在自然界中，藍藻作為一類(lèi)重要的光合自養微生物，在生態(tài)系統中扮演著(zhù)關(guān)鍵角色。它們通過(guò)光合作用固定二氧化碳，對全球碳循環(huán)貢獻顯著(zhù)。除了自養生長(cháng)，某些藍藻如Synechocystis sp. PCC 6803還具有混合營(yíng)養的能力，即在光照條件下同時(shí)利用二氧化碳和有機碳源（如葡萄糖）生長(cháng)。這種營(yíng)養模式的轉換及其主要碳儲存大分子——糖原的作用尚不清楚。2024年5月6日，New Phytologist雜志在線(xiàn)發(fā)表芬蘭圖爾庫大學(xué)與西班牙塞維利亞大學(xué)聯(lián)合署名標題為Glycogen synthesis prevents metabolic imbalance and disruption of photosynthetic electron transport from photosystem II during transition to photomixotrophy in Synechocystis sp. PCC 6803的研究論文。文章旨在探討糖原在光自養生長(cháng)向光混合營(yíng)養生長(cháng)轉換過(guò)程中的生理和代謝作用，以及糖原合成對光合作用電子傳遞鏈的影響。
在本研究中，科研人員分析了添加葡萄糖對 Synechocystis sp. PCC 6803和缺乏磷酸葡萄糖轉氨酶和ADP-葡萄糖焦磷酸酶的突變體的生理、代謝和光合作用狀態(tài)的影響，這些突變體的糖原合成受到限制。
研究發(fā)現糖原起著(zhù)代謝緩沖器的作用。在野生型(WT)中，添加葡萄糖會(huì )增加生長(cháng)和糖原儲備，但在糖原合成突變體中，生長(cháng)會(huì )停止。添加葡萄糖30分鐘后，糖原合成突變體中卡爾文-本森-巴薩姆循環(huán)和氧化磷酸戊糖分流的代謝物比 WT增加了三倍。這些變化極大地影響了糖原合成突變體的光合作用性能，因為氧氣進(jìn)化和二氧化碳吸收都受到了影響。
基于上述研究得出以下結論，糖原合成在向光合作用轉變的過(guò)程中至關(guān)重要，可避免代謝失衡導致PSII電子傳遞受抑制，進(jìn)而導致活性氧積累、PSII核心蛋白缺失和細胞死亡。本研究通過(guò)了解光合電子傳遞與新陳代謝之間的相互協(xié)調，為優(yōu)化基于光互補的生物技術(shù)奠定了基礎。
在本研究中，葉綠素熒光及NADPH熒光測量由雙通道熒光儀DUAL-PAM-100組合NADPH/9-AA模塊完成；PC，P700，Fd的氧化還原變化通過(guò)四通道動(dòng)態(tài)LED陣列近紅外光譜儀完成。以下是部分研究結果。
葡萄糖會(huì )導致糖原代謝受損菌株的生長(cháng)停滯、氧化應激和 PSII 水平降低，圖中顯示了補充 2 mM葡萄糖后WT集胞藻和糖原代謝缺陷菌株的表型表征。
控制葡萄糖引起的直接代謝變化需要糖原代謝，圖中顯示了添加葡萄糖后 WT、ΔPGM 和 ΔAGP Synechocystis 菌株上游代謝的變化。
控制葡萄糖引起的直接代謝變化需要糖原代謝，圖中顯示了添加葡萄糖后 WT、ΔPGM 和 ΔAGP Synechocystis 菌株下游代謝的變化。
分析補充葡萄糖對 WT、?PGM 和 ?AGP Synechocystis 菌株光合作用和PSII性能的影響。
Synechocystis 光能自養時(shí)和添加葡萄糖30分鐘后PETC中PSI氧化還原特性和電子流。
光營(yíng)養不良和添加葡萄糖30分鐘后Synechocystis 細胞色素b6f成分的氧化還原狀態(tài)變化
WT、?PGM 和 ?AGP Synechocystis 菌株在光自養和添加葡萄糖 30 分鐘后的 NAD(P)H 熒光。
糖原在聚胞藻中對光混合營(yíng)養的代謝適應中的作用及其與光合作用的相互聯(lián)系。在光異養生長(cháng)的細胞中，葡萄糖的攝取用于細胞代謝誘導代謝譜的變化，部分碳重新定位為糖原。這允許平穩過(guò)渡到光混合營(yíng)養條件。然而，糖原代謝受損迫使葡萄糖攝取轉向中樞碳代謝，導致代謝在幾分鐘內溢出。這種不平衡會(huì )影響PSII供體側的電子轉移。光合作用受阻的合理原因包括代謝類(lèi)似物在PSII內的碳酸氫鹽置換或誘導由PSII相關(guān)蛋白介導的次級調節機制。這種阻塞最終導致活性氧的產(chǎn)生增加，阻礙了生存能力。
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