速生集胞藻6803光合放氧速率、生長曲線及基因組分析（六）
小結
在高光條件下，高光6803中差異表達的基因有77個，其中上調基因36個，下調基因41個。表達上調的基因主要參與光系統II反應中心、高光脅迫耐受、電子傳遞、有機物合成，而表達下調的基因主要參與糖類、氨基酸等有機物分解過程。
3討論
光合作用能量的來源是自然光，理論上，輸入細胞的能量越多，就可進行越多的細胞生命活動，具體到光合生物，即隨著光強升高，光合固碳效率也得到提升。但實際情況卻與理論推理不相符。光合生物對光能的利用有上限，過高的光強不僅引起光損失、光抑制，正常生理活動也會受到干擾，嚴重時甚至引起光合生物的死亡。集胞藻6803、聚球藻7942等常用模式藍藻的最適培養光強低于100μmol/(m2·s)，屬于中低光強區間，在此光照范圍內，藍藻細胞的倍增時間將超過8 h，光強升高并超過閾值后，細胞的生長會被抑制。近幾年，多種速生聚球藻相繼出現，包括速生聚球藻UTEX 2973、11801、11802、11901和基因改造后獲得的高光7942，它們表現出耐高光、在高光強下倍增時間縮短到2–4 h，接近異養微生物釀酒酵母，這讓研究者看到了通過增大光強來提升藍藻生長速率的希望。
雖然科研人員一直在嘗試提高集胞藻6803的生長速率，但效果并不理想，集胞藻6803在實驗室常規培養條件下的倍增時間通常大于8 h。受速生聚球藻在高光下可快速生長的啟發，我們升高了實驗室保藏的野生型6803的培養光強，經長期培養馴化后，一株可在高光強下快速生長的集胞藻6803被篩選出來，即高光6803，其生長速率與上述速生藍藻聚球藻相近，與野生型6803的表型明顯不同。在獲得高光6803一年后，我們開展了一系列的實驗，生長測試及光合生理研究發現，在高光900μmol/(m2·s)條件下，高光6803的生長不但未被抑制，反而表現出對高光的高效利用及快速生長表型，并且最短倍增時間為3.1 h，可與上述速生聚球藻相媲美。已有文獻報道，結合重復誘變和高光暴露的適應性實驗室進化，誘變篩選獲得的集胞藻6803突變株雖也能在強光條件2 000μmol/(m2·s)下生長，但生理活動受到明顯抑制，生長速率不升反降，在700μmol/(m2·s)光強下，倍增時間也超過10 h。
我們對高光6803進行光合生理測定時發現，在0–2 293μmol/(m2·s)光強區間，高光6803的光化學效率(PSII與PSI處)均隨光強變大而升高，并沒有出現降低的趨勢，這表明高光6803具備在高于培養光強900μmol/(m2·s)的強光環境下耐受高光脅迫、快速生長的潛力。
為揭示高光6803高效利用高光、快速生長的機制，我們對該藻的基因組、轉錄組數據及與野生型6803間的差異進行了比較。經序列比對、PCR測序確認，我們在高光6803中找到2個特有突變基因，包括編碼響應光強變化的轉錄調控因子RpaB基因slr0947、編碼青霉素結合蛋白1B基因sll1434(mrcA)，這2個突變基因分別參與響應光強變化的轉錄調控及細胞壁組分肽聚糖合成過程。這與已報道的速生聚球藻UTEX 2973的突變基因有所不同，相對于野生型聚球藻7942，速生聚球藻UTEX 2973只有3個突變基因，其對應的編碼蛋白分別為F0F1 ATP合成酶α亞基、轉錄響應因子RpaA和NAD+激酶，這3個基因的突變決定了速生聚球藻UTEX 2973可以利用高光，高效快速生長的表型。即使只向聚球藻7942的F0F1 ATP合成酶α亞基編碼基因中引入對應突變，聚球藻7942突變株即可利用高光快速生長，即高光7942。為進一步確定高光6803中是否有速生聚球藻UTEX 2973中的上述3個突變，除進行基因組測序外，我們又對高光6803基因組中同名的F0F1 ATP合成酶α亞基、轉錄響應因子RpaA、NAD+激酶的編碼基因分別進行PCR產物測序，最終明確這3個基因在高光6803中并未發生突變。由此我們推測集胞藻與聚球藻在高光適應與利用機制方面有所不同。
4結論
相較于野生型6803，高光6803不僅可有效利用高光，而且生長迅速、性狀穩定。綜合生理學、基因組學和轉錄組學數據，發現高光6803可通過調控光反應，加強對光能的利用及加快將光能轉化為細胞可利用的化學能，上調有利于生物量積累的有機物同化反應，下調有機物分解反應，將能量代謝、物質代謝2個循環結合起來，在維持2個光系統正常光化學活性的同時，還大大加快細胞的生長速率，不僅避免了光抑制及光損傷，而且實現了對高光的高效利用，將更多的能量、物質用于細胞生長、生物量積累。
本研究不僅獲得了1株性狀穩定可以利用高光快速生長的集胞藻6803，而且為研究光合生物的耐高光機制、提高光合生物光能利用效率及光合固碳效率提供了新的參考。
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