埼玉大学研究生院理工学研究科的西山佳孝教授的研究团队与水产研究和教育机构水产技术研究所（简称 “水产技术研”）联合宣布，针对具有较强鱼类毒性的有害赤潮原因浮游生物 “卡盾藻” 的研究结果显示，“卡盾藻” 大量释放的活性氧（NOX）与光合作用能力保护机制有关。研究表明，作为NOX之一的超氧化物的产生量与鱼类毒性之间存在高度相关性，活性氧的产生给卡盾藻带来了维持光合作用能力和排除竞争生物等优势。该成果有望促进赤潮灾害预测等技术的开发。相关研究成果已于9月13日发表在期刊《Harmful Algae》上。
图：卡盾藻的超氧化物产生机制和鱼类毒性诊断技术的概要（供图：埼玉大学）
赤潮主要在夏季频发于西日本地区，会给水产养殖业带来巨大破坏。典型的有害赤潮原因浮游生物 “卡盾藻” 目前已知会向细胞外大量释放一种活性氧—— “超氧化物”，但其原因和机制此前并不明确。
此次，研究团队从卡盾藻中提取了含有NOX的膜片段，并研究了超氧化物的产生。结果发现，超氧化物的产生依赖于还原型辅酶Ⅱ（NADPH）。并且还证实了通过对NOX使用特异性抑制剂，可以抑制其产生。
为了研究其具体机制，研究团队比较了对鱼类毒性较高的强毒株和鱼类毒性较低的弱毒株，结果发现，强毒株会大量产生超氧化物，而弱毒株只能产生不足前者百分之一的超氧化物，而且超氧化物产生量与鱼类毒性之间存在高度相关性。此外，弱毒株比强毒株增殖更快，原因在于其光合作用能力较高。
光合作用中，包括将光能转化为NADPH或ATP的光化学反应，以及利用这些NADPH或ATP将二氧化碳转化为糖的碳固定反应。研究发现，弱毒株中的碳固定反应活性高于强毒株。
当使用抑制剂对弱毒株的碳固定反应进行抑制时，超氧化物的产生量增加到原来的两倍。这表明产生超氧化物的过程中可能用到了 NADPH。由此可以推测，卡盾藻的强毒株是以牺牲光合作用的碳固定能力为代价以大量释放出超氧化物。
此外，当对光合作用的碳固定反应进行抑制时，NADPH的氧化型NADP+的量仅在弱毒株中减少。表明在强光条件下NADP+的减少会显著降低光合作用活性。
由此可见，卡盾藻通过产生超氧化物作为旁路途径来维持NADP+的再生，从而即使在强光下也能稳定实现光合作用。研究发现，该机制可能发挥了通过产生超氧化物消耗光合作用产生的过剩还原能力，并将过剩还原能力排出到细胞外的作用。
研究认为，卡盾藻释放的超氧化物的量足以具有杀菌作用，除了能发挥抵御外敌的防御机制的作用之外，还因其能够保护光合作用能力免受强光损害，是卡盾藻在各种浮游植物竞争激烈的海洋表层中占据优势并增殖的一种重要生存策略。
西山教授表示：“赤潮导致养殖鱼类大量死亡的机制至今仍未解决。在日本造成最严重渔业损失的有害赤潮浮游生物——卡盾藻会向细胞外释放大量活性氧，这种活性氧与鱼类毒性具有强关联性。我们发现活性氧的释放与光合作用之间存在密切关系。这一发现让我们向着解明鱼类毒性机制更近了一步。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Harmful Algae
论文：Production of extracellular superoxide contributes to photosynthesis via elimination of reducing power and regeneration of NADP+ in the red-tide-forming raphidophyte Chattonella marina complex
DOI：10.1016/j.hal.2024.102712
