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蓝藻Hpn1减缓NaHSO_3毒害和促进光合制氢的功能机理研究

陈瑶  
【摘要】:化石燃料的过度使用使得环境问题日益凸显,寻找一种可持续的清洁能源迫在眉睫。氢气的燃烧产物是水,不会造成环境污染,并且可以循环利用,是未来的理想能源。微藻光合制氢主要是微藻的氢化酶利用光系统II(PSII)产生的电子将氢质子还原为氢气的过程,微藻光合制氢过程所用的原料是水和太阳能,相对于传统制氢模式,具有显著的优势。因此,微藻光合制氢是解决能源短缺、环境污染问题的重要途径之一。但是,目前微藻光合制氢面临两大难题:一是氢化酶对氧气十分敏感,在氧气存在的条件下极易失活;二是缺乏充足的电子源。因此,许多研究者采用缺硫、添加NaHSO_3等处理法降低氧气含量,促进微藻光合制氢。我们课题组通过添加NaHSO_3降低氧气的研究已经较为成熟,微藻光合制氢的积累量也明显增加。但是,与缺硫处理法类似,添加NaHSO_3处理法在降低氧气的同时也使藻细胞严重受损,PSII的活性显著降低,从而限制微藻光合制氢所需的电子,不能使微藻高效地光合产氢。因此在降低氧气含量的前提下,微藻维持较高的PSII活性,保证充足的电子源是非常重要的。当前,NaHSO_3背景下通过生理手段提高PSII活性,促进微藻光合制氢已经达到最优化。因此,本论文试图在NaHSO_3背景下筛选高的PSII活性的突变株并解释其促进集胞藻6803光合制氢的分子机理。我们在NaHSO_3背景下对集胞藻6803(Synechocystis sp.strain PCC 6803)转座子突变体库进行筛选,成功鉴定到一个抗NaHSO_3胁迫的蛋白Hpn1(high PSII activity under NaHSO_3),即在NaHSO_3胁迫条件下,蛋白Hpn1缺失能够提高PSII活性。本研究对微藻实现高效光合制氢具有重要的理论参考意义,主要研究结果如下:(1)通过NaHSO_3筛选策略,我们从集胞藻6803转座子突变体库中筛选、分离、鉴定到两株突变株。PAM叶绿素调制荧光数据显示:在正常条件下这两株突变株与野生型(WT)的F_v/F_m类似,但在添加NaHSO_3条件下突变株F_v/F_m优于WT。反向PCR鉴定结果显示,这两株突变株均插入hpn1这一基因的同一位点。因此我们得出结论:在NaHSO_3背景下,hpn1基因的突变能够改善PSII活性。(2)气相检测结果表明:在NaHSO_3背景下,hpn1基因突变能够增加集胞藻6803的产氢积累量。验证了在降低氧气含量的前提下,提高PSII活性,保证充足的电子源,能够促进微藻光合制氢这一理论。(3)转录水平数据表明Hpn1与PsbH可能存在相互作用。正常条件下,hpn1基因缺失使得转录水平psbH上调维持PSII的稳定性;而在产氢条件下,相对于WT,突变株(Δhpn1)的损伤程度低,不需要调动大量的PsbH来保护PSII,所以其转录水平psbH表达是下调的。综上所述,我们成功鉴定到一个蛋白Hpn1;在NaHSO_3背景下该蛋白缺失能够提高PSII活性,促进集胞藻6803的光合制氢。


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