在(zai)藍藻Synechocystis 6803中引入NADPH消耗驅動光合固碳示意圖
8月4日(ri)，《代謝工程》（Metabolic Engineering）雜志在(zai)線(xian)發(fa)表(biao)文章，報(bao)道了中國(guo)科學(xue)院微生物研究(jiu)(jiu)所李寅研究(jiu)(jiu)組利用雙(shuang)通(tong)道葉綠素熒光儀Dual-PAM-100，在(zai)提高光合作用效(xiao)率(lv)研究(jiu)(jiu)中取得的(de)新(xin)進展。
光(guang)(guang)(guang)合(he)(he)(he)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)是(shi)地(di)球上重要(yao)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)化學(xue)反(fan)應(ying)(ying)，為地(di)球生(sheng)物(wu)提(ti)(ti)供賴以(yi)生(sheng)存的(de)(de)(de)(de)物(wu)質(zhi)基礎。因(yin)此(ci)，提(ti)(ti)高(gao)光(guang)(guang)(guang)合(he)(he)(he)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)效率一直是(shi)科學(xue)界關(guan)注的(de)(de)(de)(de)熱點問題(ti)(ti)，對(dui)解決(jue)目前全世界面臨(lin)的(de)(de)(de)(de)糧食問題(ti)(ti)、能(neng)(neng)源問題(ti)(ti)都具有(you)十分(fen)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)意義。光(guang)(guang)(guang)合(he)(he)(he)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)同(tong)時又是(shi)地(di)球上復雜(za)的(de)(de)(de)(de)化學(xue)反(fan)應(ying)(ying)之一，根據是(shi)否(fou)需(xu)要(yao)光(guang)(guang)(guang)，光(guang)(guang)(guang)合(he)(he)(he)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)被人為地(di)分(fen)為光(guang)(guang)(guang)反(fan)應(ying)(ying)和暗(an)反(fan)應(ying)(ying)。以(yi)往改造(zao)光(guang)(guang)(guang)合(he)(he)(he)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)研究，主要(yao)考慮如何提(ti)(ti)高(gao)光(guang)(guang)(guang)反(fan)應(ying)(ying)對(dui)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)利用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)與(yu)轉化效率，或提(ti)(ti)高(gao)暗(an)反(fan)應(ying)(ying)關(guan)鍵(jian)酶Rubisco固(gu)碳效率。但光(guang)(guang)(guang)合(he)(he)(he)作用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)反(fan)應(ying)(ying)和暗(an)反(fan)應(ying)(ying)是(shi)一個有(you)機整(zheng)體，兩(liang)者是(shi)緊密偶(ou)聯的(de)(de)(de)(de)。光(guang)(guang)(guang)反(fan)應(ying)(ying)產生(sheng)能(neng)(neng)量ATP和還原力NADPH，而暗(an)反(fan)應(ying)(ying)需(xu)要(yao)消耗(hao)ATP和NADPH，實現(xian)對(dui)二氧化碳的(de)(de)(de)(de)還原固(gu)定(ding)。兩(liang)者能(neng)(neng)否(fou)協(xie)同(tong)工作，是(shi)提(ti)(ti)高(gao)光(guang)(guang)(guang)合(he)(he)(he)利用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)效率的(de)(de)(de)(de)重要(yao)因(yin)素。
