南极是地球上最冷的区域之一，低温是极地生态环境最基本的特征，海水和海冰的温度常年在0℃以下，海冰的温度甚至可以低至-50℃^[1]。此外，还有季节性的光照、臭氧空洞造成的强紫外辐射以及海水-海冰反复冻融造成的盐度大幅度变化等特点^[2]。南极冰藻是生存在南极海水、海冰及冰川融水等极端环境中各类微藻的总称^[3]，是南极生态系统中重要的生态群体和食物链的关键组成部分^[4]，也是夏季南大洋海冰-海水生态系统中主要的初级生产力来源^[5]，冰藻对南极海冰区初级生产力的直接贡献率超过20%^[6]。

低温、季节性光照和强紫外辐射是南极地区最显著的环境特点，冰藻对南极极端环境适应性机制的研究主要集中在这些方面，冰藻需要有特殊的适应机制来响应比其他地区更恶劣和剧烈变化的南极环境。20世纪90年代以后，随着南极地区生态学研究计划的进行，各国科学家对冰藻的生理生化特性以及环境适应性机制等方面开展了大量的研究工作。目前，南极冰藻中小球藻（Chlorella sp.）、衣藻（Chlamydomonas sp.）和角毛藻（Chaetoceros sp.）等种属的环境适应性机制已有广泛和深入的研究^[4]。近年来随着现代分子技术的日益成熟，其环境适应性机制的研究逐渐深入到基因和分子水平。基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学的研究以及新基因和新的代谢途径等的发现，有助于人们揭示和阐述南极冰藻的极端环境适应机制。本文综述了当前在南极冰藻的低温、光照和强紫外辐射适应性及其抗逆基因研究等方面的最新进展。以期从多方面阐述和揭示南极冰藻的极端环境适应机制，使人们能更清晰的了解南极微藻在整个地球化学循环过程中的作用。

1 南极冰藻对低温的适应性

低温适应性是南极冰藻最基本的适应性特征。冰藻对温度逆境的适应主要在于其生物膜系统的稳定性，这是其胞内细胞膜的流动性机制、细胞膜不饱和脂肪酸的变化机制、抗冻蛋白及冰活性物质、低温酶的作用机制等共同作用的结果。在极地环境中，不同脂肪酸组分的积累在生物的生存策略中发挥了极其重要的作用^[4]。极地的低温环境显著地影响到脂肪的代谢，脂肪酸的不饱和化是冰藻低温适应的重要策略^[4]。冰藻通过增加细胞膜磷脂脂肪酸的不饱和度、降低碳链长度和增加支链脂肪酸的含量等方式，保持细胞膜的最佳流动性，从而维持细胞在低温下的正常生理功能。因此，膜系统和脂肪酸的研究是南极冰藻低温适应性研究的热点。

Tonon等^[7]在南极小球藻Chlorella sp.中的研究发现，随着温度的降低，Δ12脂肪酸（16：2、16：3、18：2、18：3）的总量升高；而在舟形藻Navicula sp.中随着温度的升高20：5不饱和脂肪酸含量降低^[8]。Hu等^[9]发现南极小球藻Chlorella vulgaris的抗冻能力与其胞内的C18：3脂肪酸含量相关。4℃和15℃条件下，南极小球藻Chlorella vulgaris NJ-7中Δ12去饱和酶基因的表达量分别是25℃时的4.9倍和3.2倍，说明低温下NJ-7胞内不饱和脂肪酸的含量明显增加^[10]。最适生长温度条件下，同种属极地微藻中的长链多不饱和脂肪酸EPA和DHA的产出效率高于该种属的温带微藻^[11]。Teoh等^[12]研究了分别来自南极、温带和热带海洋的衣藻、小球藻和舟形藻的温度适应性发现，只有南极衣藻C. UMACC 229在4-20℃时能显著产生多不饱和脂肪酸（PUFA），并且PUFA中十六碳三烯酸（16：3）占到总脂肪酸含量的约50%（48.4%-57.2%），PUFA总量占总脂肪酸的65.7%-76.5%。在南极舟形藻N. glaciei UMACC 231中，4-20℃时单不饱和脂肪酸（MUFA）占总脂肪酸比值较大（28.4%-59.3%），且主要是十六碳烯酸（25.4%-56.3%），PUFA所占比例只有11.6%-30.9%；而在南极小球藻C. UMACC 237中，饱和脂肪酸占67.2%-84.2%^[12]。这些研究结果说明环境温度对脂肪酸的影响显著，不同种属南极微藻中脂肪酸的组成和含量对温度变化的响应结果不同，显然，各种南极微藻中脂肪酸对低温环境的适应性策略和机制是明显差异的。

