中科院微生物所在提高光合作用效率上取得新進(jìn)

為您介紹中科院微生物所在提高光合作用效率上取得新進(jìn)展。光合作用是一個(gè)極其復(fù)雜的生化過程。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)，兩種反應(yīng)是密不可分的有機(jī)整體。光反應(yīng)產(chǎn)生能量ATP和還原力NADPH，而暗反應(yīng)需要耗費(fèi)ATP和NADPH，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳的還原固定。

研光合作用研究原理

中科院微生物研究所李寅研究組針對(duì)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(xì)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(jī)整體，以連貫光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)的NADPH為切入點(diǎn)，提出了一個(gè)導(dǎo)入NADPH耗費(fèi)模塊，從而打破細(xì)胞固有的NADPH均衡，通過光反應(yīng)與暗反應(yīng)的有效耦聯(lián)，來增強(qiáng)光反應(yīng)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而提高光合作用效率的新策略。該工作已于2016年8月在線發(fā)表在Metabolic Engineering雜志上。

研光合作用研究意義剖析

李寅告訴記者，該研究的意義主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是經(jīng)過各種指標(biāo)評(píng)測(cè)，經(jīng)過改造的藍(lán)藻，其光合作用效率能夠提高40%到50%，表現(xiàn)在生長速度和生物量顯著提高。為此李寅舉例，假如農(nóng)作物的光合作用能提高50%，意味著每畝地就能增收50%的糧食。如果農(nóng)作物的生長速度還能加快，意味著一年也許能夠種兩季、三季，土地的利用率就能進(jìn)一步提高。“事實(shí)上，40%到50%的提高幅度，對(duì)光合作用這樣一個(gè)非常復(fù)雜的體系，是相當(dāng)高的。”

二是經(jīng)過改造的藍(lán)藻，其光飽和點(diǎn)從600光照強(qiáng)度單位（以光量子通量密度表征，mmol/m2/s），提高到了1200光照強(qiáng)度單位。這意味著改造后的藍(lán)藻，能夠耐受更強(qiáng)的光，或者說能夠適應(yīng)更寬的光照強(qiáng)度變化范圍。

“這對(duì)自然界中的植物特別有意義，因?yàn)槲覀冎溃谧匀唤缰校庹諒?qiáng)度的變化幅度是很大的。如果能夠改造獲得耐受高光照強(qiáng)度的植物，在太陽光強(qiáng)烈時(shí)，這些耐受高光照強(qiáng)度的植物，正康復(fù)能夠更有效地把光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能固定下來，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。”同時(shí)，他認(rèn)為能夠耐受高光照強(qiáng)度的植物，也具有更康復(fù)適應(yīng)自然界中光照強(qiáng)度變化的能力。

由于研究是以一種能夠進(jìn)行光合作用的原核微生物——藍(lán)藻為模型，所以李寅認(rèn)為，不能簡略地推斷，在這樣一個(gè)原核生物中取得的結(jié)果，一定能夠在真核生物或植物中產(chǎn)生相似的效果。

他表示，以往關(guān)于光合作用的研究，或希望提高光反應(yīng)的效率，或希望提高暗反應(yīng)的效率，有點(diǎn)像“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”。把光反應(yīng)和暗反應(yīng)作為一個(gè)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(shí)，李寅研究組的結(jié)果也表明，藍(lán)藻的光合作用效率可能還有更大的提高空間。“目前我們還不完全分明改造后藍(lán)藻耐受更高光照強(qiáng)度的分子機(jī)制。如果弄清這種機(jī)制，我們或許會(huì)發(fā)現(xiàn)與光合作用相關(guān)的新靶點(diǎn)，有可能導(dǎo)致新的改造思路或策略的誕生。”