速生集胞藻6803光合放氧速率、生长曲线及基因组分析（六）
小结
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。
3讨论
光合作用能量的来源是自然光，理论上，输入细胞的能量越多，就可进行越多的细胞生命活动，具体到光合生物，即随着光强升高，光合固碳效率也得到提升。但实际情况却与理论推理不相符。光合生物对光能的利用有上限，过高的光强不仅引起光损失、光抑制，正常生理活动也会受到干扰，严重时甚至引起光合生物的死亡。集胞藻6803、聚球藻7942等常用模式蓝藻的最适培养光强低于100μmol/(m2·s)，属于中低光强区间，在此光照范围内，蓝藻细胞的倍增时间将超过8 h，光强升高并超过阈值后，细胞的生长会被抑制。近几年，多种速生聚球藻相继出现，包括速生聚球藻UTEX 2973、11801、11802、11901和基因改造后获得的高光7942，它们表现出耐高光、在高光强下倍增时间缩短到2–4 h，接近异养微生物酿酒酵母，这让研究者看到了通过增大光强来提升蓝藻生长速率的希望。
虽然科研人员一直在尝试提高集胞藻6803的生长速率，但效果并不理想，集胞藻6803在实验室常规培养条件下的倍增时间通常大于8 h。受速生聚球藻在高光下可快速生长的启发，我们升高了实验室保藏的野生型6803的培养光强，经长期培养驯化后，一株可在高光强下快速生长的集胞藻6803被筛选出来，即高光6803，其生长速率与上述速生蓝藻聚球藻相近，与野生型6803的表型明显不同。在获得高光6803一年后，我们开展了一系列的实验，生长测试及光合生理研究发现，在高光900μmol/(m2·s)条件下，高光6803的生长不但未被抑制，反而表现出对高光的高效利用及快速生长表型，并且最短倍增时间为3.1 h，可与上述速生聚球藻相媲美。已有文献报道，结合重复诱变和高光暴露的适应性实验室进化，诱变筛选获得的集胞藻6803突变株虽也能在强光条件2 000μmol/(m2·s)下生长，但生理活动受到明显抑制，生长速率不升反降，在700μmol/(m2·s)光强下，倍增时间也超过10 h。
我们对高光6803进行光合生理测定时发现，在0–2 293μmol/(m2·s)光强区间，高光6803的光化学效率(PSII与PSI处)均随光强变大而升高，并没有出现降低的趋势，这表明高光6803具备在高于培养光强900μmol/(m2·s)的强光环境下耐受高光胁迫、快速生长的潜力。
为揭示高光6803高效利用高光、快速生长的机制，我们对该藻的基因组、转录组数据及与野生型6803间的差异进行了比较。经序列比对、PCR测序确认，我们在高光6803中找到2个特有突变基因，包括编码响应光强变化的转录调控因子RpaB基因slr0947、编码青霉素结合蛋白1B基因sll1434(mrcA)，这2个突变基因分别参与响应光强变化的转录调控及细胞壁组分肽聚糖合成过程。这与已报道的速生聚球藻UTEX 2973的突变基因有所不同，相对于野生型聚球藻7942，速生聚球藻UTEX 2973只有3个突变基因，其对应的编码蛋白分别为F0F1 ATP合成酶α亚基、转录响应因子RpaA和NAD+激酶，这3个基因的突变决定了速生聚球藻UTEX 2973可以利用高光，高效快速生长的表型。即使只向聚球藻7942的F0F1 ATP合成酶α亚基编码基因中引入对应突变，聚球藻7942突变株即可利用高光快速生长，即高光7942。为进一步确定高光6803中是否有速生聚球藻UTEX 2973中的上述3个突变，除进行基因组测序外，我们又对高光6803基因组中同名的F0F1 ATP合成酶α亚基、转录响应因子RpaA、NAD+激酶的编码基因分别进行PCR产物测序，最终明确这3个基因在高光6803中并未发生突变。由此我们推测集胞藻与聚球藻在高光适应与利用机制方面有所不同。
4结论
相较于野生型6803，高光6803不仅可有效利用高光，而且生长迅速、性状稳定。综合生理学、基因组学和转录组学数据，发现高光6803可通过调控光反应，加强对光能的利用及加快将光能转化为细胞可利用的化学能，上调有利于生物量积累的有机物同化反应，下调有机物分解反应，将能量代谢、物质代谢2个循环结合起来，在维持2个光系统正常光化学活性的同时，还大大加快细胞的生长速率，不仅避免了光抑制及光损伤，而且实现了对高光的高效利用，将更多的能量、物质用于细胞生长、生物量积累。
本研究不仅获得了1株性状稳定可以利用高光快速生长的集胞藻6803，而且为研究光合生物的耐高光机制、提高光合生物光能利用效率及光合固碳效率提供了新的参考。
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