AlgaTech藻类研究技术：项圈藻天线基因修饰变异株提高固氮酶活性

中科院武汉水生所、华盛顿大学、欧洲PSI公司（易科泰公司合作伙伴）合作，采用FKM多光谱荧光动态显微成像技术及MC1000多通道藻类培养监测系统，为项圈藻异形胞中的藻胆蛋白含量对于固氮酶活性的影响提供了直接证据：适应缺氮环境不一定需要藻胆蛋白降解；而藻胆蛋白含量高则有利于维持固氮酶活性，原因是藻胆蛋白能够捕获光能、从而为固氮作用提供更多的ATP。该研究结果于2021年12月发表于mBio杂志上。

固氮蓝藻的异形胞在其丝状体的营养细胞链上间隔分布，固定大气中的N₂。异形胞的固氮反应耗能很高，关键的驱动力是ATP；生成ATP的能量则来自光系统中以藻胆蛋白为主的天线色素复合体所捕获的光能。营养细胞中的藻胆蛋白在缺氮时降解、有氮时重新合成；但是异形胞中的藻胆蛋白的含量规律和功能至今尚无定论。本研究制作出项圈藻33047的突变株ΔnblA，该突变株在缺氮环境中藻胆蛋白不会降解所以可维持高含量。将其与野生株在加氮/缺氮条件下同时用不同光强培养，测量二者生长速度、藻胆蛋白含量、环式电子传递等指标变化，证实了本研究结论。

42℃恒温、加氮和缺氮条件下、分别设置光强梯度培养项圈藻33047，自动记录各个样品在特定光强下的生物量变化。全部工作使用MC1000 8通道藻类培养与在线监测系统完成。（A）加氮，（B）缺氮。(蓝, 500; 绿, 1000; 黄, 1500; 红, 2000μmol m^-2 s^-1)。

可见无论施氮与否，藻株生长速度都很快，并且随着光强的增加而增加。施氮藻株增长速度受到抑制时（倍增时间为3.18±0.16h）的光强在1500-2000μmol m^-2 s^-1之间。小于500μmol m^-2 s^-1时加氮和缺氮藻株生长速度都显著受限。

缺氮培养时，突变株ΔnblA的异形胞和营养细胞中始终保持大量的藻胆蛋白；野生株的异形胞和营养细胞中的藻胆蛋白都在缺氮时降解，加氮后营养细胞藻胆蛋白恢复，而异形胞中含量仍低。应用FKM（Fluorescence Kinetic Microscope)多光谱显微荧光动态研究系统，不仅可对这一现象进行直观的图像观察，并且能够得到定量分析数据。

（A）野生株明视场图像；（B）野生株藻胆蛋白成像；（C）突变株明视场图像；（D）突变株藻胆蛋白成像。二者都在缺氮环境中培养。重新施氮后，野生株的异形胞藻胆蛋白含量未见恢复；而突变株异形胞藻胆蛋白含量不变，如箭头所示。

（E）和（F）野生株和突变株的异形胞藻胆蛋白成像对比。（G）野生株和突变株的藻胆蛋白含量对比，后者是前者的8倍。

参考文献：

Anindita Bandyopadhyay, Zi Ye, Zuzana Benedikty, Martin Trtilek, Himadri B. Pakrasi, Antenna Modification Leads to Enhanced Nitrogenase Activity in a High Light-Tolerant Cyanobacterium., [J] mBio., 2021 Volume 12 Issue 6 e03408-21

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