南极微藻对低温的适应不仅是增加细胞膜磷脂中不饱和脂肪酸的含量，也许更重要的是在叶绿体膜组成中增加半乳糖脂的含量^[13]，这一研究结论在南极衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L中同样获得了证实。在-20℃低温处理后，C. ICE-L类囊体膜中的单半乳糖脂和双半乳糖脂的含量均明显增加，同时类囊体膜脂肪酸的不饱和度随低温胁迫时间的延长而增大，其中十八碳-9，12，15-三烯酸（18：3ω9）的含量增加明显^[14]。低温和弱光胁迫过程中，完整PS I复合物、ATP合成酶、细胞色素b6f和RuBP羧化酶能够保持稳定；同时，叶绿体中叶绿素a与类囊体膜中单半乳糖脂、十六烷酸和十八碳-9，12-二烯酸的变化存在一致趋势，表明C. ICE-L的类囊体膜在低温下的稳定性和弱光环境中完成光合作用是细胞内色素、类脂、脂肪酸和色素蛋白复合物等相互协调作用的结果^[14]。C. ICE-L在低温、高盐和缺氮的条件下胞内会大量积累脂肪颗粒，这可能是其在应对南极低温和漫长的极夜等恶劣的环境过程中形成的自我保护机制^[15]。

冰结合蛋白（Ice-binding protein，IBP）或者称作抗冻蛋白（Antifreeze protein，AFP），在南极冰藻的低温适应性机制中具有抑制冰晶凝结和防冻液的作用^{[16, 17]}，同时还可以在一定程度上改变冰晶的结构，构造适合冰藻生存的环境^[18]。低温胁迫时，南极角毛藻Chaetoceros neogracile的冰结合蛋白可以将细胞周边冰晶的形状由圆盘形改变为细长的六角形^[19]。南极衣藻C. raudensis UWO 241培养液中上清液在1℃时具有明显的冰结合蛋白活性，通过转录从中获得了冰结合蛋白基因序列，而在温带衣藻中则未发现该蛋白基因序列^[20]。南极淡水拟衣藻Chloromonas sp.的冰结合蛋白基因表达量在温度下降时增加，而在温度升高时降低；其蛋白三级结构预测显示该蛋白是右手β螺旋结构，模型预测显示β-2面是IBP蛋白与冰的结合区域^[21]。

蛋白酶抑制分析表明，南极和中温蓝藻Synechocystis salina分别使用不同的蛋白酶类响应温度和UV-B辐射的胁迫，在小球藻Chlorella vulgaris中也是相似的^[22]。在中温蓝藻S. salina和C. vulgaris中，蛋白酶的数量和质量对温度和UV-B变化的响应更敏感^[22]，这可能是极地藻已经适应了低温和强辐射的环境，因此所产生的应激响应不明显。

除了脂肪酸、冰结合蛋白、低温酶等在冰藻低温适应机制中发挥主要的作用外，胞内的氨基酸和多糖类等也有助于降低细胞内的冰点以及维持酶的低温下稳定催化活性^[4]，如C. ICE-L中的脯氨酸和可溶性糖在其低温适应的过程中发挥了一定作用^[23]，Lyon等^[24]对极地硅藻蛋白组学的研究也表明低温下7种蛋白含量的增加与其胞内的脯氨酸合成有直接关系。

