在藍(lán)藻Synechocystis 6803中引入NADPH消耗驅(qū)動(dòng)光合固碳示意圖
8月4日，《代謝工程》（Metabolic Engineering）雜志在線發(fā)表文章，報(bào)道了中國科學(xué)院微生物研究所李寅研究組利用雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDual-PAM-100，在提高光合作用效率研究中取得的新進(jìn)展。
光合作用是地球上重要的生物化學(xué)反應(yīng)，為地球生物提供賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，提高光合作用效率一直是科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題，對(duì)解決目前全世界面臨的糧食問題、能源問題都具有十分重要的意義。光合作用同時(shí)又是地球上復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)之一，根據(jù)是否需要光，光合作用被人為地分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)。以往改造光合作用的研究，主要考慮如何提高光反應(yīng)對(duì)光能的利用與轉(zhuǎn)化效率，或提高暗反應(yīng)關(guān)鍵酶Rubisco固碳效率。但光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)是一個(gè)有機(jī)整體，兩者是緊密偶聯(lián)的。光反應(yīng)產(chǎn)生能量ATP和還原力NADPH，而暗反應(yīng)需要消耗ATP和NADPH，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳的還原固定。兩者能否協(xié)同工作，是提高光合利用效率的重要因素。
中國科學(xué)院微生物研究所李寅研究組針對(duì)光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP不能滿足暗反應(yīng)固碳能量需求這一基本問題，根據(jù)光反應(yīng)中ATP是與NADPH偶聯(lián)產(chǎn)生的基本原理，從細(xì)胞全局出發(fā)，把光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)作為有機(jī)整體，以連接光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)的NADPH為切入點(diǎn)，提出了一個(gè)導(dǎo)入NADPH消耗模塊，從而打破細(xì)胞固有的NADPH平衡，通過光反應(yīng)與暗反應(yīng)的有效耦聯(lián)，來增強(qiáng)光反應(yīng)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而提高光合作用效率的新策略。
研究人員以光合放氧藍(lán)細(xì)菌為研究模型，通過引入NADPH依賴的脫氫酶，創(chuàng)建了只消耗NADPH而不額外消耗ATP的異丙醇生物合成途徑（如上圖）。一系列光合生理和生化分析表明，引入NADPH消耗途徑后，細(xì)胞生長明顯加快，光合作用效率提高約50%，同時(shí)具有更高的細(xì)胞活性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，改造后藍(lán)細(xì)菌的光飽和點(diǎn)提高一倍，表明其可以耐受更高光強(qiáng)，這對(duì)適應(yīng)自然界中光強(qiáng)的劇烈變化具有重要意義。這一結(jié)果表明，還原力驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞全局代謝工程策略，比傳統(tǒng)單一改造光反應(yīng)或暗反應(yīng)，可以更有效地提高光合作用效率。把光反應(yīng)和暗反應(yīng)作為一個(gè)整體來提高光合作用效率的思路，也可為改造植物光合作用效率的相關(guān)研究提供借鑒。
同時(shí)，李寅研究組的結(jié)果也表明，藍(lán)藻的光合作用效率可能還有更大的提高空間。目前還不完全清楚改造后藍(lán)藻耐受更高光照強(qiáng)度的分子機(jī)制。如果弄清這種機(jī)制，或許會(huì)發(fā)現(xiàn)與光合作用相關(guān)的新靶點(diǎn)，有可能導(dǎo)致新的改造思路或策略的誕生。
該工作已于8月4日在線發(fā)表在《代謝工程》（Metabolic Engineering）雜志上。研究得到國家自然科學(xué)基金和中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“二氧化碳的人工生物轉(zhuǎn)化”資助。副研究員周杰和博士生張福良為論文的共同第一作者。
研究中對(duì)PSII分析所用到的葉綠素?zé)晒庀嚓P(guān)參數(shù)及對(duì)PSI分析所用到的P700相關(guān)參數(shù)，均通過雙通道葉綠素?zé)晒鈨xDual-PAM-100（WALZ, Germany）測定。如上圖，通過Dual-PAM-100所測得的數(shù)據(jù)可以看到，引入NADPH消耗驅(qū)動(dòng)的藍(lán)藻（SM7）在PSI及PSII的活性上均有大幅提高。
Dual-PAM-100
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