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Dual-PAM-100助力中科院微生物所光合研究取得新进展

更新日期:2016-09-12   |  点击率:429

在蓝藻Synechocystis 6803中引入NADPH消耗驱动光合固碳示意图

在蓝藻Synechocystis 6803中引入NADPH消耗驱动光合固碳示意图

 

8月4日,《代谢工程》(Metabolic Engineering)杂志在线发表文章,报道了中国科学院微生物研究所李寅研究组利用双通道叶绿素荧光仪Dual-PAM-100,在提高光合作用效率研究中取得的进展。

 

光合作用是地球上zui重要的生物化学反应,为地球生物提供赖以生存的物质基础。因此,提高光合作用效率一直是科学界关注的热点问题,对解决目前*面临的粮食问题、能源问题都具有十分重要的意义。光合作用同时又是地球上zui复杂的化学反应之一,根据是否需要光,光合作用被人为地分为光反应和暗反应。以往改造光合作用的研究,主要考虑如何提高光反应对光能的利用与转化效率,或提高暗反应关键酶Rubisco固碳效率。但光合作用的光反应和暗反应是一个有机整体,两者是紧密偶联的。光反应产生能量ATP和还原力NADPH,而暗反应需要消耗ATP和NADPH,实现对二氧化碳的还原固定。两者能否协同工作,是提高光合利用效率的重要因素。

 

中国科学院微生物研究所李寅研究组针对光反应产生的ATP不能满足暗反应固碳能量需求这一基本问题,根据光反应中ATP是与NADPH偶联产生的基本原理,从细胞全局出发,把光合作用的光反应和暗反应作为有机整体,以连接光合作用光反应和暗反应的NADPH为切入点,提出了一个导入NADPH消耗模块,从而打破细胞固有的NADPH平衡,通过光反应与暗反应的有效耦联,来增强光反应的内在驱动力,进而提高光合作用效率的新策略。

 

研究人员以光合放氧蓝细菌为研究模型,通过引入NADPH依赖的脱氢酶,创建了只消耗NADPH而不额外消耗ATP的异丙醇生物合成途径(如上图)。一系列光合生理和生化分析表明,引入NADPH消耗途径后,细胞生长明显加快,光合作用效率提高约50%,同时具有更高的细胞活性。同时发现,改造后蓝细菌的光饱和点提高一倍,表明其可以耐受更高光强,这对适应自然界中光强的剧烈变化具有重要意义。这一结果表明,还原力驱动的细胞全局代谢工程策略,比传统单一改造光反应或暗反应,可以更有效地提高光合作用效率。把光反应和暗反应作为一个整体来提高光合作用效率的思路,也可为改造植物光合作用效率的相关研究提供借鉴。

 

同时,李寅研究组的结果也表明,蓝藻的光合作用效率可能还有更大的提高空间。目前还不*清楚改造后蓝藻耐受更高光照强度的分子机制。如果弄清这种机制,或许会发现与光合作用相关的新靶点,有可能导致新的改造思路或策略的诞生。

 

该工作已于8月4日在线发表在《代谢工程》(Metabolic Engineering)杂志上。研究得到国家自然科学基金和中科院重点部署项目“二氧化碳的人工生物转化”资助。副研究员周杰和博士生张福良为论文的共同*作者。

双通道叶绿素荧光仪Dual-PAM-100P700参数

双通道叶绿素荧光仪Dual-PAM-100P700参数

研究中对PSII分析所用到的叶绿素荧光相关参数及对PSI分析所用到的P700相关参数,均通过双通道叶绿素荧光仪Dual-PAM-100(WALZ, Germany)测定。如上图,通过Dual-PAM-100所测得的数据可以看到,引入NADPH消耗驱动的蓝藻(SM7)在PSI及PSII的活性上均有大幅提高。

 

Dual-PAM-100

Dual-PAM-100