2 南极冰藻对季节性光照和强紫外辐射的适应性

南极大陆边缘每年有近4个月的时间处于极夜，这段时间内冰藻会完全生活在黑暗中，研究显示冰藻对黑暗的最长耐受时间可达9个月^[4]，而当温度和光照恢复后，它们又会迅速的恢复增长甚至形成藻华^[25]。南极冰藻的生长对于低温和黑暗具有自我保护，低温和黑暗会抑制冰藻的生长。在抑制期内，南极衣藻Chlamydomonas sp.细胞内环境保持稳定；当温度升高（由-4℃升高到4℃）时，其生长速度则明显加快^[26]。不同冰藻的捕光天线结构的不同引起对光能的利用机制和效率不同，从而造成了其生存环境的差异，如南极硅藻F. cylindrus可以利用非光化学淬灭和叶黄素循环来调整光能量的分配，其光系统结构适于海冰的有限光环境中吸收更多的光能量，从而最大限度的进行光合作用，但其却不能生存在海水中；另一种硅藻P. subcurvata则只能生活在有稳定光照的浅水环境中；角毛藻Chaetoceros sp.的光系统能力介于二者之间，在大洋和海冰中均能生存^[27]。当光照的强度超过正常辐照强度时（ > 10倍），南极衣藻C. raudensis UWO241可以通过增加细胞的生长率来抵消光照幅度增加的影响，而不是表现出光的生长抑制；而南极小球藻Chlorella sp. BI则是通过调整细胞内光系统PS I和PS II的动态平衡来调整光吸收能力从而维持最佳的光合作用状态^[4]。

南极臭氧层破坏所带来的强紫外辐射对微藻等单细胞生物有致命性的危害^[28]。南极微藻首先可借助南极大量的雪和冰层屏蔽UV-B辐射，但当冰雪层融化后，浮游植物最容易受到UV-B的损伤^[2]，UV-B增强导致浮游植物固定CO₂减少，增强了温室效应^[29]；高能量的UV-B辐射不仅直接伤害生物细胞中的蛋白质、色素、脂类和DNA等^[30]，而且产生超氧自由基和形成嘧啶二聚体，超氧自由基会导致DNA链的断裂，而嘧啶二聚体能阻碍DNA的复制和转录，阻止遗传信息传递，大大降低微生物的生长和繁殖速度^[31]。但南极衣藻C. ICE-L中的实验结果显示，UV-B辐射的影响并非如预测的显著。本课题组的研究成果已初步证实南极衣藻C. ICE-L中CPD光修复酶对DNA紫外线辐射损伤的修复功能^[32]，所获得光修复酶基因在大肠杆菌体内验证表达具有光修复酶活性，体外检测表明该光修复酶对紫外辐射所形成嘧啶二聚体的修复率达91.52%^[33]。

Rautenberger等^[34]研究了7种南极海冰微藻（4种褐藻、3种红藻）对低温和紫外辐射的耐受力，包括潜在光化学反应能力（F_v/F_m）、清除自由基能力等。2℃时3种红藻对紫外辐射非常敏感，F_v/F_m下降非常明显，而在7℃时F_v/F_m的变化却不明显，说明在7℃时UV耐受力明显增加^[34]。温度升高后时7种冰藻对UV的耐受度均不同程度增强，是由于温度升高后细胞自身活力增强，其自身的光损伤修复能力也随之增强，使得对UV的损伤修复和耐受度增加，说明细胞的紫外辐射耐受度是受到温度影响的，同时也证明了冰藻中光损伤修复机制的重要作用。在A. mirabilis中，UV增强引起胞内可溶性多酚清除自由基能力的增加，能够大幅度提高其对UV的耐受度；而在H. grandifolius中，7℃时UV对细胞的损伤影响则被自身修复作用完全抵消了^[34]。在南极大型藻褐藻L. nigrescens和D. antarctica中，强光照下15℃时胞内可溶性物质的抗氧化活性与多酚含量是与紫外辐射的强度是正相关的，而在弱光下15℃处理6 h后，F_v/F_m增加同时脂类过氧化保护作用降低，说明其在弱光下保留了自身的光保护和修复能力^[35]。同样，南极潮下带的大型褐藻D. anceps在上层潮区是通过增加超氧化物歧化酶活性来提高光合系统的氧应激能力并保护光系统以抵御强光辐射带来的损伤，同时，胞内多酚的含量增加也增强了对UV的耐受力；而在潮下带的下层区，光线透过率低，D. anceps则需要调整光捕获能力来增强弱光环境下的光合作用^[36]。Huovinen等^{[37, 38]}的研究结果也显示，随着水深的不同和辐照光强的差异，大型藻对光的利用机制和紫外辐射损伤的修复机制是不同的。这说明南极大型藻中UV的耐受力和光系统自我保护机制也是因环境而变的，同一物种在应对环境胁迫时，环境因子的胁迫量不同其适应机制也是不同的，这与南极冰藻中的研究结论一致。

