的开发提供了新的理论依据和研究思路。

图1 Dsp1–OrrA通路调控MAAs生物合成增强荒漠蓝细菌发菜干燥耐受性

引用本论文：Zhao L, Xu H-F, Shang J-L, Li Y, Yin X-Y, Zhang Z-C, et al. Osmotic signaling governs sunscreen biosynthesis to safeguard desert cyanobacteria against desiccation. mLife. 2026;1–16. 

原文链接：https://doi.org/10.1002/mlf2.70075

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