科技日?qǐng)?bào)記者 宋迎迎 通訊員 孫繪梨?欒國(guó)棟

近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所微生物制造工程中心開發(fā)了新型藍(lán)細(xì)菌超突變系統(tǒng)，突破細(xì)胞基因組復(fù)制高保真性對(duì)其進(jìn)化速率的限制，通過遺傳和環(huán)境協(xié)同擾動(dòng)大幅提升聚球藻細(xì)胞復(fù)制突變率和適應(yīng)性進(jìn)化速度，成功獲得高溫高光耐受能力顯著提高的進(jìn)化藻株，并揭示了影響藍(lán)細(xì)菌高溫高光耐受能力的關(guān)鍵靶點(diǎn)與功能機(jī)制。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然·通訊》。

光合作用是地球上最重要的生物化學(xué)過程，植物和藻類的光合固碳活動(dòng)為生物圈的維持和發(fā)展提供了最根本的初級(jí)生產(chǎn)力。提高光合生物的高溫高光耐受能力是光合作用研究的重要方向。藍(lán)細(xì)菌是研究光合作用的模式體系，提高藍(lán)細(xì)菌高溫高光耐受能力并解析其功能機(jī)制，對(duì)其他光合生物體系的優(yōu)化具有指導(dǎo)和示范價(jià)值。然而，高溫高光脅迫對(duì)藍(lán)細(xì)菌的損傷機(jī)制尚未獲得清楚的解析，理性的代謝工程策略難以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞高溫高光耐受性的有效提升，進(jìn)化工程是改造此類復(fù)雜生理表型的有效手段。

(資料圖片)

遺傳與環(huán)境協(xié)同擾動(dòng)激發(fā)聚球藻超突變狀態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)以藍(lán)細(xì)菌模式藻株聚球藻PCC 7942為平臺(tái)，系統(tǒng)鑒定影響其基因組復(fù)制保真性的關(guān)鍵基因，并通過保真元件敲除-誘變?cè)磉_(dá)的整合策略將重組藻株復(fù)制突變率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境脅迫同樣可以影響聚球藻突變率，通過遺傳保真機(jī)制缺陷與培養(yǎng)環(huán)境脅迫的耦合可以觸發(fā)超突變狀態(tài)，將細(xì)胞突變率提高三個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)上述結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出環(huán)境脅迫和復(fù)制保真機(jī)制缺陷的協(xié)同作用機(jī)制，并使用該系統(tǒng)進(jìn)行聚球藻高溫高光耐受能力的優(yōu)化。

應(yīng)用超突變技術(shù)獲得耐高溫高光聚球藻進(jìn)化藻株。

應(yīng)用上述超突變系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)在兩周內(nèi)即成功獲得了高溫高光耐受能力大幅提升的聚球藻進(jìn)化藻株，相比實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)性進(jìn)化和常規(guī)化學(xué)誘變表現(xiàn)出效率上的巨大優(yōu)勢(shì)。在出發(fā)藻株無法生存的高溫和光照條件下，聚球藻進(jìn)化藻株表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和快速生長(zhǎng)能力。

NC2點(diǎn)突變提高莽草酸激酶表達(dá)水平以優(yōu)化聚球藻高溫高光耐受性。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)獲得的23個(gè)高溫高光耐受藻株進(jìn)行了全基因組測(cè)序，并結(jié)合應(yīng)用正向遺傳學(xué)和反向遺傳學(xué)策略，鎖定了賦予聚球藻高溫高光耐受能力的主效突變?yōu)镕oF1-ATP合成酶alpha亞基C252A突變和莽草酸激酶啟動(dòng)子區(qū)域的NC2突變。其中，NC2突變通過提高莽草酸激酶表達(dá)水平導(dǎo)致聚球藻高溫高光耐受性的機(jī)制為首次報(bào)道；研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該機(jī)制進(jìn)行了驗(yàn)證，通過莽草酸激酶的過量表達(dá)有效提升了重組藻株面對(duì)高溫和高光脅迫的生長(zhǎng)穩(wěn)定性，表明該策略可能對(duì)不同藍(lán)細(xì)菌菌株具有廣泛適用性。

NC2突變重塑聚球藻光合系統(tǒng)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而對(duì)NC2突變通過上調(diào)莽草酸激酶表達(dá)提高聚球藻高溫高光耐受能力的機(jī)制進(jìn)行深入解析，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、蛋白組以及光合生理參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，該突變引發(fā)聚球藻光合和固碳系統(tǒng)的顯著變化，減少了光能的過度吸收、增強(qiáng)了細(xì)胞循環(huán)電子流和氧化磷酸化活性并強(qiáng)化了糖原和蛋白合成，最終保證高效而穩(wěn)定的光合固碳過程。

該研究發(fā)展了新型藍(lán)細(xì)菌超突變系統(tǒng)并通過聚球藻高溫高光耐受性改造證實(shí)了其有效性，為復(fù)雜光合生理表型的優(yōu)化提供了可靠的工具；研究中所發(fā)現(xiàn)的莽草酸激酶表達(dá)提升引發(fā)藍(lán)細(xì)菌高溫高光耐受能力優(yōu)化的現(xiàn)象，豐富了對(duì)光合生理代謝的認(rèn)識(shí)，為未來高光效藍(lán)細(xì)菌底盤的人工設(shè)計(jì)提供了新的啟示。

（孫繪梨?欒國(guó)棟?制圖）

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