中國科學(xue)院微生物研(yan)(yan)究所李寅(yin)研(yan)(yan)究組(zu)針對光反(fan)應(ying)(ying)產(chan)生的(de)(de)ATP不能滿足暗反(fan)應(ying)(ying)固(gu)碳能量需求這一基本問題，根據(ju)光反(fan)應(ying)(ying)中ATP是與NADPH偶聯產(chan)生的(de)(de)基本原理(li)，從細胞全局出發，把光合(he)作(zuo)(zuo)用的(de)(de)光反(fan)應(ying)(ying)和暗反(fan)應(ying)(ying)作(zuo)(zuo)為有(you)機整(zheng)體，以連接(jie)光合(he)作(zuo)(zuo)用光反(fan)應(ying)(ying)和暗反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)NADPH為切入(ru)點(dian)，提(ti)出了一個導入(ru)NADPH消耗(hao)模塊，從而(er)打(da)破細胞固(gu)有(you)的(de)(de)NADPH平衡(heng)，通(tong)過(guo)光反(fan)應(ying)(ying)與暗反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)有(you)效耦聯，來增強光反(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)內在驅動(dong)力，進而(er)提(ti)高光合(he)作(zuo)(zuo)用效率的(de)(de)新策略。
研(yan)究人員(yuan)以(yi)(yi)光(guang)合(he)放氧(yang)藍細菌(jun)為(wei)研(yan)究模型(xing)，通過(guo)引入NADPH依(yi)賴(lai)的(de)(de)(de)脫(tuo)氫酶，創建了只消耗NADPH而不(bu)額外(wai)消耗ATP的(de)(de)(de)異丙醇生物合(he)成途徑（如上圖）。一系列光(guang)合(he)生理和生化(hua)分析表(biao)明(ming)，引入NADPH消耗途徑后(hou)(hou)，細胞(bao)生長(chang)明(ming)顯(xian)加快，光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)效率(lv)提高(gao)(gao)(gao)約50%，同(tong)時具(ju)有(you)(you)更高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)細胞(bao)活性。同(tong)時發現，改(gai)造后(hou)(hou)藍細菌(jun)的(de)(de)(de)光(guang)飽和點(dian)提高(gao)(gao)(gao)一倍，表(biao)明(ming)其可以(yi)(yi)耐受更高(gao)(gao)(gao)光(guang)強(qiang)(qiang)，這對(dui)適(shi)應自然(ran)界中光(guang)強(qiang)(qiang)的(de)(de)(de)劇烈變化(hua)具(ju)有(you)(you)重要意義。這一結(jie)果表(biao)明(ming)，還原力驅(qu)動的(de)(de)(de)細胞(bao)全局代謝工程策略，比傳(chuan)統單一改(gai)造光(guang)反(fan)(fan)應或暗反(fan)(fan)應，可以(yi)(yi)更有(you)(you)效地提高(gao)(gao)(gao)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)效率(lv)。把光(guang)反(fan)(fan)應和暗反(fan)(fan)應作(zuo)為(wei)一個整體來提高(gao)(gao)(gao)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)效率(lv)的(de)(de)(de)思(si)路(lu)，也可為(wei)改(gai)造植物光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)效率(lv)的(de)(de)(de)相關研(yan)究提供借鑒。
同時，李寅研究組的結果也表明，藍(lan)藻的光(guang)合(he)作用效率可能還有更大(da)的提高空間(jian)。目前還不完全清(qing)楚改造(zao)后藍(lan)藻耐受更高光(guang)照(zhao)強度的分(fen)子機制。如果弄(nong)清(qing)這種機制，或許會發現(xian)與(yu)光(guang)合(he)作用相關(guan)的新靶點(dian)，有可能導致(zhi)新的改造(zao)思路或策略的誕生。
該工(gong)作已于8月4日在線發表在《代謝工(gong)程(cheng)》（Metabolic Engineering）雜志上。研究得到國家自然科學基金和中科院(yuan)重(zhong)點部署項目“二氧(yang)化碳的人工(gong)生物(wu)轉化”資(zi)助(zhu)。副研究員(yuan)周(zhou)杰(jie)和博士生張福(fu)良為論文的共(gong)同第一作者(zhe)。
研究中(zhong)對(dui)PSII分(fen)析所(suo)用到(dao)的葉綠(lv)素熒光相關(guan)參數(shu)及對(dui)PSI分(fen)析所(suo)用到(dao)的P700相關(guan)參數(shu)，均(jun)(jun)通過雙通道葉綠(lv)素熒光儀Dual-PAM-100（WALZ, Germany）測定。如上圖(tu)，通過Dual-PAM-100所(suo)測得的數(shu)據可以看到(dao)，引(yin)入NADPH消耗(hao)驅(qu)動(dong)的藍藻(zao)（SM7）在(zai)PSI及PSII的活(huo)性(xing)上均(jun)(jun)有大幅提高。
Dual-PAM-100
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