藍細菌是一類古老的光合微生物，為了應對光照、溫度等環境條件的變化，逐漸進化出了一套高效的環境脅迫耐受機制。聚球藻 UTEX 2973 是一株新近發現對高溫和強光照條件具有良好耐受能力的藻株，能夠在高達42度、1500 μE m
-2s-1光照條件下快速生長，生長代時僅為1.5小時。而相同條件下，包括其近緣物種聚球藻 PCC7942 在內的大多數藍細菌都不能生長。有趣的是，聚球藻 UTEX2973 和聚球藻 PCC7942 的基因組序列一致性高達99.8%，它們只有24個差異蛋白編碼基因，但是卻具有顯著不同的環境耐受能力。因此，這些差異基因很可能就是引起兩株聚球藻脅迫耐受表型差異的直接原因。為了鑑定決定聚球藻脅迫耐受能力的關鍵基因，由中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員呂雪峰帶領的微生物代謝工程研究組採用了“基因互補”策略：將聚球藻 PCC7942 視作基因缺陷型突變株，以聚球藻 UTEX2973 的基因片段轉化聚球藻 PCC7942 ，篩選具有高溫和高光耐受能力的突變株。結果發現，所有高溫高光耐受的聚球藻 PCC7942 突變株在其 FoF1 ATP 合成酶 ɑ 亞基（AtpA）的252位氨基酸均有一個 C252Y（色氨酸到絡氨酸）的點突變。而針對該位點的飽和突變發現，將半胱氨酸（Cysteine, C）突變為任何一種共軛氨基酸（苯丙氨酸、絡氨酸、組氨酸、色氨酸）都能夠使得聚球藻 PCC7942 獲得高溫高光的耐受能力。通過系統的生化、生理和代謝水平研究發現，C252Y 點突變造成了 FoF1 ATP 合成酶 ɑ 亞基蛋白水平和 FoF1 ATP 合成酶活性的顯著提高，增加了胞內 ATP 水平；顯著提高了脅迫條件下的光系統 II 核心 D1 蛋白的轉錄水平、光合放氧、線性電子傳遞速率，乃至糖原積累速率。該研究鑑定了決定速生聚球藻環境脅迫耐受能力的關鍵基因，為代謝工程改造光合生物環境抗逆性提供了重要靶標（
Appl Environ Microbiol, 2018）。而針對聚球藻 UTEX2973 脅迫條件下轉錄調控機制不清的問題，研究組與德國弗萊堡大學教授 Wolfgang Hess 研究組合作開展了基於 dRNA-seq 的差異轉錄組學研究，分析了不同脅迫條件對於聚球藻 UTEX2973 基因轉錄和生理代謝的影響，發現響應強光信號的小 RNA 分子 PsrR1 以及黑暗條件大量轉錄的 Sye_sRNA1 和 Sye_sRNA3 ，並推測它們可能的作用機制。此外，該研究還精確鑑定了聚球藻 UTEX2973 全基因組範圍的4808個轉錄起始位點，為後續轉錄調控以及代謝工程改造研究奠定了基礎（Biotechnol Biofuels, 2018）。
相關研究得到了國家自然科學基金傑出青年基金、中科院重點部署項目、山東省重大基礎研究等的支持。
圖1. 不同脅迫對聚球藻 UTEX2973 中心代謝的影響
圖2. 聚球藻 UTEX2973 所有轉錄本 TSS 分佈圖
閱讀更多 中科院之聲 的文章