冰藻细胞中存在的强大抗氧化系统是其抵御南极环境中强紫外辐射和高活性氧的保障，其胞内存在大量能消除自由基的物质，如谷胱甘肽系统、过氧化物酶、超氧化物歧化酶等通过氧化还原反应消除氧自由基^{[4, 39, 40]}。南极硅藻Chaetoceros brevis中，随着辐射强度的增强，胞内叶黄素循环增加，同时超氧化物歧化酶活性增强，以消除辐照增强所带来的氧自由基增加，保护细胞免受氧化损伤^[41]。南极硅藻Chaetoceros neogracile中存在着抗坏血酸还原酶、谷氧还原蛋白、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽巯基转移酶和交替氧化酶等多种抗氧化酶，极地冰藻中细胞免受氧化损伤的结果是多种抗氧化酶共同作用所产生的^[42]。多不饱和脂肪酸在冰藻的低温适应性机制中作用非常重要，同时其非常易于氧化，谷胱甘肽巯基转移酶可以与亲电中心结合成络合物以保护多不饱和脂肪酸免受过氧化氢等氧化反应的氧化^[4]。谷胱甘肽系统的上述作用已经在南极衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L^[43]和硅藻Fragilariopsis cylindrus^[24]中得到了证实。

3 南极冰藻的抗逆基因研究

南极冰藻环境适应性机制的研究已进入基因组学水平。极地冰藻的基因组可提供给人们很多关于冰冻圈内以前未知的基因、蛋白和代谢途径等有价值的信息^[4]。南极单细胞绿藻Coccomyxa subellipsoidea C-169是第一个完成全部基因组测序的极地真核微生物^[44]，其基因组中包括了脂肪酸合成酶、去饱和酶及酯酶等大量的脂肪酸酶家族基因，而细胞膜脂肪酸的不饱和化是冰藻对低温胁迫的重要响应机制^[4]。相对于同种属的温带微藻，C-169的基因能合成更多的氨基酸转移酶和跨膜转运蛋白，以促进细胞营养元素的吸收和富集^[44]。此外，极地硅藻Fragilariopsis cylindrus的全基因组测序也已完成并公开^[45]，在其经过鉴定的56个蛋白中发现有3个是以前未知的^{[4, 24]}。Raymond等^[46]在南极雪藻拟衣藻Chloromonas sp. CCMP681中发现包括抗冻蛋白在内的多条有价值的功能基因。此后，通过转录获得了南极衣藻C. raudensis UWO 241的冰结合蛋白基因，并最终通过异源表达和纯化验证获得了高纯度的冰结合蛋白^[20]。南极角毛藻Chaetoceros neogracile的冰结合蛋白基因中开放阅读框长度为849 bp和282个氨基酸，蛋白分子量是29.2 kD^[19]。南极拟衣藻Chloromonas sp.中冰结合蛋白基因长度为3.2 kb，含有12个外显子，其蛋白的分子量是34.0 kD^[21]。

