青島能源所成功研發藍細菌超突變系統

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所微生物制造工程中心呂雪峰科研團隊開發了新型藍細菌超突變系統，突破細胞基因組復制高保真性對其進化速率的限制，通過遺傳和環境協同擾動大幅提升聚球藻細胞復制突變率和適應性進化速度，成功獲得高溫高光耐受能力顯著提高的進化藻株，并揭示了影響藍細菌高溫高光耐受能力的關鍵靶點與功能機制。相關成果3月4日在線發表于《自然·通訊》。

光合作用是地球上最重要的生物化學過程，植物和藻類的光合固碳活動為生物圈的維持和發展提供了最根本的初級生產力。提高光合生物的高溫高光耐受能力是光合作用研究的重要方向。

藍細菌是研究光合作用的模式體系，提高藍細菌高溫高光耐受能力并解析其功能機制，對其他光合生物體系的優化具有指導和示范價值。然而，高溫高光脅迫對藍細菌的損傷機制尚未獲得清楚的解析，理性的代謝工程策略難以實現細胞高溫高光耐受性的有效提升，進化工程是改造此類復雜生理表型的有效手段。

研究團隊以藍細菌模式藻株聚球藻PCC 7942為平臺，系統鑒定影響其基因組復制保真性的關鍵基因，并通過保真元件敲除-誘變元件表達的整合策略將重組藻株復制突變率提高了兩個數量級。

在此基礎上，研究團隊發現環境脅迫同樣可以影響聚球藻突變率，通過遺傳保真機制缺陷與培養環境脅迫的耦合可以觸發超突變狀態，將細胞突變率提高三個數量級。

根據上述結果，研究團隊提出環境脅迫和復制保真機制缺陷的協同作用機制，并使用該系統進行聚球藻高溫高光耐受能力的優化。

應用上述超突變系統，研究團隊在兩周內即成功獲得了高溫高光耐受能力大幅提升的聚球藻進化藻株，相比實驗室適應性進化和常規化學誘變表現出效率上的巨大優勢。在出發藻株無法生存的高溫和光照條件下，聚球藻進化藻株表現出良好的適應性和快速生長能力。

研究團隊對獲得的23個高溫高光耐受藻株進行了全基因組測序，并結合應用正向遺傳學和反向遺傳學策略，鎖定了賦予聚球藻高溫高光耐受能力的主效突變為FoF1-ATP合成酶alpha亞基C252A突變和莽草酸激酶啟動子區域的NC2突變。其中，NC2突變通過提高莽草酸激酶表達水平導致聚球藻高溫高光耐受性的機制為首次報道；研究團隊對該機制進行了驗證，通過莽草酸激酶的過量表達有效提升了重組藻株面對高溫和高光脅迫的生長穩定性，表明該策略可能對不同藍細菌菌株具有廣泛適用性。

研究團隊進而對NC2突變通過上調莽草酸激酶表達提高聚球藻高溫高光耐受能力的機制進行深入解析，結合轉錄組、蛋白組以及光合生理參數分析發現，該突變引發聚球藻光合和固碳系統的顯著變化，減少了光能的過度吸收、增強了細胞循環電子流和氧化磷酸化活性并強化了糖原和蛋白合成，最終保證高效而穩定的光合固碳過程。

該研究發展了新型藍細菌超突變系統并通過聚球藻高溫高光耐受性改造證實了其有效性，為復雜光合生理表型的優化提供了可靠的工具；研究中所發現的莽草酸激酶表達提升引發藍細菌高溫高光耐受能力優化的現象，豐富了對光合生理代謝的認識，為未來高光效藍細菌底盤的人工設計提供了新的啟示。

研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青年人才創新促進會、潔凈能源創新研究院聯合基金以及山東省人才計劃的支持。