引入ATP和NADPH消耗能力以减弱光呼吸、提高光合固碳效率的新策略及其生理影响研究

Photosynthetic carbon fixation is a key factor in growth and yield of photosynthetic organisms. However, due to the complexity of oxygenic photosynthesis and the inherent flaws of Rubisco oxygenase activity, it is difficult to improve the efficiency of photosynthetic carbon fixation. Whereas, as the biochemical process along with the Calvin cycle, photorespiration leads to 25% loss of the fixed carbon. Reducing or blocking photorespiration, therefore, may increase the efficiency of photosynthetic carbon fixation. However, the important physiological function protecting photosynthetic organisms from photoinhibation of photorespiration made almost all attempts to reduce photorespiration in order to increase net photosynthesis failed. Therefore, in this study, we investigate a novel strategy to reduce photorespiration to improve the efficiency of photosynthetic carbon fixation based on consumption of extra ATP and NADPH, which is the mechanism of photorespiration physiological function. To clarify the effects on photorespiration, PSII, PSI, carbon fixation and tolerability of high light, activity of photosynthesis, physiology and biochemistry of cyanobacterium Synechocystis 6803 mutant, in which ATP and NADPH consuming pathway was introduced, will be investigated. Furthermore, the optimal energy and reducing power dynamic balance between light and dark reactions of photosynthesis will be revealed through regulating the introduced ATP and NADPH consumption pathway. In addition, the target of reducing photorespiration, enhancing photosynthetic efficiency and tolerability of high light by introducing ATP and NADPH consumption pathway will be clarified and the mechanism will be revealed.

光合作用的复杂程度及固碳酶Rubisco既羧化又加氧的“先天缺陷”，使提高光合固碳效率异常困难。而光呼吸作为与卡尔文循环并存的生化过程却消耗高达20%以上的光合固碳。因此，减弱光呼吸，可以有效提高光合固碳效率。然而光呼吸因其重要的保护功能使针对于光呼吸途径的各种改造均以失败告终。本项目以光呼吸的保护机制-消耗光反应产生的过剩的ATP和NADPH为切入点，从细胞全局出发，探索减弱光呼吸的新策略，进而提高光合固碳效率。通过对前期构建的引入ATP和NADPH消耗途径的蓝藻进行光合、分子生理及生化研究，阐明增加ATP和NADPH消耗对光呼吸、光反应、固碳效率及高光耐受性的影响；研究光反应和暗反应之间的能量动态平衡；揭示其减弱光呼吸、提高光合效率和高光耐受性的作用靶点及机制。本项目的完成不仅为减弱光呼吸、提高光合固碳效率及对高光耐受性提供新策略，而且为节约化石能源、探索对CO2资源化利用提供新思路。

光合作用是把太阳能转化为化学能ATP和还原力NADPH，进而还原CO2和水为有机物，并释放出氧气的生化过程。光合作用为地球生物提供赖以生存的物质基础。因此，研究光合作用机制、提高光合固碳效率，对有效利用太阳能，促进农业增产增收，实现工业CO2减排及CO2资源化利用等都具有重要意义。固碳酶Rubisco既羧化又加氧的“先天缺陷”，及Rubisco结构异常复杂，使通过改造Rubisco来提高光合固碳效率异常困难。而由Rubisco加氧导致光呼吸作为与卡尔文循环并存的生化过程却消耗高达30%的光合固碳。因此，减弱或去除光呼吸，是光合作用改造的重要靶点。.但由于光呼吸具有耗散过多能量即光保护的重要生理功能，使光呼吸无法去除。因此，本研究以进行放氧光合作用的原核生物蓝藻为模式生物，以光呼吸的保护机制-消耗过多的ATP和NADPH，避免光损伤为切入点，从细胞全局出发，在集胞藻6803中引入ATP/NADPH消耗途径，替代光呼吸的光保护功能，实现阻断光呼吸，进而提高了光合作用效率。通过分析蓝藻代谢途径，发现MEP途径是高能耗途径，从丙酮酸到DMAPP的七步反应中，有六步反应需要能量或还原力，共消耗3个高能磷酸键和2个还原力。因此，对集胞藻6803中的MEP途径进行设计、改造，引入异戊二烯合酶（IspS），以MEP途径产生的DMAPP为底物生成异戊二烯以气体的形式释放出来，可以带走更多能量；同时避免底物积累抑制，可以使反应随时进行。从对高能化合物消耗和产物以气体形式释放、反应可以随时进行等特征来看，集胞藻6803中引入的异戊二烯合成途径-开放式的ATP和NADPH消耗能力，可以行使光呼吸消耗高能化合物、避免光损伤的生理功能。引入异戊二烯合成这一ATP和NADPH消耗途径，并同时阻断光呼吸，不仅使菌株能够在空气中生长、没有阻断光呼吸所特有的高二氧化碳依赖的表型，而且阻断光呼吸使异戊二烯产量提高两倍。本工作的完成证明通过巧妙设计，不仅可以把光呼吸阻断，而且可以把光呼吸浪费的能量用于目标高能化合物合成。这为高等植物光合作用改造，尤其是光呼吸的改造利用提供了新思路。