在藍藻Synechocystis 6803中引入NADPH消耗驅動(dòng)光合固碳示意圖
8月4日，《代謝工程》（Metabolic Engineering）雜志在線(xiàn)發(fā)表文章，報道了中國科學(xué)院微生物研究所李寅研究組利用雙通道葉綠素熒光儀Dual-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，為地球生物提供賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎。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(wèn)題，對解決目前全世界面臨的糧食問(wèn)題、能源問(wèn)題都具有十分重要的意義。光合作用同時(shí)又是地球上復雜的化學(xué)反應之一，根據是否需要光，光合作用被人為地分為光反應和暗反應。以往改造光合作用的研究，主要考慮如何提高光反應對光能的利用與轉化效率，或提高暗反應關(guān)鍵酶Rubisco固碳效率。但光合作用的光反應和暗反應是一個(gè)有機整體，兩者是緊密偶聯(lián)的。光反應產(chǎn)生能量ATP和還原力NADPH，而暗反應需要消耗ATP和NADPH，實(shí)現對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光反應產(chǎn)生的ATP不能滿(mǎn)足暗反應固碳能量需求這一基本問(wèn)題，根據光反應中ATP是與NADPH偶聯(lián)產(chǎn)生的基本原理，從細胞全局出發(fā)，把光合作用的光反應和暗反應作為有機整體，以連接光合作用光反應和暗反應的NADPH為切入點(diǎn)，提出了一個(gè)導入NADPH消耗模塊，從而打破細胞固有的NADPH平衡，通過(guò)光反應與暗反應的有效耦聯(lián)，來(lái)增強光反應的內在驅動(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細菌為研究模型，通過(guò)引入NADPH依賴(lài)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，細胞生長(cháng)明顯加快，光合作用效率提高約50%，同時(shí)具有更高的細胞活性。同時(shí)發(fā)現，改造后藍細菌的光飽和點(diǎn)提高一倍，表明其可以耐受更高光強，這對適應自然界中光強的劇烈變化具有重要意義。這一結果表明，還原力驅動(dòng)的細胞全局代謝工程策略，比傳統單一改造光反應或暗反應，可以更有效地提高光合作用效率。把光反應和暗反應作為一個(gè)整體來(lái)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)，李寅研究組的結果也表明，藍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藻耐受更高光照強度的分子機制。如果弄清這種機制，或許會(huì )發(fā)現與光合作用相關(guān)的新靶點(diǎn)，有可能導致新的改造思路或策略的誕生。
該工作已于8月4日在線(xiàn)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)部署項目“二氧化碳的人工生物轉化”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PSII分析所用到的葉綠素熒光相關(guān)參數及對PSI分析所用到的P700相關(guān)參數，均通過(guò)雙通道葉綠素熒光儀Dual-PAM-100（WALZ, Germany）測定。如上圖，通過(guò)Dual-PAM-100所測得的數據可以看到，引入NADPH消耗驅動(dòng)的藍藻（SM7）在PSI及PSII的活性上均有大幅提高。
Dual-PAM-100
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