条斑紫菜孢子体和配子体CO2浓缩机制(CCM)的比较分析

Rubisco, a key enzyme of photosynthesis, only can bind with CO2 for carbon fixation. However, CO2 concentration is very low in water body, especially in seawater. Therefore, the algae have evolved and obtained CO2 concentration mechanism (CCM). In different developmental stages of some macroalgae in the intertidal zone, the growth environment is very different, does the CCM change between the stages? This has been one of the hot spots in the research of macroalgae. This project intends to choose Porphyra yezoensis as the research object, to study the CCM of sporophyte and gametophyte, mainly focuses on the existence or non-existence of C4 pathway and the differences and similarities of inorganic carbon fixation in different generations. It will clarify the localization of the enzymes involved in the C3 and C4 pathways in the sporophyte and gametophyte cells, and identify the carbon fixation pathway and regulatory mechanism. The results will not only have important significance to understand the photosynthesis and carbon fixation of macroalgae, but also provide theoretical guidance for the cultivation of macroalgae, especially for P. yezoensis.

光合作用的关键酶Rubisco只能与CO2结合进行固碳，然而水体尤其是海水中的CO2浓度极低，为此藻类进化获得了CO2浓缩机制（CCM）。潮间带一些大型海藻不同发育阶段所处的生存环境截然不同，其CCM是否发生变化？这一直是大型海藻研究的热点之一。本项目拟以条斑紫菜为研究对象，系统研究二倍孢子体和单倍配子体CCM机制，主要聚焦于C4路径的存在与否以及生活史不同阶段无机碳固定途径的异同，阐明参与C3和C4路径的酶在孢子体和配子体细胞中的定位信息，明确二者固碳途径及其调控机制。研究结果不仅对我们深入认识大型海藻光合固碳具有重要意义，而且将为大型海藻尤其是条斑紫菜的苗种培育提供理论指导。

紫菜作为我国东部沿海地区产值最高的栽培海藻，其经济价值、生态价值和研究价值使其逐渐成为研究红藻的代表性物种。紫菜孢子体和配子体特殊的生长环境决定了二者在无机碳利用方式、途径及浓缩机制方面存在较大差异。项目研究发现：适当高浓度CO2（1500 ppm）能够促进条斑紫菜叶状体生长速度，增加可溶性蛋白含量，增加丝状体壳孢子囊枝形成的比例及藻体鲜重。水体pH值升高（pH=10）会影响条斑紫菜丝状体对于无机碳的吸收利用能力；2）条斑紫菜中存在两种类型CCM，一种是以物理转运无机碳的生物物理型CCM（biophysical CCM），第二种是类似于高等植物C4途径生物化学CCM（biochemical CCM）。3）目前已获得了11个具有全长CDS区的碳酸酐酶（CA）基因，明确了其中7个CAs在紫菜细胞内分布情况。4) 建立了紫菜遗传转化体系并获得了稳定遗传突变株，叶绿体定位的β-CA1 RNAi突变株研究证明该蛋白是CCM 机制的关键组分，其RNA、蛋白水平和酶活水平的下降影响叶状体对胞外无机碳的利用；5）线粒体定位的γ-CA过表达突变株通过提高卡尔文循环的效率增强对高光胁迫的耐受能力，提升了紫菜光呼吸产生的CO2的高效利用能力。项目的完成为后期利用基因工程技术深入研究紫菜无机碳利用机制及获得快速生长的优良品系打下坚实的基础和提供了研究思路。