速生集胞藻6803光合放氧速率、生長曲線及基因組分析（五）
在高光條件下，相較于野生型6803，高光6803基因組中編碼響應光強變化的轉錄調控因子RpaB的特有突變基因slr0947的表達水平未檢測到變化；PSII反應中心蛋白D1、D2編碼基因psbA2、psbA3和psbD的表達分別上調了4.4、14.8、5.3倍，而蛋白D1、D2的再生能力決定了PSII適應光脅迫、光抑制的能力。PET上的重要電子傳遞組分細胞色素b6f復合體(B6F)由8個亞基組成，連接PSII、PSI間的電子傳遞通路。高光6803的B6F編碼基因petB的表達水平相比野生型6803上調了4.3倍；以上結果可幫助理解高光6803兩個光系統處rETR明顯高于野生型6803的原因。
藍藻胞內有2種還原力：NADH和NADPH。不同于異養生物胞內NADH含量更高，藍藻胞內的NADPH不僅在總量和比例上占據優勢，同時也是光反應的產物，參與胞內固碳反應等生化過程。ATP、NADPH都是光合作用的產物，但總體上，NADPH相對于ATP過剩，光強過高時產生的過量NADPH會損傷胞內微環境平衡。鐵氧還蛋白(ferredoxin，Fd)是PET的重要組分，依賴攜帶的鐵硫中心發揮功能，也參與線性電子傳遞(linear electron transport，LET)中NADPH的代謝。在高光培養條件下，相對于野生型6803，高光6803中編碼Fd的petF(fdx)的轉錄下調了93.7%，編碼NADH脫氫酶亞基的ndhD2轉錄上調12.8倍，編碼具有NADPH脫氫酶活性的砷抗性蛋白的arsH轉錄上調55.6倍。此外，編碼雙向[Ni-Fe]氫化酶復合體的hoxF與hoxU的轉錄分別下調了76.2%與82.1%。根據以上轉錄組結果，我們推測高光6803通過加強還原力的利用維持胞內氧化還原平衡，避免高光脅迫發生，保證各生化反應的正常進行，以有效利用高光。
與以上光反應相關基因的差異化表達趨勢類似，在高光條件下，相比野生型6803，高光6803中與光合固碳、能量-物質代謝、跨膜轉運相關基因的表達水平也有顯著變化。如cmpA、cmpB編碼ATP依賴的碳酸氫鹽轉運蛋白復合物組分，cmpA與cmpB的表達分別上調了24.3倍與10.5倍。此外，編碼卡爾文循環中核糖5-磷酸異構酶的rpiA表達上調了6.0倍，編碼磷酸甘油酸激酶的pgk、編碼果糖-1，6-二磷酸醛縮酶的fba表達分別上調21.5倍與7.0倍。因此，我們推測高光6803耐高光、生長快、生物量積累多也得益于碳酸氫鹽轉運蛋白復合物、固碳反應相關基因的表達上調。
脂類為藍藻細胞膜、類囊體膜上的主要成分，還參與維持膜結構與功能、細胞儲能。在高光條件下，相比野生型6803，高光6803中與脂類合成相關基因fabD、fabG的表達分別上調了4.3倍與12.4倍；編碼單葡糖基二酰甘油差向異構酶的mgdE表達上調4.2倍。以上基因的表達水平上調表明，高光6803也可通過提升脂類合成能力來適應高光強環境，維持胞內生化反應的正常進行。
在高光條件下，相比野生型6803，高光6803基因組中與丙酮酸代謝相關的編碼磷酸烯醇丙酮酸合酶的ppsA表達下調了86.5%；與糖酵解過程相關的編碼果糖磷酸激酶的pfkA(pfkB1)與pfkA(pfkB2)、編碼丙酮酸氧化還原酶的nifJ表達分別下調了86.3%、91.3%與95.9%；編碼草酸脫羧酶的sll1358表達下調了81.8%。綜上所述，在高光培養條件下，相比野生型6803，高光6803中與糖酵解過程、磷酸戊糖途徑等分解反應相關的基因表達水平均下調，與光合固碳相關的多個基因的表達水平均上調。以上表明高光6803通過減弱釋放能量的糖分解途徑，強化高耗能的光合固碳途徑來調控胞內能量-物質平衡，以實現對高光的有效利用與快速生長。
