DUAL-PAM-100 & DUAL-KLAS-NIR│蓝藻的“能量缓冲”：糖原合成在光合作用中的关键角色

在自然界中，蓝藻作为一类重要的光合自养微生物，在生态系统中扮演着关键角色。它们通过光合作用固定二氧化碳，对全球碳循环贡献显著。除了自养生长，某些蓝藻如Synechocystis sp. PCC 6803还具有混合营养的能力，即在光照条件下同时利用二氧化碳和有机碳源（如葡萄糖）生长。这种营养模式的转换及其主要碳储存大分子——糖原的作用尚不清楚。2024年5月6日，New Phytologist杂志在线发表芬兰图尔库大学与西班牙塞维利亚大学联合署名标题为Glycogen synthesis prevents metabolic imbalance and disruption of photosynthetic electron transport from photosystem II during transition to photomixotrophy in Synechocystis sp. PCC 6803的研究论文。文章旨在探讨糖原在光自养生长向光混合营养生长转换过程中的生理和代谢作用，以及糖原合成对光合作用电子传递链的影响。

在本研究中，科研人员分析了添加葡萄糖对 Synechocystis sp. PCC 6803和缺乏磷酸葡萄糖转氨酶和ADP-葡萄糖焦磷酸酶的突变体的生理、代谢和光合作用状态的影响，这些突变体的糖原合成受到限制。

研究发现糖原起着代谢缓冲器的作用。在野生型(WT)中，添加葡萄糖会增加生长和糖原储备，但在糖原合成突变体中，生长会停止。添加葡萄糖30分钟后，糖原合成突变体中卡尔文-本森-巴萨姆循环和氧化磷酸戊糖分流的代谢物比 WT增加了三倍。这些变化极大地影响了糖原合成突变体的光合作用性能，因为氧气进化和二氧化碳吸收都受到了影响。

基于上述研究得出以下结论，糖原合成在向光合作用转变的过程中至关重要，可避免代谢失衡导致PSII电子传递受抑制，进而导致活性氧积累、PSII核心蛋白缺失和细胞死亡。本研究通过了解光合电子传递与新陈代谢之间的相互协调，为优化基于光互补的生物技术奠定了基础。

在本研究中，叶绿素荧光及NADPH荧光测量由双通道荧光仪DUAL-PAM-100组合NADPH/9-AA模块完成；PC，P700，Fd的氧化还原变化通过四通道动态LED阵列近红外光谱仪DUAL-KLAS-NIR完成。以下是部分研究结果。

葡萄糖会导致糖原代谢受损菌株的生长停滞、氧化应激和 PSII 水平降低，图中显示了补充 2 mM葡萄糖后WT集胞藻和糖原代谢缺陷菌株的表型表征。

控制葡萄糖引起的直接代谢变化需要糖原代谢，图中显示了添加葡萄糖后 WT、ΔPGM 和 ΔAGP Synechocystis 菌株上游代谢的变化。

控制葡萄糖引起的直接代谢变化需要糖原代谢，图中显示了添加葡萄糖后 WT、ΔPGM 和 ΔAGP Synechocystis 菌株下游代谢的变化。

分析补充葡萄糖对 WT、?PGM 和 ?AGP Synechocystis 菌株光合作用和PSII性能的影响。

Synechocystis 光能自养时和添加葡萄糖30分钟后PETC中PSI氧化还原特性和电子流。

光营养不良和添加葡萄糖30分钟后Synechocystis 细胞色素b₆f成分的氧化还原状态变化

WT、?PGM 和 ?AGP Synechocystis 菌株在光自养和添加葡萄糖 30 分钟后的 NAD(P)H 荧光。

糖原在聚胞藻中对光混合营养的代谢适应中的作用及其与光合作用的相互联系。在光异养生长的细胞中，葡萄糖的摄取用于细胞代谢诱导代谢谱的变化，部分碳重新定位为糖原。这允许平稳过渡到光混合营养条件。然而，糖原代谢受损迫使葡萄糖摄取转向中枢碳代谢，导致代谢在几分钟内溢出。这种不平衡会影响PSII供体侧的电子转移。光合作用受阻的合理原因包括代谢类似物在PSII内的碳酸氢盐置换或诱导由PSII相关蛋白介导的次级调节机制。这种阻塞Z终导致活性氧的产生增加，阻碍了生存能力。

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