Dual-PAM-100助力中科院微生物所光合作用研究取得新进展

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ZG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Zxin进展。

光合作用是地球上Z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，对解决目前全世界面临的粮食问题、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Z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。

ZG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。目前还不完全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ZD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。

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