在藍藻Synechocystis 6803中引入NADPH消耗驅(qū)動光合固碳示意圖

8月4日，《代謝工程》（Metabolic Engineering）雜志在線發(fā)表文章，報道了中國科學院微生物研究所李寅研究組利用雙通道葉綠素熒光儀Dual-PAM-100，在提高光合作用效率研究中取得的進展。

光合作用是地球上zui重要的生物化學反應(yīng)，為地球生物提供賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，提高光合作用效率一直是科學界關(guān)注的熱點問題，對解決目前*面臨的糧食問題、能源問題都具有十分重要的意義。光合作用同時又是地球上zui復(fù)雜的化學反應(yīng)之一，根據(jù)是否需要光，光合作用被人為地分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)。以往改造光合作用的研究，主要考慮如何提高光反應(yīng)對光能的利用與轉(zhuǎn)化效率，或提高暗反應(yīng)關(guān)鍵酶Rubisco固碳效率。但光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)是一個有機整體，兩者是緊密偶聯(lián)的。光反應(yīng)產(chǎn)生能量ATP和還原力NADPH，而暗反應(yīng)需要消耗ATP和NADPH，實現(xiàn)對二氧化碳的還原固定。兩者能否協(xié)同工作，是提高光合利用效率的重要因素。

中國科學院微生物研究所李寅研究組針對光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP不能滿足暗反應(yīng)固碳能量需求這一基本問題，根據(jù)光反應(yīng)中ATP是與NADPH偶聯(lián)產(chǎn)生的基本原理，從細胞全局出發(fā)，把光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)作為有機整體，以連接光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)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(yīng)與暗反應(yīng)的有效耦聯(lián)，來增強光反應(yīng)的內(nèi)在驅(qū)動力，進而提高光合作用效率的新策略。

研究人員以光合放氧藍細菌為研究模型，通過引入NADPH依賴的脫氫酶，創(chuàng)建了只消耗NADPH而不額外消耗ATP的異丙醇生物合成途徑（如上圖）。一系列光合生理和生化分析表明，引入NADPH消耗途徑后，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(fā)現(xiàn)，改造后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(yīng)自然界中光強的劇烈變化具有重要意義。這一結(jié)果表明，還原力驅(qū)動的細胞全局代謝工程策略，比傳統(tǒng)單一改造光反應(yīng)或暗反應(yīng)，可以更有效地提高光合作用效率。把光反應(yīng)和暗反應(yīng)作為一個整體來提高光合作用效率的思路，也可為改造植物光合作用效率的相關(guān)研究提供借鑒。

同時，李寅研究組的結(jié)果也表明，藍藻的光合作用效率可能還有更大的提高空間。目前還不*清楚改造后藍藻耐受更高光照強度的分子機制。如果弄清這種機制，或許會發(fā)現(xiàn)與光合作用相關(guān)的新靶點，有可能導致新的改造思路或策略的誕生。

該工作已于8月4日在線發(fā)表在《代謝工程》（Metabolic Engineering）雜志上。研究得到國家自然科學基金和中科院重點部署項目“二氧化碳的人工生物轉(zhuǎn)化”資助。副研究員周杰和博士生張福良為論文的共同*作者。

研究中對PSII分析所用到的葉綠素熒光相關(guān)參數(shù)及對PSI分析所用到的P700相關(guān)參數(shù)，均通過雙通道葉綠素熒光儀Dual-PAM-100（WALZ, Germany）測定。如上圖，通過Dual-PAM-100所測得的數(shù)據(jù)可以看到，引入NADPH消耗驅(qū)動的藍藻（SM7）在PSI及PSII的活性上均有大幅提高。

Dual-PAM-100