在藍藻中參與氮同化作用的硝酸鹽轉運蛋白NrtB、NrtC與NrtD負責向藍藻胞內轉運硝酸鹽，并且均依賴ATP供給。在高光條件下，相比野生型6803，高光6803基因組上的nrtB、nrtC與nrtD表達水平分別上調了4.6、5.9、6.4倍，編碼硝酸鹽還原酶的narB表達水平上調了8.7倍；而與氨基酸降解代謝相關的編碼氨基甲酸激酶的arcC、編碼谷氨酰胺連接酶的glnA和glnN、編碼蘇氨酸合成酶的thrC轉錄水平下調了73.0%–87.3%。綜上，我們推測在高光條件下，高光6803的氨基酸分解代謝減弱，氮同化過程增強，可以利用光反應吸收的一部分能量，有利于胞內能量平衡的維持，減輕脅迫，幫助細胞實現快速生長。
在藍藻與外界進行的物質交換過程中，ATP依賴的ABC轉運子蛋白復合體是不可或缺的。在高光條件下，相比于野生型6803，高光6803基因組中除了上述表達水平顯著上調的硝酸鹽、亞硝酸鹽和碳酸氫鹽轉運蛋白編碼基因外，差異化表達的ABC轉運子組分編碼基因的轉錄多數都上調了至少4倍(4.2–24.3倍)。因此，相比野生型6803，高光6803表現出更旺盛的跨膜物質運輸，這有助于其更高效地利用高光、快速生長、抵抗脅迫。
當藍藻細胞受外界脅迫時，胞內的DNA復制、修復、轉錄、重組等生化過程會受到不同程度的影響。在高光條件下，相比野生型6803，高光6803基因組中的編碼GIY-YIG核酸酶家族蛋白基因sll0441(SGL_RS18010)、編碼NgoFVII家族的限制性內切酶基因slr6047(SGL_RS01585)的表達水平分別下調了80.8%與90.7%。編碼DNA解旋酶RecQ的基因recQ表達水平相比野生型6803下調了87.2%，已知依賴ATP的DNA解旋酶RecQ參與DNA復制、DNA修復、mRNA合成及RNA降解等過程。這或許提示我們，在面對脅迫時，相比野生型6803，高光6803耐受性更強，故其所受傷害更小，對DNA重組修復、錯誤RNA降解的需求也更低。
相比野生型6803，在高光條件下，高光6803中特有的突變基因青霉素結合蛋白1B編碼基因sll1434(mrcA)的表達下調了79.2%；與細胞運動相關的鞭毛基因pilT2的表達水平下調了80.0%。這提示我們，高光6803可通過改變或調控細胞壁結構來適應環境變化、利用高光實現快速生長。
綜上所述，在對獲得的轉錄組數據進行深入分析后，我們發現在高光900μmol/(m2·s)條件下，為高效利用高光，維持胞內能量、物質代謝平衡，實現快速生長，高光6803幾乎調動了所有功能途徑。例如，在光合作用的光反應階段，高光6803胞內PSII反應中心蛋白D1、D2的合成能力增強，編碼發揮電子傳遞功能的細胞色素b6f復合體組分的基因表達上調；NADPH和NADH的利用和分解過程也被加快，以促進從光能到化學能ATP的轉化；減輕光損傷，提升PSII的光化學活性。此外，在高光條件下，高光6803胞內與固碳反應相關的基因表達顯著上調，而糖酵解及磷酸戊糖途徑等脫碳反應相關基因的表達則顯著下調，由此可知，當面對高光時，高光6803通過加強光合作用暗反應中的固碳過程，加強可大量消耗能量的氮同化功能、脂類合成及跨膜物質運輸，減弱糖酵解及磷酸戊糖途徑等脫碳反應，從而維持細胞能量-物質代謝過程的總平衡，實現細胞對高光的高效利用與快速生長。
圖6在900μmol/(m2·s)高光強下高光6803相對野生型6803的基因差異化表達以藍色表示基因表達下調，以紅色表示基因表達上調；PET：光合電子傳遞；FC：基因差異化表達的倍數；log2 FC>1。
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