不同生态环境中存在的同一物种或种属生物的基因差异和环境适应变化的比较对生物环境适应性的研究更具有价值，目前也已有学者开始了这方面的研究^{[12, 47]}。广泛分布于世界各地海洋和淡水，包括高山冰川中的衣藻（Chlamydomonas sp.）便是这样一种重要的模式藻种^[16]。淡水中有著名的莱茵衣藻（C. reinhardtii）^[16]，在南极地区有C. raudensis UWO241^[48]和C. ICE-L^{[14, 15]}，北极海冰中有C. ARC^[49]，此外还有高山冰雪中的C. nivalis^[50]等。

基因表达的变化是南极冰藻适应极端环境的重要响应^[51]。Chong等^[51]从南极小球藻Chlorella UMACC 234中筛选出22个响应温度胁迫（4℃、20℃和30℃）的差异基因并研究了其表达情况，这些基因主要与细胞的维持、光合系统、电子转移和碳水化合物的代谢相关联，其中叶绿体蛋白PSII-CP47在4℃时的表达量是20℃时（最适生长温度）的3倍^[51]。南极衣藻Chlamydomonas sp. ICE-L中，Liu等^[52]克隆得到编码651个氨基酸的热激蛋白Hsp 70的基因全长序列；Zhang等^[53]克隆得到编码434个氨基酸的ω-3脂肪酸脱氢酶的基因全长序列，基因表达分析发现热激蛋白Hsp 70和ω-3脂肪酸脱氢酶均能够应答低温和高盐度的胁迫^{[52, 53]}。

本课题组近期在南极冰藻基因组学及逆境胁迫相关基因和蛋白的功能验证、转录组测序、基因和蛋白表达调控分析等方面开展大量工作^{[15, 32, 54, 55]}，已完成南极冰藻Chlamydomonas sp. ICE-L中转录组的测序及分析。对C. ICE-L中与光捕获和光防护相关的集光复合体（Light harvesting complex，LHCs）的研究发现该复合体能够应答光照和盐度的胁迫^[15]；在强光、高盐和紫外胁迫条件下，F_v/F_m降低，而Lhc SR1和Lhc SR2的基因表达量均有大幅度升高，同时有较高水平的非光化学淬灭，两者呈正相关性，Lhc基因在降低过剩光能防止光氧化对光合系统的破坏中起重要作用^[15]。克隆了C. ICE-L不饱和脂肪酸合成途径中的Δ12、Δ9、Δ6和ω3等几个关键基因，研究了温度在转录水平上对C. ICE-L脂肪酸去饱和酶的调节作用和机制，并在聚球藻Synechococcus 6803中对Δ12CiFAD去饱和酶基因的功能进行了体外表达验证^[54]。分析了盐胁迫下脂肪酸去饱和酶基因的表达，Δ12CiFAD、ω3CiFAD2和Δ6CiFAD基因在应对长时间盐胁迫时具有保护细胞的作用，而ω3CiFAD1基因对高盐度的响应更加敏感^[55]。这些结果表明温度和盐度等环境因素可以通过影响脂肪酸去饱和酶的基因表达及其活性的调控，使C. ICE-L细胞得以迅速改变脂肪酸的组成来适应环境的变化。已获得C. ICE-L中编码579个氨基酸的光修复酶PHR2基因，其与莱茵衣藻中PHR2基因的同源性为68%；通过构建C. ICE-L中光修复酶PHR2基因的原核表达载体，验证了其光修复活性，证实了光修复酶对DNA紫外线辐射损伤的修复功能^[32]，以上在南极冰藻Chlamydomonas sp. ICE-L中的基因和蛋白表达调控的研究为明确南极冰藻适应低温、强辐射以及盐度环境的分子机理奠定了坚实基础。

4 结语

过去的10年间，基因组、转录组、蛋白组学、代谢组学等分子生物学工具和研究手段更多的应用于极地冰藻环境适应性机制的研究中，并取得了巨大的成就。新发现的基因和代谢途径不仅有助于人们更深入的揭示和阐述南极冰藻的极端环境适应机制，而且会对低温酶、嗜冷基因等在生物技术的应用产生深远影响，同时有助于人们更加清晰地了解极地微藻在整个地球生物化学循环过程中的作用。