亚阶段4生长和代谢控制

表3总结了Nostoc在共生和自由生长状态下的生理特征。在所有的植物群落中，Nostoc伙伴的生长速度明显慢于自由生活的文化。这种生长控制的机制基础尚不清楚，但它显然影响了N. punctiforme最基本的发育方向，即营养细胞周期。虽然CO2和NH4+的同化率降低了(见下文)，但它们与较慢的增长率成正比。人们可以预测，任何细菌在平衡生长需求和代谢通量时都有这样的行为。但是，慢与慢之间没有明显的因果关系

表3。白杨在自由生活状态下的生理特征和与白杨相关的生长状态(来源于Meeks 1990)

全细胞代谢系统/自由生活状态体外酶的共生状态

表3。白杨在自由生活状态下的生理特征和与白杨相关的生长状态(来源于Meeks 1990)

全细胞代谢系统/自由生活状态体外酶的共生状态

	活动	蛋白质	活动	蛋白质
增长	24 - 48小时之内		~ 240 h
依赖光的细胞二氧化碳	128.0个单位		15.0个单位
固定
二磷酸核酮糖羧化酶	215.0个单位	52 | g	25.0个单位	43 | g
细胞铵	13.9个单位		2.9个单位
同化
GS	130.0个单位	7.1 ^ g	50.0个单位	6.1 |克
固氮酶	6.3个单位		23.5个单位

“活动和单位。生长速度在数小时内翻了一番。依赖光细胞二氧化碳的固定为全细胞或孤立共生菌落对14CO2的同化，经暗掺杂校正，单位为nmol/min/mg蛋白。Rubisco是14CO2与酸性稳定物质的结合，单位为nmol/min/mg蛋白。细胞铵同化是指13NH4+通过整个细胞或孤立的共生菌落进入所有非挥发性细胞代谢物和大分子中，单位为13N cpm合并/13NH4+cpm添加x 100(等于%)/5 min/mg蛋白。GS为生物合成测定反应的体外活性，单位为nmol/min/mg蛋白。固氮酶是一种游离或原位共生还原乙炔制乙烯的酶，单位为nmol/min/mg蛋白。蛋白质值报告为|克/毫克总细胞蛋白，由酶联免疫吸附法测定

“活动和单位。生长速度在数小时内翻了一番。光依赖性细胞CO2固定是指整个细胞或孤立的共生菌落对14CO2的同化，校正了暗结合，单位为nmol/min/mg蛋白。Rubisco是14CO2与酸性稳定物质的结合，单位为nmol/min/mg蛋白。细胞铵同化是指13NH4+通过整个细胞或孤立的共生菌落进入所有非挥发性细胞代谢物和大分子中，单位为13N cpm合并/13NH4+cpm添加x 100(等于%)/5 min/mg蛋白。GS为生物合成测定反应的体外活性，单位为nmol/min/mg蛋白。固氮酶是一种游离或原位共生还原乙炔制乙烯的酶，单位为nmol/min/mg蛋白。据报道，蛋白质值为|g/mg总细胞蛋白，由酶联免疫吸附法测定生长和代谢改变，尽管很少有代谢系统被直接生化分析检查。

两种形态变化伴随共生生长状态。首先，细胞群中杂囊的出现频率是普通细胞的三倍或更多。这一现象将在下文(第四节b)详细说明。其次，从菌落切片的电子显微照片和光学显微镜下观察的样品中可以看出，营养细胞明显比自由培养的细胞大，丝状结构的外观也不明显(见Meeks 1990,1998)。这种形态非常容易让人联想到许多Nostoc物种生命周期中的硬石生长阶段(Lazaroff 1973;Potts 2000)。在基本的意义上，增重阶段是由在杂囊之间的每个间隔中，围绕营养细胞形成一个连续的鞘所引起的。鞘内的营养细胞分裂使间隔持续扩大，细胞链扭曲，失去线状丝状外观。总的来说，以前的线状纤维变成了一系列不同的球状细胞团。这一阶段被认为导致了“点状”大菌落结构(Lazaroff 1973)。 Eventually the sheath disintegrates and filaments containing intercalary heterocysts are released. In many Nostoc strains, cultures may be held in the aseriate stage by green light, while exit is enhanced by red light leading tohormogonia形成(Lazaroff 1973)。在马齿苋配子体中，被持续暴露在植物不吸收的主要绿光下。不幸的是，由于酸性阶段是实验操作的一个障碍，它往往被选择反对在液体悬浮培养的大多数Nostoc物种，仍然很少研究。然而，从这些观察中得出的一个暗示是，共生生长形态可能反映了另一个例子，即Nostoc过度表达了一种表型性状，这种表型性状通常在土壤中表达，而不是在植物伙伴中表达。

