集胞藻PCC 6803中光合作用相关转运蛋白的鉴定与解析

Photosynthesis is fundamental to the carbon-oxygen balance on earth. Photosynthetic cyanobacteria are regarded as an ideal model for studying photosynthesis, because they can carry out photosynthesis independently and their light utilization efficiency is more than 10 times that of plants. Transporters are one of the key components of many important life activities such as cellular material exchange and information transfer. Previous studies found that transpoters are involved in photosynthesis directly or indirectly, by mediating the transfer of ions, small molecules or macromolecules, and signals across the membrane. In this study, to better understand photosynthesis, the important transporters involved in photosynthesis will be systematically identified and the relative mechanisms will be deciphered in the model photosynthetic cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. In addition, the identified transporters involved in photosynthesis will be applied to the photosynthesis regulation and optimization in cyanobacteria by genetic engineering. The results will contribute to the better understanding of photosynthesis process, and will also provide important knowledge necessary for the rational construction of photosynthetic cyanobacterial chassis for biofuels and chemicals production, as well as for the regulation and optimization of photosynthesis in higher plants.

光合作用是地球碳-氧平衡的重要媒介，而光合蓝细菌能独立进行光合作用，且其光能利用率为陆生植物的10倍以上，是研究光合作用的理想模式生物。转运蛋白是细胞执行物质交换与信息传递等重要生命活动的关键器件之一，它通过介导生物膜内外的物质传递（离子、小分子或大分子）以及信号交换，直接或间接的参与了光合作用。 针对“光合作用相关的重要转运蛋白及其参与的转运过程”这一重要科学问题，本研究将对模式光合蓝细菌Synechocystis sp. PCC 6803中光合作用相关的转运蛋白进行系统鉴定及解析，加深对光合作用这一重要生物学过程的理解。 其次，鉴定到的光合作用相关的转运蛋白，我们将使用基因工程手段，用于调控和优化蓝细菌光合作用的实践。研究结果将有助于加深光合作用这一重要过程的理解，同时为改造和优化基于光合蓝细菌的“自养型细胞工厂”提供理论指导，此外，对于高等植物光合作用的调控及优化也有重要的参考意义。

本研究旨在深化对光合蓝细菌中转运蛋白参与的光合作用的理解，以及解析相关的分子调控机制。光合蓝细菌作为唯一能进行有氧光合作用的原核生物，鉴于其简单的遗传背景和成熟的遗传工具，可用作高光（HL）耐受性研究的理想模型。研究通过筛选突变文库，发现一个与碳酸氢根转运相关的基因slr1512参与了模式蓝细菌集胞藻PCC6803的HL适应性。通过比较生长，slr1512基因敲除突变体显著增强了集胞藻PCC6803对长期HL胁迫（200 μmol photons m-2 s-1）的耐受性。 与野生型相比，在10天后实现约1.95倍的增长。本研究通过全吸收光谱和叶绿素a含量测量分析Δslr1512与野生型之间的表型差异。此外，通过slr1512控制的可利用的碳酸氢根和降低PSII活性被证明是影响集胞藻PCC6803对HL胁迫耐受性的关键因素。进一步分析证实，细胞内碳酸氢根可显著影响PSII的活性，导致HL下毒性ROS的积累发生变化。最后，应用比较转录组学确定Δslr1512和野生型之间对HL的差异响应。这项工作为长期HL适应性机制提供了有用的见解，并为指导未来蓝藻抗HL的耐受性工程改造提供了有价值的信息。研究还成功通过过表达Mrp转运蛋白提高了聚球藻UTEX 2973的耐盐性，以及在聚球藻UTEX 2973中进行了系统的基因操作方法及遗传操作工具的开发，为后续对于聚球藻UTEX 2973进行改造提供了完善的工具基础。