蓝藻腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶对环境中无机碳、氮的响应机制研究

理解微生物对环境因子的响应及适应机制，是实现对微生物进行有效控制的理论基础．蓝藻作为光合自养微生物，在水生态环境和可再生能源领域有非常重要的价值．蓝藻能够有效利用环境中无机碳、氮，并对其变化迅速做出反应，但蓝藻对无机碳、氮的响应机制尚不清楚．因此，本项目拟以单细胞海洋模式蓝藻聚球藻7002为研究对象，利用分子生物学、生物化学及反式遗传学等现代生物学技术方法，研究蓝藻cAMP信号途径中腺苷酸环化酶和cAMP磷酸二酯酶的生物学功能及其调节因子；阐明腺苷酸环化酶与碳酸氢盐/二氧化碳相互作用、cAMP磷酸二酯酶与氮盐相互作用的机制及生物学意义，探索蓝藻对环境因子尤其是大量无机营养碳、氮变化的响应机制．这项工作的完成，将有助于解释蓝藻如何响应环境中无机碳、氮的变化，为根据不同目的有效调控蓝藻生长提供理论依据；为研究其它微生物对外界环境因子的响应及适应机制这一重大基本生物学问题提供线索．

作为光合自养微生物，蓝藻在水生态环境和可再生能源领域有非常重要的价值。蓝藻能够有效利用环境中无机碳、氮，并对其变化迅速做出反应，但蓝藻对无机碳、氮的响应机制尚不清楚。因此，本项目通过对聚球藻7002 cAMP信号途径中两个关键酶腺苷酸环化酶和cAMP磷酸二酯酶的生物学功能研究，探索了蓝藻对无机碳及氮的响应机制。发现腺苷酸环化酶编码基因SYNPCC7002_A0909和SYNPCC7002_A1906及cAMP磷酸二酯酶的假定编码基因SYNPCC7002_A0636不是细胞在正常培养条件下生长所必需的。通过对大量环境胁迫因子进行筛选，发现在缺氮条件下，缺失磷酸二酯酶细胞生长明显受到抑制，而在高CO2胁迫下，缺失A1906基因编码的腺苷酸环化酶的细胞生长受到明显抑制。这些结果表明磷酸二酯酶主要响应环境中无机氮的变化，而A1906基因编码的腺苷酸环化酶主要响应环境中无机碳的变化。本项目所取得的研究成果为进一步阐明蓝藻对环境中无机碳、氮的变化提供靶标，为根据不同目的有效调控蓝藻生长提供理论依据；为研究其它微生物对外界环境因子的响应及适应机制这一重大基本生物学问题提供线索。.此外，为便于评价蓝藻对无机碳的利用效率及实现蓝藻对CO2的有效利用，本项目在蓝藻中成功引入新的无机碳利用途径即从CO2到丙酮合成途径，实现蓝藻利用CO2生物合成丙酮。该成果不仅显示利用CO2生物合成丙酮是可行的、开辟了利用CO2生物合成酮类化合物的新途径，而且目标产物丙酮的产量可以直接反应蓝藻对CO2的利用效率，这为评价蓝藻对CO2利用效率提供新的体系。.总之，本项目成功并超额完成既定目标。不仅探索了蓝藻响应环境中无机碳和氮的分子机制，为实现对蓝藻的有效控制提供理论基础；而且在蓝藻中成功引入新的CO2利用途径，为光合固碳产大宗化学品做出探索，为评价蓝藻光合固碳效率提供实用的途径。