光合作用是地球上重要的生物化學過程，植物和藻類的光合固碳活動為生物圈的維持和發(fā)展提供了根本的初級生產力，理解光合作用機制、優(yōu)化光合作用效率與穩(wěn)定性具有重要的科學和技術意義。高溫高光脅迫嚴重影響光合作用效率并造成農林牧業(yè)經(jīng)濟損失，提高光合生物的高溫高光耐受能力是光合作用研究的重要方向。藍細菌是研究光合作用的模式體系，提高藍細菌高溫高光耐受能力并解析其功能機制，對其他光合生物體系的優(yōu)化具有指導和示范價值。然而，高溫高光脅迫造成損傷的靶點眾多、機制不明，傳統(tǒng)的代謝工程和進化工程手段均難以取得良好的改造效果。 

　　近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所微生物制造工程中心研究人員開發(fā)了新型藍細菌超突變系統(tǒng)，突破細胞基因組復制高保真性對其進化速率的限制，通過遺傳和環(huán)境協(xié)同擾動大幅提升聚球藻細胞復制突變率和適應性進化速度，成功獲得高溫高光耐受能力顯著提高的進化藻株，并揭示了影響藍細菌高溫高光耐受能力的關鍵靶點與功能機制。相關成果于近日在《自然-通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表。

　　高溫高光脅迫對藍細菌的損傷機制尚未獲得清楚的解析，理性的代謝工程策略難以實現(xiàn)細胞高溫高光耐受性的有效提升，進化工程是改造此類復雜生理表型的有效手段。然而，微生物細胞基因組復制的高保真性和低突變率，導致經(jīng)典的實驗室適應性進化需要長時間連續(xù)傳代以積累遺傳多樣性，周期長而且依賴反復人工操作。以藍細菌模式藻株聚球藻PCC 7942為平臺，研究團隊系統(tǒng)鑒定影響其基因組復制保真性的關鍵基因，并通過保真元件敲除-誘變元件表達的整合策略將重組藻株復制突變率提高了兩個數(shù)量級。在此基礎上，研究團隊發(fā)現(xiàn)環(huán)境脅迫同樣可以影響聚球藻突變率，通過遺傳保真機制缺陷與培養(yǎng)環(huán)境脅迫的耦合可以觸發(fā)超突變狀態(tài)，將細胞突變率提高三個數(shù)量級。根據(jù)上述結果，研究團隊提出環(huán)境脅迫和復制保真機制缺陷的協(xié)同作用機制（圖1），并使用該系統(tǒng)進行聚球藻高溫高光耐受能力的優(yōu)化。 

　　應用上述超突變系統(tǒng)，研究團隊在兩周內即成功獲得了高溫高光耐受能力大幅提升的聚球藻進化藻株，相比實驗室適應性進化和常規(guī)化學誘變表現(xiàn)出效率上的巨大優(yōu)勢。在出發(fā)藻株無法生存的45^oC高溫和2500 μmol photons/m²/s光照條件下，聚球藻進化藻株表現(xiàn)出良好的適應性和快速生長能力（圖2）。 

　　研究團隊對獲得的23個高溫高光耐受藻株進行了全基因組測序，并結合應用正向遺傳學和反向遺傳學策略，鎖定了賦予聚球藻高溫高光耐受能力的主效突變?yōu)?/span>FoF1-ATP合成酶alpha亞基C252A突變和莽草酸激酶啟動子區(qū)域的NC2突變。其中，NC2突變通過提高莽草酸激酶表達水平導致聚球藻高溫高光耐受性的機制為首次報道；研究團隊在集胞藻PCC 6803中對該機制進行了驗證，通過莽草酸激酶的過量表達有效提升了重組藻株面對高溫和高光脅迫的生長穩(wěn)定性，表明該策略可能對不同藍細菌菌株具有廣泛適用性（圖3）。 

　　研究團隊進而對NC2突變通過上調莽草酸激酶表達提高聚球藻高溫高光耐受能力的機制進行深入解析，結合轉錄組、蛋白組以及光合生理參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，該突變引發(fā)聚球藻光合和固碳系統(tǒng)的顯著變化（圖4），減少了光能的過度吸收、增強了細胞循環(huán)電子流和氧化磷酸化活性并強化了糖原和蛋白合成，最終保證高效而穩(wěn)定的光合固碳過程。 

　　該研究發(fā)展了新型藍細菌超突變系統(tǒng)并通過聚球藻高溫高光耐受性改造證實了其有效性，為復雜光合生理表型的優(yōu)化提供了可靠的工具；研究中所發(fā)現(xiàn)的莽草酸激酶表達提升引發(fā)藍細菌高溫高光耐受能力優(yōu)化的現(xiàn)象，豐富了對光合生理代謝的認識，為未來高光效藍細菌底盤的人工設計提供了新的啟示。 

　　相關研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會等的支持。 

　　論文鏈接 

圖1 遺傳與環(huán)境協(xié)同擾動激發(fā)聚球藻超突變狀態(tài) 

圖2 應用超突變技術獲得耐高溫高光聚球藻進化藻株  

圖3 NC2點突變提高莽草酸激酶表達水平以優(yōu)化聚球藻高溫高光耐受性

圖4 NC2突變重塑聚球藻光合系統(tǒng)