也许共生藻中最显著的生理变化是其独立光合潜能的几乎完全丧失和依赖异养代谢的假设。新鲜分离出的马尾松的体内自由生活CO2光依赖性固定率为12%，体外核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco，主要CO2同化酶)比活性为12% (Steinberg和Meeks 1989)。然而，Rubisco蛋白的数量在两种生长状态下是相等的。的光化学反应还没有被检查，但光合色素(藻胆蛋白和叶绿素)的数量在两种生长状态是相似的。共生Nostoc的异养潜力是通过检测与野生型和抗除草剂Nostoc突变体相关的光和外源碳水化合物依赖固氮酶活性来确定的(Steinberg和Meeks 1991)。这些实验的结果表明，Nostoc可以直接提供不到30%的光合作用产生还原剂需要在短期内达到最大的固氮酶活性。然而，最大稳态固氮酶活性依赖于点状沙霉提供的外源碳水化合物。由于共生的Nostoc可以进行光依赖性的CO2原位固定，向异养代谢的转变很可能不是由于光的限制，而是由于植物发挥了调节作用。依赖于光碳水化合物和暗碳水化合物的共生固氮酶的活性比自由生活的光依赖率高约5倍。增强的光异养率与增强的杂囊频率平行。然而，在自由生活状态下，暗碳水化合物依赖性固氮酶活性通常仅为光依赖性的20-30% (Gibson和Smith 1982)。共生Nostoc的异养代谢明显增强。

在Nostoc共生生长状态下，NH4+的同化同样被抑制到自由生活率的15%左右(Joseph and Meeks 1987)。谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase, GS)是一种主要的NH4+同化酶，虽然在两种生长状态下GS蛋白的总量统计相同，但其体外比活性仅为游离培养物的15%左右。Rai et al.(1989)基于免疫电子显微镜检查，认为共生杂囊含有约一半的GS抗原，是自由生活的杂囊。相反，共生中的固氮率有所提高(表3)，这表明固氮和同化之间存在显著的解耦关系。二氮衍生铵在A. punctatus (Meeks et al. 1985)、Azolla (Meeks et al. 1987)和Gunnera (Silvester et al. 1996)中积累，而在自由生长的培养物中，它立即加入氨基酸中(Wolk et al. 1976)。NH4+的池通常被认为是由高速率的N2固定再加上由于GS活性的限制，NH4+同化率较低。然而，固氮酶速率与GS之间的化学计量学并不支持点状枯草群落中80%的固定氮在短期内以NH4+的形式积累的这种因果关系(Meeks et al. 1985)。原位共生率计算固氮是每分钟每毫克蛋白质产生12.5 nmol的NH4+，而GS在营养细胞和杂囊中平均每分钟每毫克蛋白质的体外NH4+消耗率为19.8 nmol (Meeks 2003)。缺乏因果关系的结论假设n2衍生的NH4+从杂囊转移到邻近的营养细胞，这将有过量的GS，而不是通过独特的杂囊包膜进入共生腔;这种假设与杂囊包膜的渗透性性质是一致的(A.E. Walsby，个人交流)。因此，n2衍生的NH4+释放的机制基础比它最初出现的要复杂得多。

有趣的是，在A. punctatus定义的Nostoc共生生长状态中，某种形式的不可逆翻译后调控似乎同时作用于Rubisco和GS。这两种酶及其代谢途径似乎在其他植物关联中受到不同的调节(在Meeks 1998中总结)。从苏铁和Gunnera中立即分离出的共生体具有70% ~ 100%的游离培养物的体外GS活性和100%的体外Rubisco活性，但都没有表现出依赖于光的体内CO2固定。GS活性与苏铁中的共生体向植物伙伴释放瓜氨酸和其他氨基酸的证据相一致(Pate et al. 1988)。然而，它并没有解释Gunnera关联中NH4+的释放(Silvester et al. 1996)。这种明显的调控目标的多样性，以及可能的机制，有助于这样一种观点，即植物伙伴在共生的Nostoc中进化出不同的控制生长和代谢的方式。除了杂囊分化之外，在任何关联中支持共生生长所必需的差异基因表达在Nostoc伙伴中的程度，与翻译后活性调节相反，是未知的。

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