微生物所在提高光合作用效率研究中取得進展

在藍細菌Synechocystis 6803中引入NADPH消耗驅動光合固碳示意圖

人們熟知的「萬物生長靠太陽」現象，其基本原理是在高等植物、藻類和藍細菌這些生物中發生放氧型光合作用。這些生物通過光合作用固定CO2，把太陽能轉化為化學能儲存下來，同時將水分子裂解並釋放出氧氣，供生物呼吸。光合作用是地球上最重要的生物化學反應，為地球生物提供賴以生存的物質基礎。因此，提高光合作用效率，對有效利用太陽能、促進農業增產增收、加速工業CO2減排和資源化利用等，都具有重要意義。

光合作用又是一個極其複雜的生化過程。根據是否需要光，光合作用被人為地分為光反應和暗反應。以往改造光合作用的研究，主要考慮如何提高光反應對光能的利用與轉化效率，或提高暗反應關鍵酶Rubisco固碳效率，很少考慮如何提高光反應和暗反應的偶聯效率。而在實際的生理過程中，光合作用的光反應和暗反應是密不可分的有機整體。光反應產生能量(ATP)和還原力(NADPH)，而暗反應需要消耗ATP和NADPH，才能實現對CO2的還原固定。

中國科學院微生物研究所李寅研究組針對光反應產生的ATP不能滿足暗反應固碳能量需求這一基本問題，根據光反應中ATP與NADPH偶聯產生的基本原理，從細胞全局出發，把光合作用的光反應和暗反應作為有機整體，以連接光合作用光反應和暗反應的NADPH為切入點，提出了一個導入NADPH消耗模塊，從而打破細胞固有的NADPH平衡，通過光反應與暗反應的有效耦聯來增強光反應的內在驅動力、進而提高光合作用效率的新構想。

研究人員以光合放氧菌藍細菌為研究模型，通過引入NADPH依賴型的脫氫酶，創建了只消耗NADPH而不額外消耗ATP的異丙醇生物合成途徑（如圖）。一系列光合生理和生化分析表明，引入NADPH消耗途徑後，細胞生長明顯加快，光合作用效率提高約50%，同時具有更高的細胞活性。同時發現，改造後藍細菌的光飽和點提高一倍，表明其可以耐受更高光強，這對適應自然界中光強的劇烈變化具有重要意義。這一結果表明，還原力驅動的細胞全局代謝工程策略，比傳統單一改造光反應或暗反應，可以更有效地提高光合作用效率，這一策略對改造真核生物的光合作用也具有參考價值。

本公眾號由中國科學院微生物研究所信息中心承辦

微信公眾號：中國生物技術網

TAG:中國生物技術網 |

※合肥研究院在碳量子点与环境介质的相互作用研究中取得进展
※合肥研究院在碳量子點與環境介質的相互作用研究中取得進展
※化學所在高效率有機太陽能電池研究中取得進展
※動物所在生殖幹細胞命運調控研究中取得進展
※新型生物功能材料構築及應用研究獲進展
※水生所關於纖毛囊泡的形成與功能研究取得重要進展
※微生物所等在寨卡病毒重要藥物靶點NS5研究中取得進展
※昆明動物所等在藏族高原適應遺傳機制研究中取得進展
※成都生物所在高寒灌叢碳儲量對氮添加的響應研究中獲進展
※研究表明螞蟻也需勞逸結合以提高生產效率
※生物學院在植物開花機制研究方面取得重要進展
※藻類細胞微型機器人研究中取得進展
※相變儲能材料的研究及應用新進展
※瀋陽生態所根際激發效應研究獲進展
※生物基平台化合物的催化轉化研究取得系列進展
※水生所在活性污泥菌膠團形成機制研究中獲進展
※水生所能源微藻油脂代謝調控機制研究獲進展
※根際土壤線蟲-解磷微生物網路結構和功能研究取得進展
※合肥研究院等在斯格明子材料研究中取得進展