【背景】蓝藻是一类能进行放氧光合作用的原核生物。随着生长速率与异养微生物相仿的速生蓝藻的出现，蓝藻在光合细胞工厂领域备受关注。集胞藻(Synechocystis sp.)PCC 6803是研究光合作用的理想模式生物，也是近年来常用的光合固碳产化学品底盘细胞，其基因组测序最早被公开，并且比常用模式蓝藻聚球藻具有更强的环境适应性及性状稳定性，但目前尚未见速生集胞藻的报道。

【目的】评价本实验室选育的在高光强下可以快速生长的集胞藻6803(高光6803)在高光强下的光合生理，并初步研究其分子机制。

【方法】通过比较分析光合生理，评价高光6803性状稳定性；通过基因组学及转录组学比较分析，初步解析高光6803的分子机制。

【结果】获得1株快速生长的集胞藻，即高光6803，其生长速率和光合活性均远高于普通集胞藻6803，并且性状稳定；其最短倍增时间约3.1 h，与已报道的速生聚球藻(Synechococcus elongatus)UTEX 2973相当；其在900μmol/(m2·s)的高光强下仍可快速生长，并且最适光强是野生型集胞藻6803的3倍以上。基因组学比较分析发现高光6803基因组中有2个特有基因突变。转录组学比较分析发现，在高光条件下，高光6803中差异表达的基因有77个，其中上调基因36个，下调基因41个。表达上调的基因主要参与光系统II(photosystem II,PSII)反应中心、高光胁迫耐受、电子传递、有机物合成，而表达下调的基因主要参与糖类、氨基酸等有机物分解过程。

【结论】本研究首次报道了速生集胞藻高光6803，并对其分子机制进行初步研究。找到与其高效利用高光快速生长相关的2个突变靶基因，并从转录组水平说明高光6803是通过高效利用光能而快速生长。因此，本研究不仅拓宽了速生蓝藻的种类，为研究光合微生物固碳产化学品提供了高效的底盘细胞，也为将其他蓝藻改造为速生蓝藻提供了基因靶点及理论基础。

蓝藻是地球上已知最早可进行放氧光合作用的原核自养生物，除了参与光合作用的结构、组分与高等植物类似，其光能转化效率显著高于后者；此外，蓝藻还具有结构简单、代时短及易于基因操作的优点，使其一直是研究光合作用的理想模式生物。近20年来，由于温室气体CO2排放日益加剧，迫切需要实现对CO2资源化利用，这使得蓝藻成为利用CO2生物合成化学品的理想底盘细胞，其中最常用的有集胞藻(Synechocystis sp.)6803、聚球藻(Synechococcus sp.)PCC 7002、速生聚球藻(Synechococcus elongatus)PCC 7942和速生聚球藻UTEX 2973。到目前为止，在各国科学家共同努力下，通过对蓝藻进行代谢工程改造，已有近30种化学品可在蓝藻中实现由CO2直接合成，如乙醇、丁醇等燃料；丙酮、异丙醇、乳酸、乙醇酸等大宗化学品；异戊二烯、柠檬烯、法尼烯等萜烯类化合物和其他高附加值化学品。但相较于异养微生物，光合自养微生物蓝藻生长慢，使光合自养蓝藻利用CO2产化学品的产率与异养微生物利用葡萄糖产化学品间有百倍的差距，蓝藻光合固碳产化学品的产业化发展因此严重受限。

近年来，随着生长速率与酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)接近的速生蓝藻相继被发现，蓝藻光合固碳产化学品领域迎来了希望。2015年，研究人员首次报道了速生蓝藻，即从聚球藻(Synechococcus sp.)PCC 6301中分离到的速生聚球藻UTEX 2973，其生长速率约是聚球藻6301和聚球藻7942生长速率的2倍以上，但3株藻在基因组层面上的序列相似性超过99.0%，当培养条件优化为500μmol/(m2·s)、41℃、3.0%CO2时，速生聚球藻UTEX 2973的倍增时间可缩短至2.1 h，接近酿酒酵母的生长速率。随后又有几株耐高光的速生蓝藻相继被分离到，其中聚球藻(Synechococcus elongatus)PCC 11801、聚球藻(Synechococcus elongatus)PCC 11802及聚球藻(Synechococcus sp.)PCC 11901在光强750μmol/(m2·s)和1 000μmol/(m2·s)培养条件下仍可生长；目前发现的4株速生蓝藻均为聚球藻，虽然基因组测序显示，这4株速生蓝藻和聚球藻7942的序列相似性超过80.0%，其中速生聚球藻UTEX 2973与聚球藻7942的相似性甚至超过99.8%，但在高光利用和生长速率方面，这4株速生蓝藻都明显优于聚球藻7942。

在所有模式蓝藻中集胞藻6803的基因组序列最早被公布，因此研究者们对该藻开展了大量研究工作。清晰的遗传背景、易于基因操作、性状稳定等优势，也使其成为利用CO2生产化学品的理想底盘细胞。目前已有光合固碳产化学品做到规模化测试阶段的报道，如集胞藻6803以CO2为原料产乙醇项目，产量已达到1 000 L/d。因此，集胞藻6803是极具工业化应用潜力的蓝藻藻株。但目前发现的速生蓝藻均属于聚球藻属，尚无速生集胞藻的报道。

为得到速生集胞藻，我们根据国内外现有4株速生聚球藻都具有高光强下快速生长这一特质，利用高光强条件对实验室常用的集胞藻6803进行高光驯化培养。幸运的是，经约1年的培养驯化，我们得到1株可在900μmol/(m2·s)高光培养条件下快速生长的集胞藻6803，其生长速率明显快于野生型6803，我们将其命名为高光6803。本研究以期为探究高光6803的耐高光机制及其耐高光、快速生长性状的稳定性奠定了基础，这不仅能够拓展速生蓝藻的种属范围，还能为蓝藻光合固碳产化学品的研究提供优质、高效的底盘细胞，所得的新认识可为将其他种属蓝藻改造为速生蓝藻的研究提供参考。

2结果与分析

2.1高光对高光6803生长的影响

为研究高光6803耐高光速生表型的稳定性，我们首先比较了高光6803和野生型6803在高光下的生长状况。

如图1A所示，在900μmol/(m2·s)高光条件下培养1 d后，相较于野生型6803(0.71±0.02)，高光6803菌液不仅颜色更深、更绿，而且OD730数值也高2.3倍(2.36±0.05)。如图1B所示，在接下来的培养过程中，2株集胞藻的OD730、生长速率差异继续扩大，在第3天，高光6803的OD730(6.98±0.26)是野生型6803(0.78±0.03)的8.9倍；在第6.5天，高光6803的生长速率增长已趋缓，但仍明显高于野生型6803。

在900μmol/(m2·s)高光条件下，野生型6803表现出生长受限；高光6803仍保持着快速生长的状态，未受到高光抑制。经计算后可知，本研究中高光6803的最短倍增时间是3.1 h，野生型6803的倍增时间是6.9 h，前者是后者的44.9%，是论文报道的野生型6803最短倍增时间6.6 h的47.0%。以上结果证明了高光6803可利用高光快速生长。

图1在高光900μmol/(m2·s)下高光6803与野生型6803培养1d的菌液比较(A)与生长曲线(B)HL6803：高光6803；WT6803：野生型6803；OD730：藻液在730 nm处测得的光密度。

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