铁作为一切细胞生物生存所必需的微量元素，在表层海洋中的浓度却严重不足，这极大地限制了海洋微藻（微型浮游植物）的生长。而海洋中广泛分布的微藻可以通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，从而减轻温室效应。因此，约翰·马丁认为通过给海洋补铁，促进微藻的增长，就可以大气降低二氧化碳浓度，从而抑制全球变暖。
然而，后续科学家们进行的多达13次的铁施肥实验得到的碳封存效果却并不理想，这意味着海洋铁假说还有很多基础科学问题没有得到解决，包括蓝藻和硅藻等主要浮游植物如何适应海洋低铁环境、如何响应环境铁浓度变化等基础生物学问题。
探明蓝藻不怕缺铁的原因
最近，CA888亚洲城CA888亚洲城海洋学院姜海波教授团队连续在Science子刊《Science Advances》、地球科学顶刊《Earth-Science Reviews》和《Global Change Biology》发表了多项重要研究成果，揭示了通过海洋铁施肥调控气候变化的可行性和复杂性，并深入揭示了海洋蓝藻感受缺铁和调控铁稳态的分子机制。
科学家们进行了13次中尺度海洋铁施肥
蓝藻在缺铁海域大量分布，貌似它们对缺铁并不敏感。姜海波教授团队究其原因，发现它们有多种对付缺铁的特殊技能，高效的铁吸收方式、特殊的细胞结构等都是蓝藻应对缺铁的策略。相关研究结果已发表在ISME Journal（2015）、Environmental Microbiology (2016、2021、2022)、Applied and Environmental Microbiology（2018、2023）等该领域权威期刊上。
蓝藻（集胞藻PCC6803）野生型和四型菌毛突变株的电镜照片、趋光性运动以及低铁生长表型
（Liu et al. 2022 Environmental Microbiology）
野生型藻细胞（左）和菌毛缺失突变株（右）
野生型藻细胞趋光性运动照片（左）和菌毛缺失突变株趋光性运动照片（右）
野生型藻细胞低铁生长照片（左）和 菌毛缺失突变株低铁生长照片（右）
正是因为蓝藻等浮游植物对海洋缺铁具有很强的适应性，通过海洋铁施肥促进浮游植物固碳进而遏制气候变暖趋势具有很大的难度。首先，除了铁元素的缺乏外，多种大量元素如氮、磷在很多海域也是缺乏的，此外还涉及到多重且复杂的生物、物理和化学过程。姜海波教授受邀在地球科学领域国际顶刊《Earth-Science Reviews》（2024）上撰文，从铁施肥到气候变化过程逐步拆解，详细分析了关键的影响因素，为铁施肥这一地球工程策略解决气候变化问题的未来研究方向、实施与应用提供了新的见解。
姜海波教授将从铁施肥到气候变冷拆解为5个步骤
寻找蓝藻应对缺铁的开关
另一个重要基础科学问题是浮游植物如何感受海洋缺铁？虽然铁是蓝藻所必需的微量元素，但是胞内铁浓度过高也并非好事，高浓度铁会对细胞造成类似重金属毒害的效应。目前已知，在环境铁丰富时，蓝藻利用FurA转录因子发挥抑制功能，阻止铁吸收相关基因的表达。当细胞缺铁时，FurA首先解除抑制，然后IutR开启转录激活功能，启动缺铁适应技能。距离FurA这个全局性转录抑制因子发现，已经接近30年，然而目前科学家仍不清楚除了FurA的转录抑制被解除之外，是否有其他转录因子参与了低铁适应相关基因的表达激活。
姜海波教授团队经过多年的不懈努力终于找到并深入揭示了另一个重要的全局性转录激活因子IutR在蓝藻铁稳态调控中的作用，最新研究成果以“A global transcriptional activator involved in the iron homeostasis in cyanobacteria”发表在Science子刊Science Advances（2024）上。这是继FurA之后又一个新发现的重要转录调控因子，不同于FurA的转录抑制功能，IutR在蓝藻中发挥转录激活功能。这个转录因子的发现，为认识蓝藻响应环境铁浓度变化的信号传导机制提供了新视角。
姜海波教授研究团队的最新研究成果在《Science Advances》上发表，揭示了蓝藻铁稳态调控机制
姜海波教授研究团队首先利用高通量染色体构象捕获技术（High-throughput Chromosome Conformation Capture, Hi-C）发现，在缺铁培养条件下集胞藻三维基因组结构发生显著变化，基因组上0.1M区域的互作强度明显增加。
缺铁与正常条件下集胞藻的三维基因组互作频率变化
结合缺铁条件下的转录组分析发现，该区域是蓝藻缺铁响应基因密集分布区，包括IutR在内的众多基因分布于该区域，并且均在缺铁时显著上调表达，预示着这些基因很可能参与蓝藻的缺铁适应过程。
集胞藻缺铁与正常条件下转录组变化
研究团队通过对集胞藻的遗传操作证明了IutR在缺铁信号转导过程当中发挥的激活基因表达的作用。
集胞藻IutR三突变株的缺铁生理表型与荧光定量RT-PCR
随后，研究团队证明IutR蛋白能够结合并调控包括TonB依赖性铁转运系统在内的多个铁吸收相关基因启动子序列，并预测了全基因组中受IutR调控的靶基因。
Chip-seq分析揭示集胞藻IutR结合DNA的序列特征和潜在靶基因
该研究较为深入地揭示了蓝藻复杂的缺铁信号调控网络，并提出了蓝藻铁稳态调控的新机制：在环境铁浓度充足时，FurA与Fe2+结合并发挥转录抑制功能，铁吸收相关基因不表达或低表达；当细胞处于缺铁环境时，Fe2+与FurA解离，FurA的转录抑制功能被解除；此时转录激活因子IutR被激活，它进一步结合到铁吸收相关基因的启动子上，激活细胞铁吸收以及低铁适应相关基因的表达，以应对低铁环境。
转录因子IutR在蓝藻铁稳态中的调控机制示意图
以上研究工作在国际顶刊《Science Advances》的发表，预示着CA888亚洲城CA888亚洲城在海洋铁施肥科学构想的基础生物学理论方面取得重要突破。CA888亚洲城CA888亚洲城与华中师范大学联合培养博士生刘玲妹与已毕业研究生孙传煜为该论文共同第一作者，CA888亚洲城CA888亚洲城海洋学院姜海波教授和陈未中副研究员为共同通讯作者。该工作得到了武汉菲沙基因信息有限公司的技术支持，受到国家自然科学基金、宁波市科技创新2025重大专项、南方海洋科学与工程广东省实验室自主项目等经费资助。
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