提高蓝藻光合效率的辅因子扰动新策略及其生理影响研究

As oxygenic photosynthetic prokaryotes, cyanobacteria are ideal model organisms for investigation of photosynthesis. It is difficult to improve the efficiency of photosynthetic carbon fixation by only optimization of sole reaction, because photosynthesis is a complex physiological process. In the process of photosynthesis, the light reaction converts light energy into chemical energy of ATP and reducing power NADPH and then provides ATP and NADPH for CO2 fixation in the dark reaction. However, ATP production during the light reaction is insufficient to meet the demand for energy during CO2 fixation in dark reaction, thus limiting the efficiency of photosynthetic carbon fixation. ATP and NADPH are produced coupling in the light reaction, and high level of NADPH has toxic effects on cells. Therefore, in this study, we investigate a novel strategy to improve the efficiency of photosynthesis based on the important chemical NADPH, which connects the light and dark reactions. To clarify the effects on PSII, PSI, ATP production and carbon fixation of breaking cell inherent NADPH balance, activity of photosynthesis, physiology and biochemistry of cyanobacterium Synechocystis 6803 mutant, in which NADPH consuming pathway was introduced, will be investigated. Furthermore, the optimal dynamic balance between light and dark reactions of photosynthesis will be revealed through regulating the introduced NADPH consumption pathway. In addition, turnover rate of NADPH will be clarified and the mechanism of NADPH consumption enhancing the efficiency of photosynthesis will be revealed. The achievements of this project will not only provide a new strategy for improving the efficiency of photosynthetic carbon fixation, but also will contribute to the resource utilization of CO2.

蓝藻作为放氧光合原核生物，是研究光合作用的理想模式生物。光合作用是复杂的生理过程，仅优化某个反应很难提高光合固碳效率。在光合作用过程中，光反应将光能转化为化学能ATP和还原力NADPH，为暗反应固定CO2提供能量。但光反应产生的ATP，不足以满足暗反应对能量的需求，从而限制了光合固碳效率。ATP和NADPH在光反应中是偶联产生的，而过高的NADPH含量对细胞有毒害作用。因此，本研究以连接光反应和暗反应的重要化学物质NADPH为切入点，从细胞全局出发，探索提高光合效率的新策略。通过对导入NADPH消耗途径的蓝藻集胞藻6803进行光合、生理、生化研究，阐明打破细胞固有NADPH平衡，对光系统I、光系统II、ATP合成及固碳效率的影响；通过调控NADPH消耗途径，研究光反应和暗反应之间的最适动态平衡，明确NADPH的周转率，探索引入NADPH驱动提高蓝藻光合效率的新策略。

光合作用是指光合生物利用太阳能，把CO2和水直接转化为有机物并释放氧气的过程。光合作用是地球上最重要的生物化学反应，地球上绝大多数有机物都来自于光合作用，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，对有效利用太阳能、促进农业增产增收、加速工业CO2减排和资源化利用等，具有极其重要的意义。由于光合作用涉及光能的吸收、转化及利用，而CO2又是非常稳定的氧化态，很难被还原，因此，光合作用又是一个极其复杂的生化过程。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，很少考虑如何提高光反应和暗反应的偶联效率。而在实际的生理过程中，光合作用的光反应和暗反应是密不可分的有机整体。光反应产生能量(ATP)和还原力(NADPH)，而暗反应需要消耗ATP和NADPH，才能实现对CO2的还原固定。.因此，本课题针对光反应产生的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构想。.本课题以光合放氧菌蓝细菌为研究模型，通过引入NADPH依赖型的脱氢酶，创建了只消耗NADPH而不额外消耗ATP的异丙醇生物合成途径。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38.5%，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，这一策略对改造真核生物的光合作用也具有参考价值。