埼玉大學研究生院理工學研究科的西山佳孝教授的研究團隊與水產研究和教育機構水產技術研究所（簡稱「水產技術研」）聯合宣佈，針對具有較強魚類毒性的有害赤潮終極因數浮游生物「卡盾藻」的研究結果顯示，「卡盾藻」大量釋放的活性氧（NOX）與光合作用能力保存機制有關。研究表明，作爲NOX之一的超氧化物的產生量與魚類毒性之間存在高度相關，活性氧的產生給卡盾藻帶來了維持光合作用能力和排除競爭生物等優勢。該成果有望促進赤潮災害預測等技術的開發。相關研究成果已於9月13日發表在期刊《Harmful Algae》上。

圖：卡盾藻的超氧化物產生機制和魚類毒性診斷技術的概要（供圖：埼玉大學）

赤潮主要在夏季頻發於西日本地區，會給水產養殖業帶來巨大破壞。典型的有害赤潮終極因數浮游生物「卡盾藻」目前已知會向細胞外大量釋放一種活性氧——「超氧化物」，但其終極因數和機制此前並不明確。

此次，研究團隊從卡盾藻中提取了含有NOX的膜片段，並研究了超氧化物的產生。結果發現，超氧化物的產生依賴於還原型輔酶Ⅱ（NADPH）。並且還證實了透過對NOX使用獨特性抑制劑，可以抑制其產生。

爲了研究其具體機制，研究團隊比較了對魚類毒性較高的強毒株和魚類毒性較低的弱毒株，結果發現，強毒株會大量產生超氧化物，而弱毒株只能產生不足前者百分之一的超氧化物，而且超氧化物產生量與魚類毒性之間存在高度相關。此外，弱毒株比強毒株增殖更快，終極因數在於其光合作用能力較高。

光合作用中，包括將發光能量轉化爲NADPH或ATP的光化學反應，以及利用這些NADPH或ATP將二氧化碳轉化爲糖的碳固定反應。研究發現，弱毒株中的碳固定反應活性高於強毒株。

當使用抑制劑對弱毒株的碳固定反應進行抑制時，超氧化物的產生量增加到原來的兩倍。這表明產生超氧化物的程序中可能用到了NADPH。由此可以推測，卡盾藻的強毒株是以犧牲光合作用的碳固定能力爲代價以大量釋放出超氧化物。

此外，當對光合作用的碳固定反應進行抑制時，NADPH的氧化型NADP+的量僅在弱毒株中減量。表明在強光條件下NADP+的減量會顯著降低光合作用活性。

由此可見，卡盾藻透過產生超氧化物作爲旁路途徑來維持NADP+的再生，從而即使在強光下也能穩定實施光合作用。研究發現，該機制可能發揮了透過產生超氧化物消耗光合作用產生的過剩還原能力，並將過剩還原能力排出到細胞外的作用。

研究認爲，卡盾藻釋放的超氧化物的量足以具有殺菌作用，除了能發揮抵禦外敵的防衛機制的作用之外，還因其能夠保存光合作用能力免受強光損害，是卡盾藻在各種浮游植物競爭激烈的海洋表層中佔據優勢並增殖的一種重要生存策略。

西山教授表示：「赤潮導致養殖魚類大量死亡的機制至今仍未解決。在日本造成最嚴重漁業有效能損失的有害赤潮浮游生物——卡盾藻會向細胞外釋等比增大量活性氧，這種活性氧與魚類毒性具有強關聯性。我們發現活性氧的釋放與光合作用之間存在密切關係。這一發現讓我們向着解明魚類毒性機制更近了一步。」

原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部

【論文資訊】
期刊：Harmful Algae
論文：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