蓝藻CO2浓缩过程中一个功能基因簇的鉴定与调控机制研究

蓝藻是一类原核的光合放氧生物，具有类似C4植物的高光效特征，通过"CO2浓缩机制"（CCM）使其在低CO2环境中仍能高效地进行光合作用。申请人通过前期研究发现，一个未知功能基因簇"slr0373-slr0374-slr0376"很可能在蓝藻CCM中发挥重要作用。该基因簇在低CO2浓度时显著上调表达，其缺失突变体在低无机碳条件下生长受到严重抑制，并且在以CO2为主要无机碳源时几乎不能生长。本项目基于此发现，拟深入揭示该基因簇在蓝藻CCM中的功能及调控机制。从生理水平分析基因簇缺失突变对蓝藻CCM的具体影响部位，从转录水平揭示基因簇的诱导表达规律与上游转录因子，从蛋白水平研究基因簇编码产物的胞内定位、生化活性、以及下游调控的CCM组分蛋白，从而系统地阐明该基因簇在蓝藻适应低碳环境中的生物学功能。本研究旨在鉴定新的蓝藻CCM功能元件，并为C3作物高光效分子育种提供候选基因。

蓝藻也称蓝细菌，是地球上最古老的光合放氧生物，具有高效的光合作用。为了高效固定CO2，蓝藻存在一个CO2浓缩机制。本项目研究发现，一个保守的叶绿体ORF“YCF46”(由Slr0374基因编码）在蓝藻的CO2浓缩机制中起着重要作用，它的缺失导致细胞在以CO2为主要碳源时进行生长受到显著抑制，而高浓度的CO2可以部分恢复该突变株表型。通过生理、生化、与分子生物学方法，确定了“YCF46”的基因表达调控规律，鉴定了YCF46的亚细胞定位，并利用蛋白质相互作用方法发现YCF46与铁硫簇组装蛋白SufC具有相互作用。这个叶绿体ORF定位细胞质中，通过调节Fe-S蛋白的高效组装来高效地调控光合电子传递。在光合生物蓝藻中，很多关键的代谢过程都是与光合作用这个中心任务分不开的。蓝藻高效的光合作用需要利用大量的铁等矿质元素，铁的高效吸收和利用对蓝藻光合作用是一个重要保障。研究发现蓝藻存在一个高效而独特的无机自由铁吸收机制，对蓝藻在长期缺铁的海洋等环境中进行高效光合作用具有重要意义。本项目的研究，深入阐明了蓝藻作为一类特殊的光合放氧生物，在很多代谢通路上存在高效而严格的调控机制，以保证细胞在各种逆境条件的光合活性，其中高效而独特的铁吸收利用机制，对蓝藻适应环境是一个重要策略。综上所述，本项目鉴定了一个新的蓝藻光合作用调节基因叶绿体YCF46，并发现它与铁硫蛋白组装蛋白存在相互作用，并进一步发现蓝藻存在高效的无机自由铁吸收机制，为深入揭示蓝藻光合作用与其独特的铁吸收利用机制之间的关系奠定了重要基础。