速生集胞藻6803光合放氧速率、生長曲線及基因組分析（六）
小結(jié)
在高光條件下，高光6803中差異表達(dá)的基因有77個，其中上調(diào)基因36個，下調(diào)基因41個。表達(dá)上調(diào)的基因主要參與光系統(tǒng)II反應(yīng)中心、高光脅迫耐受、電子傳遞、有機物合成，而表達(dá)下調(diào)的基因主要參與糖類、氨基酸等有機物分解過程。
3討論
光合作用能量的來源是自然光，理論上，輸入細(xì)胞的能量越多，就可進(jìn)行越多的細(xì)胞生命活動，具體到光合生物，即隨著光強升高，光合固碳效率也得到提升。但實際情況卻與理論推理不相符。光合生物對光能的利用有上限，過高的光強不僅引起光損失、光抑制，正常生理活動也會受到干擾，嚴(yán)重時甚至引起光合生物的死亡。集胞藻6803、聚球藻7942等常用模式藍(lán)藻的最適培養(yǎng)光強低于100μmol/(m2·s)，屬于中低光強區(qū)間，在此光照范圍內(nèi)，藍(lán)藻細(xì)胞的倍增時間將超過8 h，光強升高并超過閾值后，細(xì)胞的生長會被抑制。近幾年，多種速生聚球藻相繼出現(xiàn)，包括速生聚球藻UTEX 2973、11801、11802、11901和基因改造后獲得的高光7942，它們表現(xiàn)出耐高光、在高光強下倍增時間縮短到2–4 h，接近異養(yǎng)微生物釀酒酵母，這讓研究者看到了通過增大光強來提升藍(lán)藻生長速率的希望。
雖然科研人員一直在嘗試提高集胞藻6803的生長速率，但效果并不理想，集胞藻6803在實驗室常規(guī)培養(yǎng)條件下的倍增時間通常大于8 h。受速生聚球藻在高光下可快速生長的啟發(fā)，我們升高了實驗室保藏的野生型6803的培養(yǎng)光強，經(jīng)長期培養(yǎng)馴化后，一株可在高光強下快速生長的集胞藻6803被篩選出來，即高光6803，其生長速率與上述速生藍(lán)藻聚球藻相近，與野生型6803的表型明顯不同。在獲得高光6803一年后，我們開展了一系列的實驗，生長測試及光合生理研究發(fā)現(xiàn)，在高光900μmol/(m2·s)條件下，高光6803的生長不但未被抑制，反而表現(xiàn)出對高光的高效利用及快速生長表型，并且最短倍增時間為3.1 h，可與上述速生聚球藻相媲美。已有文獻(xiàn)報道，結(jié)合重復(fù)誘變和高光暴露的適應(yīng)性實驗室進(jìn)化，誘變篩選獲得的集胞藻6803突變株雖也能在強光條件2 000μmol/(m2·s)下生長，但生理活動受到明顯抑制，生長速率不升反降，在700μmol/(m2·s)光強下，倍增時間也超過10 h。
我們對高光6803進(jìn)行光合生理測定時發(fā)現(xiàn)，在0–2 293μmol/(m2·s)光強區(qū)間，高光6803的光化學(xué)效率(PSII與PSI處)均隨光強變大而升高，并沒有出現(xiàn)降低的趨勢，這表明高光6803具備在高于培養(yǎng)光強900μmol/(m2·s)的強光環(huán)境下耐受高光脅迫、快速生長的潛力。
為揭示高光6803高效利用高光、快速生長的機制，我們對該藻的基因組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)及與野生型6803間的差異進(jìn)行了比較。經(jīng)序列比對、PCR測序確認(rèn)，我們在高光6803中找到2個特有突變基因，包括編碼響應(yīng)光強變化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子RpaB基因slr0947、編碼青霉素結(jié)合蛋白1B基因sll1434(mrcA)，這2個突變基因分別參與響應(yīng)光強變化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控及細(xì)胞壁組分肽聚糖合成過程。這與已報道的速生聚球藻UTEX 2973的突變基因有所不同，相對于野生型聚球藻7942，速生聚球藻UTEX 2973只有3個突變基因，其對應(yīng)的編碼蛋白分別為F0F1 ATP合成酶α亞基、轉(zhuǎn)錄響應(yīng)因子RpaA和NAD+激酶，這3個基因的突變決定了速生聚球藻UTEX 2973可以利用高光，高效快速生長的表型。即使只向聚球藻7942的F0F1 ATP合成酶α亞基編碼基因中引入對應(yīng)突變，聚球藻7942突變株即可利用高光快速生長，即高光7942。為進(jìn)一步確定高光6803中是否有速生聚球藻UTEX 2973中的上述3個突變，除進(jìn)行基因組測序外，我們又對高光6803基因組中同名的F0F1 ATP合成酶α亞基、轉(zhuǎn)錄響應(yīng)因子RpaA、NAD+激酶的編碼基因分別進(jìn)行PCR產(chǎn)物測序，最終明確這3個基因在高光6803中并未發(fā)生突變。由此我們推測集胞藻與聚球藻在高光適應(yīng)與利用機制方面有所不同。
4結(jié)論
相較于野生型6803，高光6803不僅可有效利用高光，而且生長迅速、性狀穩(wěn)定。綜合生理學(xué)、基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)高光6803可通過調(diào)控光反應(yīng)，加強對光能的利用及加快將光能轉(zhuǎn)化為細(xì)胞可利用的化學(xué)能，上調(diào)有利于生物量積累的有機物同化反應(yīng)，下調(diào)有機物分解反應(yīng)，將能量代謝、物質(zhì)代謝2個循環(huán)結(jié)合起來，在維持2個光系統(tǒng)正常光化學(xué)活性的同時，還大大加快細(xì)胞的生長速率，不僅避免了光抑制及光損傷，而且實現(xiàn)了對高光的高效利用，將更多的能量、物質(zhì)用于細(xì)胞生長、生物量積累。
本研究不僅獲得了1株性狀穩(wěn)定可以利用高光快速生長的集胞藻6803，而且為研究光合生物的耐高光機制、提高光合生物光能利用效率及光合固碳效率提供了新的參考。
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