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聚球蓝藻7002类胡萝卜素的生理功能及其代谢工程研究

朱跃辉  
【摘要】:以一种海洋聚球蓝藻7002为主要对象研宄类胡萝卜素的生理功能及其生物合成途径。定向缺失其叶黄素合成途径中的酶基因,获得仅合成某一类型叶黄素与β-胡萝卜素或完全不能合成叶黄素的一系列叶黄素突变株。在低光照生长条件下,叶黄素突变株表现出生长抑制。在高于标准的饱和光照条件下叶黄素的缺失使突变株受到不同程度的生长缺陷、细胞色素含量和光合系统I含量部下降、胞内活性氧/活性氮(ROS/RNS)水平上升,无叶黄素的突变株在超饱和光照时甚至积累900倍于标准条件野生型的ROS/RNS水平。多位点的叶黄素合成基因缺失造成光氧化胁迫的累积效应。 聚球蓝藻7002的六种主要叶黄素都江堰市在应对细胞光氧化胁迫甚至维持细胞生命力上有不可或缺的保护作用。从横向角度看,缺失羟基和酮基类胡萝卜素,如玉米黄素和海胆酮所导致的叶绿素含量下降及ROS/RNS的积累的程度部要比另外两个叶黄素分支途径的缺失所造成的氧化胁迫程度要高的多,这与这两种色素分布于光合作用元件并可能直接参与保护类囊体免受氧化的猜测一致。因此,可以认为在聚球蓝藻’7002中,羟化酶crtR和酮化酶crtw负责合成的羟基和酮基类胡萝卜素在响应内源性氧化胁迫、保护生长活跃细胞免受内源的毒性机制时起着更大的作用;而β-胡萝卜素脱氢酶/甲基转移酶cruE和1’-羟化酶cruF分别参与合成的新发现的类胡萝卜素二酸synechoxanthin和糖苷类胡萝卜素myxoxamhophyll则可能远离光合作用元件,在应对胞外胁迫方面更具保护作用。 聚球蓝藻7002还提供了成熟的基因表达平台,结合部分突变株作为遗传背景,可以进一步用于拓展其类胡萝卜素合成路径。来自一种新发现的嗜热厌氧细菌Ignavibactrium album的类胡萝卜素酮化酶crtw在聚球蓝藻7002 criW突变株中表达后表现出体内活性,补偿了缺失的内源酮化酶的功能将β-胡萝卜素转化得到为海胆酮和3’-羟基海胆酮。但它与表达的两种蓝藻Adnd Pcc 7120和Nostoc punctiformePCC73102的酮化酶一样,都还未能观察到新菌株可以生成虾青素或其前体。 近年发现的聚球蓝藻7002番茄红素环化酶CruA/CruP是不同于任何己知类型的一类新环化酶。在野生型、CruA和CruP三个突变株背景中超量表达的CruA都显示出将番茄红素和γ-胡萝卜素转化为β-胡萝卜素的体内酶促活性。CruA从不同的细胞组分中亲和纯化并发现叶绿素可能是其辅助因子,结合体外酶活实验分析可能有助于揭示这类新型胡萝卜素环化酶的催化作用机理。聚球蓝藻7002在研宄其自身类胡萝卜素合成途径以及合成新的特殊的叶黄素等应用方面都具有可利用的扩展能力。


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